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Automatisiertes Ablagesystem positioniert Press- und Stanzteile

04.11.2009
Für das geordnete und schonende Ablegen von Press- und Stanzteilen wurde ein automatisiertes Ablagesystem nach dem Baukastenkonzept entwickelt. Dabei konnten mit Hilfe der Simulation wesentliche Entwicklungsschritte bereits im virtuellen Raum vorweggenommen werden.

Mit modularen Systemen lassen sich in der Fertigung viele Prozessschritte besonders wirtschaftlich automatisieren. Der Spann- und Greiftechnikspezialist Schunk geht dabei noch einen Schritt weiter: Bereits ab der Entwurfsphase können Baugruppen und Automatisierungssysteme virtuell simuliert und verbessert werden. Auf diese Weise verkürzen Anwender, Systemintegratoren und Konstruktionsbüros die Entwicklungszeit, vermeiden Schwachstellen und teure Fehlversuche und steigern sowohl die Lebensdauer als auch die Energieeffizienz der Anlage.

Automatisiertes Ablagesystem als universelles Baukastensystem

Ein Beispiel für den Nutzen virtueller Prototypen ist ein Projekt bei Kiwi Automations in Oberkirch. Mit Hilfe von Schunk Engineering wurde ein effizientes, automatisiertes Ablagesystem zum geordneten und schonenden Ablegen von Press-, Stanz- und anderen Serienteilen entwickelt. Entstanden ist so ein universelles Baukastensystem.

Die Qualitätsanforderungen in der Serien- und Massenfertigung sind in den vergangenen Jahren unaufhörlich gestiegen. Immer anspruchsvoller, komplexer und empfindlicher werden die Teile. Zugleich gehören eine makellose Optik und eine hohe Maßhaltigkeit immer häufiger zu den entscheidenden Qualitätskriterien. Speziell in der Serien- und Massenfertigung gewinnt daher das schonende und geordnete Ablegen zunehmend an Bedeutung.

Mit dem kompakten, vielseitig einsetzbaren Ablagesystem lassen sich beispielsweise Press- und Stanzteile selbst bei hohen Taktraten zuverlässig und schonend für die direkte Weiterverarbeitung positionieren und abstapeln. Ver-glichen mit Setzhilfen senkt diese Automatisierungslösung deutlich die Fertigungskosten. Zudem ist kontinuierlich eine schnelle Taktung möglich.

Während früher bei der Entwicklung derartiger Automatisierungssysteme primär manuelle Auslegungen, Excel-Tools und teure Prototypen genutzt wurden, nimmt Schunk wesentliche Entwicklungsschritte bereits im virtuellen Raum vorweg. Die Auslegung von Schrauben, die Betriebsfestigkeit, die Belastungen auf Komponenten sowie Grenzlasten werden mit Hilfe von Software an virtuellen Prototypen simuliert und optimiert.

Simulation spart zwei Entwicklungsstufen ein

Die Simulationen liefern dabei wertvolle Ergebnisse: Sehr anschaulich erkennt man bereits frühzeitig Verformungen, Belastungen und Systemverhalten, kann Varianten vergleichen und Optimierungen durchführen. Das erhöht die Entwicklungssicherheit und erleichtert die Beurteilung der Konstruktion. Vor allem aber spart die virtuelle Produktentwicklung Zeit und Kosten, weil entscheidende Schwachstellen bereits erkannt und korrigiert werden, noch bevor der erste Prototyp gebaut wird. Im Fall des Kiwi-Ablagesystems lässt sich dieser Vorteil ganz konkret fassen: Dank der Simulation konnten zwei Entwicklungsstufen mit noch nicht voll ausgereiften Prototypen komplett eingespart werden.

Schunk Engineering ist ein internes Expertennetzwerk, in dem computergestützte Entwicklungstechnologien (CAE) projektübergreifend koordiniert, effektive Rechenwege genutzt, Erkenntnisse aufbereitet und anschließend wiederverwendbar gemacht werden. So lassen sich beispielsweise Standardberechnungen für die Linear- und Portaltechnik durchführen. Aus dem umfassenden Programm von Linearachsen wird auf diesem Weg die für die Anwendung optimale Achs-Kombination ermittelt.

Mit Hilfe der Simulation ist es möglich, hinreichend steife und haltbare Systeme zu konfigurieren sowie etwaige Schwachstellen zu erkennen und zu vermeiden. So können bereits vor dem Bau der ersten realen Prototypen mit minimalem Aufwand unterschiedliche Varianten geprüft und optimiert werden. Dabei arbeitet Schunk Engineering mit bis zu drei Simulationsstufen:

-Modalanalyse, das heißt Simulation der Schwingungsformen und Eigenfrequenzen zur ersten Beurteilung der Steifigkeit,

-statische oder quasistatische Analyse, das heißt Simulation der Auswirkungen von Lasten, Gewichtskraft oder Beschleunigungen zur Bemessung und Überprüfung der Komponenten,

-transiente Analyse, das heißt Simulation kompletter Zyklen und Abläufe zur genauen Ermittlung der dynamischen Lasten und zur Beurteilung der Lebensdauer.

Steife und schwingungsarme Achskombination

Mit zunehmendem Projektfortschritt entstehen virtuelle Prototypen, deren Aussagen der Realität stets einen Schritt voraus sind. Für ein erstes Simulationsmodell genügt zunächst ein Entwurf der Achskombinationen, das heißt der Achstypen, Abmessungen und Massen. CAD-Daten der umgebenden Konstruktion sind hilfreich, jedoch nicht Bedingung. Im Rahmen einer Modalanalyse werden daraus Eigenfrequenzen und Eigenformen berechnet.

Innerhalb kürzester Zeit lässt sich so eine steife und schwingungsarme Achskombination ermitteln. Dies ermöglicht eine schnelle und sichere Beurteilung des Systems im Hinblick auf eine günstige Kombination von Steifigkeiten und Massen. Das Ergebnis ist ein Linearachsensystem mit minimierter Schwingungsanfälligkeit sowie Steifigkeitsempfehlungen für die umgebende Konstruktion.

In einer zweiten Stufe werden zusätzlich Lasten und kinematische Angaben wie Wege, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berücksichtigt. Die Simulation zeigt dann Verformungen und Belastungen unter Betriebsbedingungen. Zudem ist es möglich, die Grenzlasten und die Lebensdauer abzuschätzen. Mit Hilfe dieser Ergebnisse lässt sich effizient ein verformungs- und verschleißarmes System konstruieren.

In der dritten Stufe schließlich werden Abläufe als Abfolge kleiner Zeitschritte simuliert. So lassen sich Bewegungen und Verformungen im Betrieb beurteilen. Ermittelt werden dabei die zu erwartenden dynamischen Lastanteile sowie die zyklusspezifischen Belastungshöhen, -orte und -zeitpunkte. Anhand dieser Angaben ergeben sich Aussagen zu Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Systems, so dass die gesamten Abläufe weiter optimiert werden können.

Tandemprinzip verhindert Unterbrechung des Produktionsprozesses

Innerhalb kurzer Zeit entstand auf diese Weise ein Ablagesystem nach dem Baukastenkonzept, das sich schnell an die Anforderungen in unterschiedlichen Branchen anpassen lässt. Die ungerichteten Teile werden von dem System über eine Pufferachse in Reihe gestapelt, die der Übergabelage der zu beladenden Behältnisse entspricht. Anschließend übernimmt ein am Raumportalsystem angebautes Greifersystem die Bauteile von der Pufferachse und legt diese in die vorgegebenen Behältnisse ab.

Alle gängigen Behälter, die sich auf das Maß einer Europalette zurückführen lassen, wie Gitterboxen, Blisterverpackungen und Kleinladungsträger, können von dem Ablagesystem verarbeitet werden. Ein Tandemprinzip ermöglicht den Wechsel der vollen Behälter, ohne den Produktionsprozess zu unterbrechen.

Simulation vermeidet überdimensionierte Systeme

Abhängig von den jeweiligen Anforderungen, vom Bauteil und den zu beladenden Behältnissen werden das Greifersystem und die Pufferzone ausgelegt. Das universell einsetzbare Ablagesystem lässt sich in Aufbau und Funktion sehr einfach an spezifische Anforderungen anpassen und ist zudem jederzeit erweiterbar.

In der Grundausführung AGA 2400-2 verfügt das System über einen Verfahrweg in der X-Achse von 2400 mm, in der Y-Achse von 1220 mm und in der Z-Achse von 900 mm. Die Abmessungen betragen (L × B × H) 4000 mm × 2100 mm × 3500 mm. Das Maximalgewicht der Z-Achsanbindung liegt bei 15 kg. Als Linearachsen kommen hochbelastbare, langlebige und genaue Linearmodule mit Zahnriemenantrieb und Profilschienenführung aus dem System HSB von Schunk zum Einsatz.

Mit Simulation konkrete Konstruktionsvorgaben und -richtlinien erstellen

Die Engineering-Leistungen kommen allen Beteiligten zugute, denn neben den unmittelbaren Vorteilen in der Entwicklungsphase generiert die Simulation weitere Zusatzeffekte: Anwender profitieren von einer langen Lebensdauer und einer dauerhaft hohen Präzision des Systems, weil das Schwingungsverhalten, die Eigenfrequenz und die Stabilität optimiert sind. Mögliche Schwachstellen werden bereits im Vorfeld identifiziert und ausgeschlossen.

Zudem können auf Basis der Simulation konkrete Konstruktionsvorgaben und -richtlinien erstellt werden. Dank der bedarfsorientierten Auslegung gehören aus übertriebenem Sicherheitsdenken überdimensionierte Systeme der Vergangenheit an. Das senkt die Kosten der Module, reduziert das Gewicht der Anlage und den Energiebedarf im laufenden Betrieb. Die virtuelle Produktentwicklung leistet damit zusätzlich einen wichtigen Beitrag zur Kosteneinsparung und zum Schutz der Umwelt.

Jürgen Kolbus ist Branchenspezialist Systemlösungen Automation bei der Schunk GmbH & Co. KG in 74348 Lauffen/Neckar. Dipl.-Ing. (FH) Stefan Kerpe leitet Schunk Engineering.

Jürgen Kolbus und Stefan Kerpe | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/automatisierung/montageundhandhabungstechnik/articles/235733/

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