Die Modell- und Variantenvielfalt bei PKW nimmt immer weiter zu und der Trend zur Elektromobilität wird diese Entwicklung nach Meinung von Experten noch beschleunigen. Für die Autoindustrie bringt die Fertigung solch unterschiedlicher Fahrzeugmodelle große Herausforderungen mit sich: Sie muss einerseits den Kundenwünschen nach mehr Individualisierung entsprechen und andererseits eine wirtschaftliche Fertigung sicherstellen.
Ein PKW-Hersteller kontaktierte auf der Suche nach einer möglichst flexiblen Lösung die Firma Leantechnik, die sich auf die Produktion sehr genauer Zahnstangengetriebe und Positioniersysteme spezialisiert hat. Der PKW-Hersteller wünschte sich eine Anlage, die verschiedene Karosserie-Varianten aufnimmt und von der Fördertechnik aushebt. Bisher hatte das Unternehmen jedes Fahrzeugmodell auf einer eigenen Linie gefertigt. Um die Kosten zu reduzieren, sollte die neue Positionierlösung die Produktion einer Vielzahl von Karosserietypen auf einer Fertigungsstraße ermöglichen. Durch viel Erfahrung aus Projekten in der Automobilindustrie, kannte Leantechnik die Anforderungen ebenso wie die Produktionsbedingungen: Es war klar, dass ein Positioniersystem für die PKW-Fertigung nicht nur extrem flexibel, sondern auch sehr kompakt sein muss.
Neues Positioniersystem
Am Ende des Entwicklungsprozesses hatte Leantechnik das neuartige dreiachsige Positioniersystem DAP konstruiert, das die Vorgaben des Kunden exakt erfüllte. Jeweils vier bis sechs DAPs heben, führen und positionieren eine Karosserie während des gesamten Fertigungsprozesses. Dabei spielt die Form oder Größe der Karosse keine Rolle. Die erste Generation des DAP kam viele Jahre lang erfolgreich in der Automobilindustrie zum Einsatz. Da der Antrieb mit einem Standardservomotor erfolgte, musste allerdings jede Fertigungslinie mit einem großen Schaltschrank für Steuerungstechnik und Umrichter ausgestattet werden – das kostete Platz. Auf Anregung des Autobauers entschloss sich Leantechnik deshalb, sein Positioniersystem zu verbessern. Im Blickpunkt standen dabei besonders die Motoren, mit denen die drei Achsen des DAP angetrieben werden.
Durch die Vermittlung des PKW-Herstellers kam der Kontakt zur Firma AMKmotion zustande, die unter anderem dezentrale Servoantriebe wie das Modell iDT 5 fertigt. Antrieb und Wechselrichter bilden hier eine mechatronische Funktionseinheit, sodass der Platzbedarf für Schaltschränke und Verkabelung bis zu 70 Prozent reduziert werden kann. Die Leantechnik-Konstrukteure ersetzten den bisherigen Standard-Servomotor des DAP deshalb durch den dezentralen iDT5-Servoantrieb von AMKmotion, der in drei Baugrößen mit Maximal-Drehmomenten zwischen 5,8 und 9,5Nm gefertigt wird. Der Antrieb ist mit einem Absolut-Encoder und einer Haltebremse ausgestattet und treibt über eine drehsteife Kupplung die Lifgo-Zahnstangengetriebe von Leantechnik an. An jeder der drei Achsen des DAP ist jeweils ein iDT5-Motor und ein Lifgo-Getriebe montiert.
Die Getriebe verfügen über eine Vierfach-Rollenführung und können deshalb besonders genaue Hub- und Schubbewegungen ausführen. Leantechnik fertigt die Zahnstangengetriebe in verschiedenen Baugrößen und Ausführungen: Sie üben Hubkräfte von 2.000 bis 25.000N aus und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. An den horizontalen Fahrachsen des DAP ist jeweils ein Zahnstangengetriebe vom Typ Lifgo 5.0 Excenter mit vier Führungswagen installiert, an der Vertikalachse (Z-Achse) befindet sich ein Getriebe vom Typ Lifgo 5.3 linear mit einer maximalen Hubkraft von 15.900N. Das Besondere an den Excenter-Getrieben ist das frei einstellbare Zahnflanken-Spiel.
Am oberen Ende der Z-Achse jedes DAPs befindet sich eine Spanneinheit, die die Karosserie aufnimmt. Wird eine Karosserievariante in die Station gefördert, verstellen sich die X- und die Y-Achse auf die benötigte Variante und die Z-Achse von vier bis sechs DAPs hebt die Karosserie von der Fördertechnik aus in die Bearbeitungsposition. Ist der Bearbeitungsvorgang in der Station der Fertigungslinie abgeschlossen, setzten die DAPs die Karosserie ab, damit diese zur nächsten Station befördert werden kann. Dort wird sie dann zur weiteren Bearbeitung erneut ausgehoben.
Verkabelung mit Daisy Chain
Die Hublänge jeder der drei Achsen ist völlig flexibel und wird von Leantechnik gemeinsam mit dem Kunden anwendungsspezifisch definiert. Da sich die Karosserien unterschiedlicher Fahrzeugmodelle zum Teil stark voneinander unterscheiden, lässt sich zudem der Pin der Z-Achse in X- und Y-Richtung verstellen. Dieses sogenannte Shimen funktioniert elektrisch, sodass die Produktion dafür nicht unterbrochen werden muss. Die je nach Karosserietyp variierenden Abstände zwischen den Aufnahmepunkten des DAP sowie den Hub der Achsen regelt der dezentrale Motion Controller iSA von AMKmotion: Er kann bis zu vier Z-Achsen im Master-Slave-Betrieb gleichzeitig ausheben. Da alle dezentralen iDT5-Servomotoren zudem per Daisy-Chain-Verfahren miteinander verbunden sind, verringert sich der Verkabelungsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben deutlich.
Jedes DAP kann Durchbiegebewegungen durch die maximale Hubkraft von 15.900N mühelos kompensieren. Die Positioniergenauigkeit des DAP beträgt ±0,05mm und übertrifft damit die in der PKW-Fertigung erforderliche Präzision im Zehntelmillimeter-Bereich bei weitem. Auch die Wiederholgenauigkeit ist bemerkenswert: Sie liegt zwischen ±0,02 und ±0,01mm. Die einzelnen Achsen des DAP können jederzeit gegen eine andere Achse mit anderen technischen Werten ausgetauscht werden. Dadurch hat der Anwender größtmögliche Flexibilität.
Ein System für viele Branchen
Durch den Einsatz des Dreiachs-Positioniersystems kann der PKW-Hersteller nicht nur kurze Taktzeiten realisieren – er spart auch die zeitaufwändige manuelle Anpassung der Fördertechnik und reduziert den Platzbedarf. Das Wichtigste ist aber die hohe Flexibilität und die damit verbundene hohe Effizienz: Diese Vorteile machen das DAP auch für andere Branchen attraktiv. Es eignet sich im Grunde für alle Unternehmen, die viele Produktvarianten wirtschaftlich produzieren wollen.