Produktionsautomatisierung Innovative Methoden für Montage mechatronischer Baugruppen

Autor / Redakteur: Tobias Schmuck* / Reinhard Kluger

Die Mechatronik erfordert ein Umdenken in der Produktion. Toleranzen und Stoffeigenschaften müssen ausgeklügelt aufeinander abgestimmt sein. Ohne Simulation geht da nicht viel. Die zunehmende Verknüpfung von Mechanik, Elektronik und Software in nahezu allen Produktfeldern führt zu neuen Herausforderungen und Möglichkeiten bei der Gestaltung automatisierter Produktionsanlagen. In diesem Umfeld gilt es, zukunftsorientierte Produktionssysteme für makro- und mikromechatronische Anwendungen zu entwickeln. Zusätzlich ist für solch immer komplexer werdende Anlagen mit hoher Flexibilität ein begleitender Einsatz der Simulation unabdingbar. In Erlangen entwickeln Forscher Lösungen für die automatisierte Fertigung von heute und morgen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Fertigung und Montage zu rationalisieren, bleibt eine ganz besondere Herausforderung in der Produktionstechnik. Die technischen Schwierigkeiten, speziell beim Zusammenbau mechatronischer Baugruppen, liegen in der Handhabung und den jeweils spezifischen Problemen bei Toleranzen, Stoffeigenschaften und Ordnungskriterien. In diesem Spannungsfeld ist der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) mit alternativen Systemlösungen und Entwicklungsarbeiten engagiert, um verschiedene Fügeprozesse und periphere Geräte zum Handhaben zu optimieren.

Die beiden Laborbereiche in Erlangen und Nürnberg bieten hierfür hervorragende Möglichkeiten zu anspruchsvoller Forschung und Entwicklung. Fachlich gliedern sich die Forschungsarbeiten am Lehrstuhl in die Bereiche Makro- und Mikromechatronik sowie Planung und Simulation.

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Ein aktueller Forschungsschwerpunkt im Themenfeld Makromechatronik ist die Lösung flexibler Montageautomatisierung mittels kooperierender Industrieroboter. Für die Industrie werden damit neue Möglichkeiten für Montageoperationen eröffnet, die zu einer Kosten- sowie Zeitreduzierung bei gleichzeitiger Flexibilitätserhöhung führen. Ziel ist, ein herstellerunabhängiges kooperierendes Robotersystem bereitzustellen, bei dem der Anwender keine weiteren Eingriffe an der Robotersteuerung vornehmen muss. Dabei sollte die Steuerung das Gesamtsystem, das aus mindestens zwei Robotern besteht, derartig überwachen, dass es beim Erfüllen der gestellten Montageaufgabe einerseits zu keinen Kollisionen zwischen den Robotern kommt und andererseits zu keiner Kollision mit der Zellenperipherie.

Problemlösung erfolgt auf der Ebene der Bahn- und Bewegungsplanung der Handhabungsgeräte

Um noch mehr Fehler ausschalten zu können, ist darüber hinaus der Anwender weitgehend bei der Programmierung zu entlasten. Aus diesem Grund erfolgt die Problemlösung auf der Ebene der Bahn- und Bewegungsplanung der Handhabungsgeräte. Die Umsetzung entspricht der Potenzialfeldmethode, bei der ein Roboter vom Zielpunkt angezogen und von einem Hindernis abgestoßen wird.

Somit lässt sich sicherstellen, dass es zu keinerlei Kollisionen kommt und andererseits auf Grund der Berechnung unter Berücksichtigung der Istposition sowie aller Hindernisse automatisch eine optimale Richtung bezüglich des Zielpunktes angegeben wird. Unter Zuhilfenahme der Kinematiksimulation ließen sich dabei verschiedene Roboterkinematiken und deren räumliche Anordnung näher untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass für die gestellte Aufgabe sogenannte Knickarmroboter mit mindestens sechs Freiheitsgraden am besten geeignet sind.

Ein weiteres aktuelles Forschungsthema hinsichtlich makromechatronischer Anwendungen beschäftigt sich mit der Rationalisierung beim Verlegen elektrischer Verkabelungen im Pkw. Der Lehrstuhl FAPS arbeitet zusammen mit Industriepartnern an Lösungen zur automatisierten Montage innovativer Flachleiter mit Hilfe von Industrierobotern. Zum Verlegen der Flachleiter hat man zwei robotergeführte Werkzeuge entwickelt und prototypisch umgesetzt.

Zum Fixieren der Flachleiter auf der Oberfläche des Pkw-Türmoduls ist ein Heißklebesystem in die Verlegeeinheit integriert, das ein Klebstoffdepot in Raupenform in den Verlegeweg einbringt. Das entwickelte Montagesystem ermöglicht somit das vollautomatisierte Verlegen von Flachleiter-Meterware auf Pkw-Türmodulen. Bei der Prozessplanung wurden dabei alternative Konzepte mit Hilfe der Simulation verglichen und bewertet, somit ließ sich ein neuer Montageprozess zum automatisierten Verlegen von Flachleiter-Meterware auf Pkw-Türmodulen entwickeln. Das dabei ausgearbeitete Konzept leistet einen Beitrag zur Reduzierung der Materialkosten und Verkürzung der Prozessketten. Es trägt damit zur Erhöhung der Produktivität im Automobilbau bei.

Forschung behandelt die Problemfelder bei der Montage elektrotechnischer Geräte

Weitere Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl FAPS im Bereich der Makromechatronik behandeln die Problemfelder bei der Montage elektrotechnischer Geräte. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auf dem Wickeln von Feinstdrahtspulen. Besondere Herausforderungen sind hier eine gesicherte Drahtführung und eine bessere Maschinennutzung durch rechnergestützte Programmierung und Prozessführung. Dazu konnten neue Lösungen entwickelt und bei industriellen Anwendungen erprobt werden.

Ganz andere Aufgaben stellen sich bei der Läufermontage größerer Elektromotoren, für die neue Montagekonzepte erprobt werden. Hier bietet sich ebenfalls der Einsatz der Kinematiksimulation bei der Planung und Überprüfung alternativer Montagelösungen für die Magnetbestückung an. Ziel ist es, eine simulationsgestützte Untersuchung unterschiedlicher Robotersysteme und Greifstrategien, die zum Bestücken von Motorläufern mit Permanentmagneten in Frage kommen, durchzuführen.

Zusätzlich zur Kinematiksimulation kann mit Hilfe der am FAPS eingesetzten Methode der Ablaufsimulation das Verhalten kompletter Produktionsanlagen in frühen Planungsstadien analysiert werden. Aus den Ergebnissen können dann Ansätze zum Optimieren von Layout, Materialfluss und Auftragssteuerung abgeleitet werden. An zahlreichen Industriebeispielen ließ sich die Wirksamkeit dieser Simulationsmethode nachweisen.

Die Simulation lässt sich aber auch beim späteren Betrieb des Produktionssystems zum Regeln der Fertigung, zum Planen des Personaleinsatzes und für Störfallstrategien einsetzen. Zur Erweiterung dieser Möglichkeiten werden entsprechende Konzepte entwickelt. Mit einer Datenkopplung von realer Anlage und dem Simulationsmodell wird gleichermaßen die Datenakquisition minimiert und die Genauigkeit der Simulationsergebnisse gesteigert. Zur vereinfachten rechnerinternen Darstellung alternativer Anlagen werden beispielhafte Strukturen auf der Basis von Referenzmodellen entwickelt.

Alternativen zur Verbindungstechnik für elektronische und mikromechatronische Strukturen

Ergänzende Forschungsarbeiten gelten neuen Alternativen zur Verbindungstechnik für elektronische und mikromechatronische Produktstrukturen, weil sich die Produktion derartiger Baugruppen und Systeme zu einer Schlüsselkompetenz mit Ausstrahlung auf alle wichtigen Branchen entwickelt hat. Die besondere Herausforderung ergibt sich technisch durch die hohen Innovationsraten, die in immer kürzeren Abständen zu weiterer Miniaturisierung mit feineren Verbindungsstrukturen, neuen Packungsformen und Trägermaterialien führen.

Für diese Aufgaben stehen im neuen Labor in der Forschungsfabrik Nürnberg verschiedene Geräte für die gesamte Prozesskette der Elektronikproduktion und zur Qualitätssicherung zur Verfügung. Zum Lotpastenauftrag kann alternativ der Präzisionsschablonendruck oder das flexible Dispensen erprobt werden. Zum Bestücken sind mehrere Maschinen verfügbar, die sich hinsichtlich Flexibilität, Mengenleistung und Präzision unterscheiden. Für die Untersuchung der unterschiedlichen Verbindungstechnologien werden Anlagen zum Konvektions-, Dampfphasen- und Einzelpunktlöten eingesetzt. Ergänzend werden spezifische Systemlösungen für neue Bauelementeformen und die Mikroverbindungstechnik analysiert. Dies betrifft auch die spezifischen Anforderungen beim Bestücken von optischen Komponenten.

Direkte Kombination von mechanischen Komponenten und elektronischen Strukturen

Ein übergreifendes Ziel der Entwicklungsarbeiten im Bereich der Mikromechatronik gilt dem Einsatz neuer Methoden und Systemlösungen zur ganzheitlichen Qualitätssicherung bei minimierten Gesamtkosten. Dies schließt sowohl die Erprobung innovativer Sensorik zur Fehlervermeidung als auch das Entwickeln leistungsfähiger Nacharbeitsplätze ein. Für ergänzende Zuverlässigkeitsuntersuchungen stehen spezielle Prüfeinrichtungen zur Verfügung.

Mit der direkten Kombination von mechanischen Komponenten und elektronischen Strukturen ist zudem ein besonderer Entwicklungsschwerpunkt entstanden. Die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen auf räumlichen Schaltungsträgern (MID) oder Folienmaterialien führt zu ganz neuen Entwicklungspotentialen, erfordert aber auch innovative Ansätze für die benötigten Fertigungsgeräte. Dazu entstehen spezifische Systemlösungen. So wird für die Folienschaltungen das hochproduktive Konzept einer Reel-to-reel- Anlage erprobt, für die MID-Lösungen wurden alternative Lösungen für die Schritte Bedrucken, Bestücken, Löten entwickelt. Ergänzende Forschungsarbeiten gelten neuen Alternativen zur Verbindungstechnik für mikromechatronische Produktstrukturen.

*Tobias Schmuck, Oberingenieur im Bereich Planung und Simulation am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Universität Erlangen-Nürnberg

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