Servopress 101:Ein grundlegender Leitfaden

Industrielle Automatisierung kann magisch erscheinen, besonders wenn sie in Montagebetrieben eingesetzt wird. Erfahren Sie, was Sie über die Grundlagen wissen müssen, um Ihr nächstes Automatisierungsprojekt zu unterstützen.

Servomechanismen sind das Herzstück der Automatisierung des 21. Jahrhunderts. Die Grundelemente sind ein Servomotor; eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung; eine Reihe von Sensoren, um das erforderliche Feedback zu liefern; eine Steuerung zum Umwandeln von Rückkopplungsdaten in Befehlssignale; und Aktivierungssoftware. Das ist die „Magie“ von Hochgeschwindigkeits-Präzisionsmontagevorgängen. Mit den Fortschritten des 21. Jahrhunderts bei ihren Basiskomponenten sind Servopressen eine bahnbrechende Technologie.

Sie sind nicht nur schnell und präzise – sie sind auch groß rausgekommen. In der Metallumform- und Stanzindustrie sind Servopressen mit Kapazitäten von bis zu 5.000 Tonnen (4.536 Tonnen) erhältlich, und größere Einheiten sind in der Entwicklung. Diese Pressen verändern die Herangehensweise der Benutzer an das Prozessdesign, indem sie den Ingenieuren während eines gesamten Prozesshubs eine präzise Kontrolle von Kraft, Geschwindigkeit und Position in Echtzeit ermöglichen.

Vor 30 Jahren kombinierten Branchenpioniere eine Präzisionskugelumlaufspindel mit einem Servomotor, einem Drehgeber und einer Kraftmessdose, um die erste elektromechanische Montagepresse (EMAP) herzustellen, die speziell für Montagevorgänge entwickelt wurde.

Erfolgreiche Early Adopters

Frühe Anwender stellten fest, dass die Möglichkeit, Prozessparameter während der Montage zu messen, es ihnen ermöglichte, Produkte buchstäblich zu „klonen“, indem sie die Kraft-/Positions-„Signatur“ jedes Vorgangs mit der eines bekannten guten Zyklus vergleicht und die Pressenparameter in Echtzeit anpasst, um sie zu duplizieren. Dieses Grundkonzept wurde in Hunderten von verschiedenen Montageanwendungen eingesetzt, vom einfachen Nieten bis zur Installation hochwertiger Elektronik. Hier sind einige Beispiele.
Universalgelenkanordnung:Ein kardanisches Universalgelenk hat ein Mittelkreuz oder eine „Spinne“, die an einem Paar U-förmiger Arme befestigt wird, indem eine Lagerschale durch ein Loch im Arm gedrückt wird um ein bearbeitetes Tagebuch auf der „Spinne“ zu erbeuten. Nach dem Zusammenbau werden die Lagerschalen mit dem Arm verstemmt, um sie an Ort und Stelle zu halten.

Die Herausforderung besteht darin, die Spinne im Arm zentriert zu halten, während die Lagerschalen eingepresst und verstemmt werden. Dies wird mit einem Paar EMAPs erreicht, die synchronisiert sind, um die gleiche Kraft auf jede Lagerschale auszuüben, während sie eingesetzt wird. Sobald die Becher an Ort und Stelle sind, wird die Spinne genau zentriert und die EMAPs führen gleichzeitig den Absteckvorgang durch. Da auf die gegenüberliegenden Beine der Spinne die gleiche Kraft ausgeübt wird, bleibt sie zentriert und das Ergebnis ist jedes Mal eine gute Montage.

Diese Anwendung funktioniert, weil die EMAPs während des Betriebs überwacht und von der Steuerung in Echtzeit auf Kraft und Position angepasst werden. Daten aus dem gesamten Prozess können zur Qualitätssicherung erfasst und gespeichert werden, was eine 100-prozentige Rückverfolgbarkeit für jede Baugruppe ermöglicht. Diese Daten sind auch nützlich, um Anomalien in den zu montierenden Teilen zu identifizieren und zu korrigieren, was die Qualität der gesamten Lieferkette sowie des Montageprozesses verbessert.

Medizinische Kathetermontage:Der kritische Vorgang ist ein Crimpprozess, bei dem ein Metallrohr mit kleinem Durchmesser an einem größeren Rohr befestigt wird, das am flexiblen Teil des Katheters befestigt ist. Wenn der Crimp nicht perfekt ist, löst er sich entweder beim Anziehen oder verschließt den Schlauch vollständig, wodurch der Katheter unbrauchbar wird. Ein winziges Metallröhrchen auf ein nur geringfügig größeres zu pressen, erwies sich als gewaltige Herausforderung.

Der Schlüssel zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Qualität beim Crimpvorgang des Katheters war die gleichzeitige Überwachung sowohl der aufgebrachten Kraft als auch der exakten Position des Crimpwerkzeugs. Sobald beide Parameter eines bekanntermaßen guten Vorgangs erfasst wurden, wurde die Kraft-/Positions-„Signatur“ als Benchmark verwendet, um nachfolgende Vorgänge zu messen.

Eine Crimpstation auf EMAP-Basis, komplett mit externen Positionswandlern, wird verwendet, um den Crimpvorgang an den Kathetern durchzuführen. Das EMAP liefert eine wiederholbare Crimpkraft und die Wandler überwachen das Werkzeug, um sicherzustellen, dass die Crimpung weder zu flach noch zu tief ist. Das Ergebnis ist eine 100-prozentige Prüfzertifizierung für jeden hergestellten Katheter und die virtuelle Eliminierung von Crimpfehlern im Feld.

Genietete Kugelgelenkbaugruppe:Kugelgelenkbaugruppen für Kraftfahrzeuge sind sicherheitskritische Komponenten, die typischerweise mit Nieten an den oberen und unteren Querlenkern befestigt werden. Es gibt drei mögliche Fehlermodi:1) ein Niet kann zu lang oder zu kurz sein, 2) ein Niet kann zu hart oder zu weich sein und 3) ein Niet kann vollständig fehlen. Da die Montage sicherheitskritisch ist, wurde traditionell eine 100-Prozent-Kontrolle nach dem Nieten durchgeführt.

Durch die Verwendung eines EMAP-basierten Systems anstelle einer herkömmlichen hydraulischen Presse entfällt die 100-prozentige Inspektionsanforderung, indem der Prozess während seiner Durchführung überwacht und die „Signatur“ mit einem bekanntermaßen guten Vorgang verglichen wird. Drei einzelne Wägezellen sind in das Werkzeug eingebaut, um unabhängig voneinander die auf jeden Niet ausgeübte Kraft zu messen, während ein Ein-Positions-Messumformer die Wegstrecke des Stößels misst. Nieten, die zu hart oder zu weich, zu kurz oder zu lang sind, führen zu einer deutlichen Veränderung der Signatur, ebenso wie Details außerhalb der Toleranz, wie z. B. Lochdurchmesser.

Das System bietet:Erkennung langer, kurzer, harter, weicher und/oder fehlender Nieten; 100-Prozent-Zertifizierung jeder Baugruppe; integrierte Datenerfassung; und eine Aufzeichnung von Kraft- und Positionsdaten für jedes produzierte Teil – alles in Echtzeit während des Prozesszyklus. Die Ergebnisse sind konsistent, genau und rückverfolgbar, was bedeutet, dass Nachbearbeitungsinspektionen an jedem Teil nicht mehr erforderlich sind, um die Qualität zu gewährleisten.

Über die Grundlagen hinausgehen

Es dauerte nicht lange, bis die Early Adopters erkannten, dass die detaillierten Prozessdaten, die von einem EMAP-basierten System generiert wurden, weit über den einfachen Vergleich von „Signaturen“ und „Klonen“ von Baugruppen hinausgingen. EMAP-Lieferanten waren auch damit beschäftigt, sowohl die Hardware- als auch die Softwarefähigkeiten zu verbessern, um fortschrittlichere Anwendungen zu unterstützen.

Eine der ersten Anwendungen, die diese Fortschritte nutzte, war die Montage von Querlenkern für Kraftfahrzeuge, einem Produkt, das geometrische Präzision erfordert, um eine ordnungsgemäße Funktion zu erreichen, das jedoch aus Komponenten besteht, die mit sehr engen Toleranzen nicht wirtschaftlich hergestellt werden können. Der Querlenker besteht aus hochbelastbarem Stanz- oder Gussteil mit eingepressten gummiummantelten Buchsen – eindeutig kein Kandidat für extreme Maßgenauigkeit.

Was Automobilingenieure normalerweise tun, ist die für die Baugruppe erforderliche Geometrie zu definieren und den Teil „wie man es erreicht“ dem Zulieferer zu überlassen. Lieferanten nennen dies eine „Phantom“-Dimension und sie ist in einer Vielzahl von Branchen weit verbreitet.

Der herkömmliche Ansatz, um die Spezifikation für eine „Phantom“-Abmessung zu erfüllen, besteht darin, präzise Werkzeuge und Vorrichtungen zu bauen und sie dann kontinuierlich anzupassen, um mit konstanten, unvorhersehbaren Abweichungen in den Teilen fertig zu werden. Andere Anbieter entscheiden sich für „pressen und hoffen“, dann „messen und sortieren“ und akzeptieren Ausschuss- und Nacharbeitskosten. Um diese Herausforderung stattdessen mit einem EMAP-basierten System zu meistern, ist eine fortschrittliche Software erforderlich, um zusätzliche Sensoren außerhalb der in der Presse integrierten Wägezellen zu handhaben. Die Montage erfolgt mit zwei EMAPs und zwei digitalen Sonden. Diese Sonden werden benötigt, da sich die elastischen Buchsen während der Installation biegen, was es schwierig macht, ihre genaue Position zu kennen. Die Sonden kompensieren auch die Durchbiegung von Maschine und Wägezelle.

Um den Querlenker zusammenzubauen, werden die Buchsen in eine Ausgangsposition gedrückt, die Kraft wird entfernt und die Position wird durch die digitalen Sonden gemessen. Eine Buchse wird auf ein Maß gepresst, das relativ zum Kugelgelenk ist. Die Sonde misst die Position und leitet die Informationen an die Steuerung zurück, die der Presse mitteilt, wie weit sie weiter drücken muss. Diese Sequenz wiederholt sich, bis die Buchse an Ort und Stelle ist. Die andere Buchse verwendet die gleiche Installationsreihenfolge, wird jedoch relativ zur ersten Buchse auf ein Maß gepresst. Dies ist das „Phantom“-Maß und das System kann es effizient und wiederholbar erreichen, unabhängig von Abweichungen im Querlenker und/oder den Buchsen.

Das gerade beschriebene System verbessert die Funktionsqualität des Querlenkers, den es zusammenbaut, erheblich, ohne dass sich die Abmessungsspezifikationen der Komponententeile ändern. Tatsächlich ist es durchaus möglich, dass die Toleranzen dieser Komponenten gelockert werden, um die Herstellungskosten zu senken, ohne die funktionale Qualität des Endprodukts zu beeinträchtigen. Funktion ist der Qualitätsmaßstab des Verbrauchers, und mit der Art intelligenter Montage, die das Querlenkersystem entwickelt hat, kann sie auch die des Herstellers sein.

Eine ausgereifte Technologie

Mit der Verbreitung intelligenter Montageanwendungen haben sich auch die Hardware- und Softwaresysteme entwickelt, die zu ihrer Aktivierung erforderlich sind. Heute sind EMAPs mit Kraftleistungen von 0,2 kN bis 500 kN erhältlich und können mit einer breiten Palette an integrierten und externen Sensoren ausgestattet werden. Sie sind als Einzelkomponenten für Systemhersteller, H-Rahmen-Pressen und flexible Einzelarbeitsplätze für Endbenutzer erhältlich.

Innovative Ingenieure haben EMAPs leicht genug gemacht, um als Roboter-Endeffektoren verwendet zu werden, und es sind sogar menschliche Handmodelle erhältlich. Beide Produkte sind für Anwendungen gedacht, bei denen die Presse zum Teil gebracht wird, was bedeutet, dass die Reaktionskraft des Pressvorgangs nicht auf den Roboter oder menschlichen Bediener übertragen werden kann.

Eine von Promess für Roboteranwendungen entwickelte Lösung ist die Roboterpresse, die einen integrierten Gegenanschlag enthält. Während des Betriebs wird die Presse vom Roboter auf dem Teil positioniert und das Werkzeug eingesetzt. Der Roboter geht dann auf zwei Achsen in den freien Schwebezustand, um die Position zu halten, während er sich in der dritten Achse bewegt, um die Bewegung der Presse aufzunehmen, bis die Presse den integrierten hinteren Anschlag erreicht. Die Pressbewegungen sind vollständig programmierbar und die Pressen können mit Kraft- und Positionssensoren ausgestattet werden, um intelligente Montagevorgänge zu unterstützen.

Kombination aus linearem EMAP und Drehantrieb

Ein weiterer Trend ist die Kombination eines linearen EMAP mit einem Drehantrieb, um die Funktionsprüfung während der Montage zu erleichtern. Beispielsweise wird eine Motorhaubenverriegelung mit einem Niet unter Verwendung eines EMAP zusammengebaut. Während der Niet gestrahlt wird, wird die Verriegelung betätigt und die erforderliche Kraft kontinuierlich gemessen, bis sie ein bestimmtes Niveau erreicht, an welchem ​​Punkt der Prozess gestoppt wird. Das Verfahren erzeugt Verschlüsse mit gleichmäßiger Betätigungskraft, unabhängig von Variationen in Nieten oder Stanzungen. Ähnliche Systeme werden zur Montage von Autositzverriegelungen, Zangen und sogar zur Prüfung des Getriebespiels unter Last in Autodifferentialen verwendet.

Alle diese Anwendungen sind auf ausgeklügelte Steuerungen und Software angewiesen, um mehrere Dateneingänge in Echtzeit zu verarbeiten und zu integrieren und die erforderlichen Servobefehle zu generieren. Es sind jetzt Steuerungen mit der Fähigkeit verfügbar, mehrere EMAPs zu synchronisieren, die die Ecken einer Plattenpresse antreiben, sodass jeder die Kraft erzeugt, die erforderlich ist, um die Platten parallel zu halten, selbst wenn die Last nicht gleichmäßig ist.

Die Steuerungssoftware hat sich zusammen mit der Hardware weiterentwickelt, und die heutigen Systeme sind viel einfacher zu programmieren als ihre Vorgänger noch vor ein paar Jahren. Lieferanten haben viel Zeit und Talent in Systeme investiert, die den Prozess so weit vereinfachen, dass professionelle Steuerungsingenieure oft nicht mehr erforderlich sind.

Mit zunehmender Reife der EMAP-Technologie wurden die Konzepte der intelligenten Montage und der Montage nach einer funktionalen Spezifikation statt einer dimensionalen Spezifikation in einem breiten Spektrum von Branchen immer praktischer. Reife bedeutet jedoch nicht Stillstand. Die Technologie wächst weiter, indem sie wirklich innovative Lösungen für Herausforderungen ermöglicht, die Hersteller seit Jahrzehnten und in einigen Fällen Jahrhunderten geplagt haben.