Automation Ein Teilezwischenspeicher bringt Fertigung und Montage in Einklang

Autor / Redakteur: Volker Simon / Dipl.-Betriebswirt (FH) Bernd Maienschein

Um das Teilehandling zu automatisieren und einen Puffer zwischen Fertigung und Vormontage zu schaffen, hat die Daimler AG im Werk Kassel ein so genanntes Entkopplungsmodul (EKM) mit 2800 Lagerplätzen und automatischer Teilezu- und -abführung installiert. Für die Anlagensicherheit sorgt das integrierte Sicherheitskonzept Safety Integrated von Siemens.

Firmen zum Thema

Regalbedienroboter mit Antriebskegelrad im Greifer: Jeder der beiden eingesetzten Roboter hat eine eigene Sinumerik-840D-Steuerung, die mitfährt und über eine Stromschiene mit elektrischer Leistung versorgt wird. Bild: Siemens A&D
Regalbedienroboter mit Antriebskegelrad im Greifer: Jeder der beiden eingesetzten Roboter hat eine eigene Sinumerik-840D-Steuerung, die mitfährt und über eine Stromschiene mit elektrischer Leistung versorgt wird. Bild: Siemens A&D
( Archiv: Vogel Business Media )

Mehr noch als bei Personenkraftwagen verlangen die Eigentümer von Lastkraftwagen, Bussen und Vans hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von ihren Fahrzeugen. Neben Motoren und Getrieben tragen die Achssysteme wesentlich dazu bei und müssen somit höchst sorgsam konstruiert, gefertigt und montiert werden.

In der Daimler AG ist das Werk Kassel einer der Hauptlieferanten von Achssystemen für die genannten Fahrzeuge. Mit rund 3000 Mitarbeitern werden angetriebene und nicht angetriebene Achsen hergestellt. Von der Rohmaterialherstellung bis zum Versand fertiger Achsen wird dort alles abgewickelt, was von den Fahrzeugwerken bestellt wird.

Bildergalerie

Ein Herzstück der Achssysteme sind wiederum die Radsätze, bestehend aus Kegelrad und Tellerrad. Beide Teile kommen in einer hohen Variantenvielfalt vor — rund 250 unterschiedliche Teile sind jeweils möglich.

Diese Teile müssen noch dazu in bis zu 350 Paarungen, just in time, passend zur jeweiligen Achse an die Vormontage geliefert werden. Dem gegenüber steht eine begrenzte Fertigungskapazität, die nicht alle Varianten sofort produzieren kann.

Intelligentes Entkopplungsmodul als Teilezwischenspeicher

Um beide Seiten — Fertigung und Montage — in Einklang zu bringen, bedarf es daher eines Teilezwischenspeichers. Bei Daimler in Kassel wollte man nun nicht irgendeinen Puffer, sondern ein intelligentes Entkopplungsmodul (EKM), das den Teiletransport automatisieren und alle Teile jederzeit sicher erreichbar machen sollte. Dabei mussten nicht weniger als 2800 Lagerplätze geschaffen werden — und das in einer vorhandenen Montagehalle. Um dieses Projekt umzusetzen, wurden mehrere Fachfirmen um die Abgabe ihrer Konzepte und Angebote gebeten.

Gewonnen hat den Auftrag am Ende die AuE Automations- und Einstelltechnik Kassel GmbH. Den Ausschlag für die Auftragsvergabe an AuE gab deren technisches Konzept: Ein filigranes Regalsystem in Stahlleichtbauweise, welches über der bisherigen Montagefläche angeordnet ist und nur sehr wenig Platz wegnimmt.

Jedes Einzelteil muss gegriffen und präzise platziert werden

Auf Grund der mindestens 2800 benötigten Lagerplätze ergibt sich eine Lagergröße von 75 m Länge und 3 m Höhe. Aus Platzgründen wurde das gesamte Lager sozusagen auf Stelzen gestellt, so dass praktisch eine zweite Ebene in der Halle entstand. Unter den „Regalen“ können sich Menschen und gegebenenfalls Hubfahrzeuge noch frei bewegen.

Das Lagersystem ist in eine linke und eine rechte Seite unterteilt. Dazwischen fahren zwei Regalbedienroboter, die jedes Teil einzeln zu seinem Lagerplatz bringen oder es von dort holen.

Die Einzelteillagerung ist nötig, weil eben für jede Achse individuelle Teile benötigt werden. Eine Bereitstellung auf Paletten hilft da nicht weiter. Die Einzelteillagerung hat gravierende Auswirkungen auf das Handling der Teile.

Regalbedienroboter über CNC gesteuert

Jedes einzelne Teil muss gegriffen und präzise platziert werden — fast wie eine Praline in der Pralinenschachtel. Auf Grund der engen Platzverhältnisse müssen dabei Bahnkurven gefahren werden, die eine Steuerung der Roboter über eine CNC-Steuerung erfordert.

Der Vortrieb der Regalbedienroboter in der 75-m-Längsachse wurde über eine Schiene und Reibräder realisiert. Um dennoch stets die genaue Position zu kennen, gibt es parallel zu der Schiene eine Kunststoffzahnstange (abgewinkelter Zahnriemen), die ein Positionsgeber abfährt. Die Positionsgenauigkeit des Gesamtsystems liegt unter 1 mm.

Die Einspeisung der Teile ins Entkopplungsmodul erfolgt über Eingabestationen. Dort werden die Teile über ein Bedienterminal von Siemens eingecheckt und ebenfalls über ein Handhabungssystem nach oben befördert, wo sie dann von den Regalbedienrobotern gegriffen werden können.

Die Ausgabe der Teile geschieht über Abgabestationen, wo die genannten 350 Paarungen abgefordert werden können. Hier gibt es auch einen Vorhaltepuffer für bis zu 20 Teile.

Innovative Technik bei Antrieb, Steuerung und Sicherheit

AuE ist zusammen mit Siemens ungewöhnliche Wege gegangen, um das Entkoppelungsmodul zu realisieren. Schon während der Konzeptphase wurde eng zusammengearbeitet und später, während der Konstruktionsphase, noch einmal, um die Motoren auszulegen.

Um die acht CNC-Achsen korrekt zu steuern, wurde die CNC-Steuerung Sinumerik 840D (NCU 572.5) mit dem Transformationspaket „Handling“ ausgewählt (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Die Lageregelung des Fahrantriebs (Gleichlauf der beiden Antriebe) erfolgt über eine neunte Achse und einen separaten Regeleinschub Simodrive 611D.

Die Steuerung Sinumerik 840D ist ein digitales Automatisierungssystem für nahezu alle CNC-Anwendungen mit beispielhafter Modularität. Die Steuerung enthält Prozessoren vom Typ Intel Pentium beziehungsweise Celeron und nutzt das Betriebssystem Microsoft Windows, woraus sich weitestgehend freie Programmierbarkeit und hohe Kommunikationsfähigkeit in einem computergesteuerten Fertigungsumfeld ableitet. Sie bietet alles, was man bei hochproduktiven Werkzeugmaschinen braucht, aber eben auch bei anderen Systemen, wie hier bei den Regalbedienrobotern.

Das Optionspaket Handling liefert eine Vielfalt von Handlingfunktionen, die man sonst nur bei speziellen Robotersteuerungen findet, zum Beispiel:

  • Teachen (Aufzeichnen eines handgesteuerten Bewegungsablaufs)
  • Koordinatentransformation
  • multifunktionales Handheld-Terminal (Bild 2 und 3)
  • kundenspezifisch parametrierbare beziehungsweise programmierbare Benutzeroberfläche.

Bei Daimler in Kassel ist die Sinumerik 840D eine durchaus bekannte Steuerung. In der Kasseler Fabrik ist weitestgehend Siemens am Zug. Das heißt, alle Maschinen im Werk sind mit Siemens-Steuerungen ausgerüstet. Man hat Vertrauen zu diesen Systemen und kennt sich mit ihnen aus, so dass die Entscheidung im Fall des Entkopplungsmoduls klar war.

Redundante Datenhaltung gibt Sicherheit

Jeder der beiden Regalbedienroboter hat eine eigene Sinumerik 840D. Diese fährt mit und wird über Stromschienen mit elektrischer Leistung versorgt, da ein Kabelschlepp über den gesamten Verfahrweg von 75 m konstruktiv und mechanisch nicht realisierbar ist. Die NC-Programme zur Bewegungssteuerung der Roboter hat AuE erstellt.

Die genauen Positionen werden dabei folgendermaßen realisiert: Die Palettenlage der Regalfächer wird pro Block geteacht, die anderen Fächer werden errechnet und anschließend werden alle Paletten durch ein NC-Programm vermessen. Die Datensicherheit der EKM-Belegung wird durch redundante Datenhaltung in beiden Sinumerik-840D-Steuerungen erreicht. Diese tauschen sich über Profibus und Ethernet-(TCP/IP-) Schnittstellen aus. Eine weitere Datensicherung erfolgt über ein WLAN-Funknetz auf dem Anlagenserver.

Für die Anlagensicherheit sorgt das integrierte Sicherheitskonzept Safety Integrated von Siemens, welches je nach Kundenwunsch in verschiedenen Ausbaustufen zur Verfügung steht. Beim Entkoppelungsmodul wurde die Ausbaustufe 3, das Profisafe-Konzept von Siemens, umgesetzt.

Profisafe als Kommunikationsstandard

Profisafe war der erste Kommunikationsstandard nach der Sicherheitsnorm IEC 61508, der eine Standard- und eine sicherheitsgerichtete Kommunikation auf nur einer Busleitung zulässt. Das bringt nicht nur große Vorteile bei der Verkabelung und hinsichtlich eines kompakten Schaltschrankbaus mit sich, sondern auch bei der Installation der Anlage, bei der Fehlerdiagnose und bei einem eventuellen Systemumbau.

Profisafe läuft hier aber nicht nur über ein Profibus-Kabel, sondern auch noch über Datenlichtschranken, welche die Regalgasse absichern. Dies ist ein Novum, das sich aber als sehr sicher erwiesen hat. Über den Profibus ist auch die dezentrale Peripherie ET200 angeschlossen (zum Beispiel die Kommunikation mit den Abgabestationen). Der Bus steht aber auch für die Kommunikation mit übergeordneten Systemen zur Verfügung, wie beispielsweise mit dem Instandhaltungsüberwachungssystem Prisma von Daimler.

Die Anlage ist so ausgelegt, dass auch alle zukünftigen Varianten von Bauteilen ohne zusätzliche Einricht- oder Anpassungsarbeiten gehandhabt werden können. Über den Server werden hierzu Bauteillisten geführt, die bei einer Neuaufnahme eines Bauteils mit allen nötigen Parametern versorgt werden.

Ein weiterer Zukunftsaspekt ist die bereits vorbereitete Anbindung an das Warenwirtschaftssystem von SAP. Insgesamt ist man bei Daimler mit der Gesamtlösung so zufrieden, dass bereits zwei weitere Entkoppelungsmodule für andere Werkbereiche installiert und in Betrieb genommen wurden. Ungewöhnliche Wege zu gehen, kann sich also durchaus lohnen.

Dipl.-Ing. Volker Simon ist Vertriebsingenieur für Automatisierungs- und Antriebstechnik bei der Siemens AG, Division Motion Control, 34117 Kassel.

(ID:242455)