Die Automatisierungsentwicklung des Hardware-Einsatzes in der Metallverarbeitung

ABBILDUNG 3. Einteilige Schnellwechselwerkzeuge mit Schüsselzuführung, die im linken Schrank aufbewahrt werden, übernehmen sowohl die Ausrichtung der Hardware als auch die Vereinzelung (stellen sicher, dass die Hardware richtig ausgerichtet und im richtigen Abstand angeordnet ist). Im rechten Schrank sind verschiedene Ambosse und Pendelplatten untergebracht.

Mitten in der Erholungsphase der Pandemie im Jahr 2021 erhielt Ron Boggs, Vertriebs- und Serviceleiter für Nordamerika bei Haeger, immer wieder die gleichen Anrufe von Herstellern.

„Sie sagten uns immer wieder: ‚Hey, uns fehlen Befestigungselemente‘“, sagte Boggs. „Wie sich herausstellte, war das auf Personalprobleme zurückzuführen.“ Bei der Neueinstellung von Fab-Shops setzten sie oft unerfahrene, weniger qualifizierte Leute vor die Hardware-Einfügungspresse. Manchmal fehlten Befestigungselemente; ein anderes Mal wurde das falsche Befestigungselement eingesetzt. Kundenretouren und Nacharbeit montiert.

Aus allgemeiner Sicht scheint das Einsetzen von Hardware eine ausgereifte Anwendung für die Robotik zu sein. Schließlich verfügt ein Fab-Shop möglicherweise über eine vollständige Automatisierung des Zuschneidens und Formens, einschließlich Türmen, Teileentnahme und vielleicht sogar Roboterbiegen. Die gesamte Technologie versorgt dann eine weitgehend manuelle Hardware-Einfügungsabteilung. Warum also nicht einfach einen Roboter vor die Beschlageinlegepresse stellen?

In den letzten zwei Jahrzehnten hat Boggs mit zahlreichen Fab-Shops zusammengearbeitet, die den Hardware-Einsatz roboterisiert haben. Zuletzt haben er und sein Team – darunter Sander van de Bor, Chefingenieur bei Haeger – daran gearbeitet, die Integration von Cobots in den Einfügungsprozess zu erleichtern (siehe Abbildung 1).

Allerdings betonten sowohl Boggs als auch van de Bor, dass die alleinige Fokussierung auf die Robotik manchmal größere Probleme bei der Hardware-Integration außer Acht lässt. Ein robuster, automatisierter und flexibler Hardware-Einfügungsvorgang erfordert eine Reihe von Bausteinen, einschließlich Prozesskonsistenz und Flexibilität.

Altes Eisen stirbt schwer. Viele wenden das Sprichwort auf mechanische Stanzpressen an, aber es trifft auch auf die manuell beschickte Hardware-Einlegepresse zu, vor allem wegen ihrer Einfachheit. Der Bediener steht vor einer manuellen Einpresspresse und platziert das Verbindungselement und das Teil auf dem unteren Ambosswerkzeug. Er drückt auf das Pedal. Das obere Stanzwerkzeug senkt sich ab, berührt das Werkstück und baut Druck auf, um die Hardware einzuführen. Es ist alles ziemlich einfach – bis natürlich etwas schief geht.

„Wenn der Bediener nicht aufpasst, sinkt das Werkzeug, berührt das Werkstück und baut keinen Druck auf“, sagte van de Bor. Warum genau? „Die älteren Geräte verfügen über keine Fehlerrückmeldung, sodass die Bediener es wirklich nicht wissen.“ Möglicherweise hat der Bediener während des gesamten Zyklus seinen Fuß nicht auf dem Pedal gehalten, was wiederum das Sicherheitssystem der Presse hätte auslösen können. „Am Oberwerkzeug liegen sechs Volt an; Das Unterwerkzeug ist geschliffen und die Presse muss die Leitfähigkeit erkennen, bevor sie Druck aufbaut.“

Ältere Einlegepressen verfügen außerdem nicht über sogenannte „Tonnagefenster“, also einen Druckbereich, in dem Beschläge ordnungsgemäß eingelegt werden können. Moderne Pressen erkennen, wann dieser Druck zu niedrig oder zu hoch ist. Wie Boggs erklärte, beheben Bediener Probleme manchmal, indem sie ein Ventil einstellen, um den Druck einzustellen, da ältere Pressen keine Tonnagefenster haben. „Einige werden es zu hoch einstellen, andere zu niedrig“, sagte Boggs. „Die manuelle Einstellung ermöglicht eine große Variabilität. Wenn es zu niedrig ist, installieren Sie die Hardware nicht richtig.“ Das Ergebnis: Das Befestigungselement ist nicht sicher, weil es nicht wie gewünscht mit dem Blech zusammenpasst. „Ein zu hoher Druck kann das Teil oder das Befestigungselement selbst tatsächlich verformen.“

„Ältere Maschinen hatten außerdem keine Zähler“, fügte van de Bor hinzu, „was dazu führen kann, dass Bediener Befestigungselemente übersehen.“

Das manuelle Einfügen von Hardware scheint einfach zu sein, es kann jedoch schwierig sein, den Prozess fehlersicher zu machen. Schlimmer noch: Der Hardware-Vorgang erfolgt oft erst spät in der Wertschöpfungskette, nachdem die Rohlinge geschnitten und geformt wurden. Hardwareprobleme können bei der Pulverbeschichtung und Montage verheerende Folgen haben, oft weil ein ansonsten gewissenhafter und fleißiger Bediener ein paar kleine Fehler gemacht hat, die zu großen Kopfschmerzen führten.

ABBILDUNG 1. Ein Cobot übergibt ein Teil an eine Hardware-Einlegepresse mit vier Schüsseln und vier separaten Shuttleplatten, die der Presse Hardware zuführen. Bilder: Haeger

Im Laufe der Jahre hat die Hardware-Insertionstechnologie diese Probleme gelöst, indem sie diese Variabilitätsquellen identifiziert und beseitigt hat. Hardware-Einbauarbeiter sollten nicht die Ursache für so viele Probleme sein, nur weil sie beispielsweise am Ende ihrer Schicht ein wenig die Konzentration verlieren.

Der erste Schritt der Hardware-Einfügung in die Automatisierung, die Schüsselzuführung (siehe Abbildung 2), eliminierte den mühsamsten Schritt im Prozess: das manuelle Ergreifen und Platzieren der Hardware auf dem Werkstück. Bei einer herkömmlichen Top-Feed-Konfiguration befördert eine Schüsselpresse das Befestigungselement nach unten zu einer Pendelplatte, die die Hardware dem Oberwerkzeug präsentiert. Der Bediener legt das Werkstück über das Unterwerkzeug (Amboss) und tritt auf das Pedal. Der Stempel senkt sich ab, nutzt Vakuumdruck, um die Hardware aus der Pendelplatte zu heben, und präsentiert sie dann dem Werkstück. Die Presse übt Druck aus und der Zyklus ist abgeschlossen.

Das scheint einfach zu sein, aber wenn man etwas tiefer gräbt, offenbart sich ein paar subtile Komplexitäten. Zunächst muss die Hardware kontrolliert zugeführt und dem Arbeitsbereich präsentiert werden. Hier kommt das Führungswerkzeug ins Spiel. Das Werkzeug besteht aus zwei Komponenten. Einer ist der Ausrichtung gewidmet und stellt sicher, dass die aus der Schüssel austretenden Teile richtig ausgerichtet sind. Der andere sorgt für die korrekte Vereinzelung, Ausrichtung und Beabstandung der Hardware. Von dort wandern die Kleinteile durch ein Rohr nach unten zu einer Pendelplatte, die die Kleinteile dem Oberwerkzeug präsentiert.

Hier liegt die Komplikation: Die automatischen Vorschubwerkzeuge – die Ausrichtungs- und Vereinzelungswerkzeuge sowie die Shuttle-Platte – müssen bei jeder Änderung der Hardware ausgetauscht und ausgerichtet werden. Die unterschiedlichen Formen der Hardware wirken sich darauf aus, wie sie dem Arbeitsbereich zugeführt werden, sodass hardwarespezifische Werkzeuge einfach eine Realität sind, die wirklich nicht aus der Gleichung herausgearbeitet werden kann.

Da die Bediener vor einer Trommelpresse keine Zeit mehr damit verbringen, Hardware zu greifen (und möglicherweise fallen zu lassen) und zu platzieren, verkürzt sich die Zeit zwischen den Einsätzen erheblich. Aber trotz all dieser hardwarespezifischen Werkzeuge sorgen Schüsselzuführmaschinen auch für einen Umstellungsaufwand. Das Werkzeug für eine 832-Selbstklemmmutter funktioniert nicht für eine 632-Mutter.

Um ältere, zweiteilige Werkzeuge mit Schüsselzuführung auszutauschen, mussten die Bediener sicherstellen, dass das Orientierungswerkzeug richtig mit dem Vereinzelungswerkzeug ausgerichtet ist. „Sie mussten auch die Trommelvibration, die Luftausstoßzeit und die Schlauchführung überprüfen“, sagte Boggs. „Und sie mussten die Ausrichtung des Shuttles und des Vakuums überprüfen. Kurz gesagt, die Bediener mussten viele Ausrichtungen überprüfen, um sicherzustellen, dass die Werkzeuge ordnungsgemäß funktionierten.“

Blechbearbeiter haben häufig besondere Anforderungen an die Hardware, sei es aufgrund von Zugangsproblemen (Einsetzen von Hardware an schwer zugänglichen Stellen), ungewöhnlicher Hardware oder einer Kombination aus beidem. Bei solchen Aufbauten wurden maßgeschneiderte, einteilige Werkzeuge verwendet. Daraus, so Boggs, entstand schließlich die Entwicklung einteiliger Werkzeuge für Standardpressen mit Trommelzuführung. Das Tool umfasst sowohl Orientierungs- als auch Vereinzelungselemente (siehe Abbildung 3).

„Es ist für einen schnellen Wechsel konzipiert“, sagte van de Bor. „Und alle Steuervariablen, einschließlich Luft und Vibration, das Timing und alles andere, werden vom Computer gesteuert, sodass der Bediener keine Schalter oder Anpassungen vornehmen muss.“

Fixierstifte sorgen dafür, dass alles in der richtigen Position bleibt (siehe Abbildung 4). „Bediener müssen sich bei der Umstellung keine Gedanken über die Ausrichtung machen. Es ist immer ausgerichtet, weil alles an Ort und Stelle befestigt ist“, sagte Boggs. „Das Werkzeug lässt sich einfach anschrauben.“

Wenn ein Bediener ein Blech auf die Eisenwarenpresse legt, richtet er das Loch mit einem Ambosswerkzeug aus, das für die Bearbeitung bestimmter Verbindungselementdurchmesser ausgelegt ist. Ein neuer Durchmesser erfordert ein neues Ambosswerkzeug, eine Tatsache, die seit Jahren zu einigen mühsamen Serienproduktionsvereinbarungen geführt hat.

ABBILDUNG 2. Durch die Schüsselfütterung entfallen die mühsamsten Aspekte des Einsetzens der Hardware.

Stellen Sie sich einen Fab-Shop mit modernster Schneid- und Biegetechnologie vor, alles mit schnellen, automatischen Werkzeugwechseln, die eine Kleinserien- oder sogar Kit-basierte Produktion ermöglichen. Anschließend gelangen die Teile zum Einsetzen der Hardware, wo die Bediener auf die Serienproduktion zurückgreifen, wenn für die Teile unterschiedliche Arten von Hardware erforderlich sind. Sie könnten beispielsweise eine Charge von 50 Teilen einsetzen, die Ambosse austauschen und dann die neuen Beschläge in die erforderlichen Löcher einsetzen.

Eine Hardware-Presse mit Revolver verändert das Szenario. Der Bediener kann nun eine Art von Hardware einsetzen, den Turm drehen und dann in einen farblich gekennzeichneten Behälter für eine andere Art von Hardware greifen und so alle Hardware-Anforderungen in einem Arbeitsgang erfüllen (siehe Abbildung 5).

„Je nachdem, wie viele Teile Sie haben, ist es weniger wahrscheinlich, dass Sie das Einsetzen eines Hardwareteils verpassen“, sagte van de Bor. „Sie erledigen das gesamte Teil mit einem einzigen Handgriff, sodass Sie am Ende keinen Schritt verpassen.“

Durch die Kombination von Schüsselbeschickung und Ambossrevolvern an einer Einlegepresse kann die bausatzbasierte Verarbeitung in der Hardware-Abteilung Wirklichkeit werden. In einem typischen Aufbau widmen sich Hersteller der Schüsselzuführung gewöhnlicher Hardware mit größerem Volumen und platzieren dann seltener verwendete Hardware in farblich gekennzeichneten Behältern in der Nähe des Arbeitsbereichs. Wenn Bediener ein Teil greifen, das mehrere Arten von Hardware erfordert, beginnen sie mit dem Einlegen, achten auf einen „Piepton“ von der Maschine (was anzeigt, dass es Zeit für neue Hardware ist), drehen den Ambossrevolver, überprüfen ein 3D-Bild des Teils auf der Steuerung, Setzen Sie dann das nächste Stück Hardware ein.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem der Bediener ein Stück Hardware nach dem anderen einführt und dabei den automatischen Schüsselvorschub voll ausnutzt und den Ambossrevolver nach Bedarf dreht. Nachdem das Oberwerkzeug ein automatisch zugeführtes Befestigungselement von der Pendelplatte erfasst und auf das Werkstück auf dem Amboss abgesenkt hat, stoppt es. Die Steuerung macht den Bediener darauf aufmerksam, dass das Befestigungselement nicht die richtige Länge hat.

Boggs erklärte: „Im Setup-Modus senkt die Presse den Stößel langsam ab und zeichnet seine Position auf. Wenn es also mit voller Geschwindigkeit läuft und das Befestigungselement das Werkzeug berührt, stellt das System sicher, dass die Befestigungslänge innerhalb eines bestimmten [Toleranz-]Bereichs liegt. Eine außerhalb des Bereichs liegende Messung, entweder zu lang oder zu kurz, löst einen Fehler bei der Länge des Befestigungselements aus. In Kombination mit der Erkennung von Befestigungselementen (kein Vakuum im Oberwerkzeug, normalerweise verursacht durch einen Hardware-Vorschubfehler) sowie der Überwachung und Aufrechterhaltung von Tonnagefenstern (anstatt den Bediener manuell ein Ventil einstellen zu lassen) entsteht ein robustes System für Automatisierung.

„Eine Hardware-Presse, die sich selbst überprüft, kann für eine Roboterzelle eine enorme Bereicherung sein“, sagte Boggs. „Bei automatisierten Anlagen bewegt ein Roboter das Blech in Position und sendet ein Signal an die Druckmaschine, das im Wesentlichen besagt: ‚Ich bin in Position; Machen Sie weiter und betätigen Sie die Presse.‘“

Die Hardware-Presse stellt sicher, dass der Ambossstift (der in das Loch im Blechwerkstück passt) frei ist. Der Unterdruck im Oberstempel ist so, wie er sein soll, sodass ein Befestigungselement vorhanden ist. Da die Presse dies alles weiß, sendet sie ein Signal an den Roboter.

Wie Boggs es ausdrückte: „Die Hardware-Presse schaut sich im Grunde alles an und sagt dem Roboter: ‚Okay, mir geht es gut.‘ Es leitet einen Presszyklus ein und stellt sicher, dass ein Befestigungselement vorhanden ist und die richtige Länge hat. Anschließend überprüft es, ob der Zyklus abgeschlossen ist, stellt sicher, dass der zum Einsetzen der Hardware verwendete Druck korrekt war, und sendet dann ein Signal, dass der Presszyklus abgeschlossen ist, an den Roboter. Der Roboter erhält das und weiß, dass alles klar ist, um das Werkstück zum nächsten Loch zu bewegen.“

All diese Maschinenprüfungen, die ursprünglich für den manuellen Bediener durchgeführt wurden, bilden effektiv eine gute Grundlage für die weitere Automatisierung. Boggs und van de Bor beschrieben weitere Optimierungen, wie bestimmte Designs, die verhindern, dass Bleche am Amboss kleben. „Manchmal bleiben Verbindungselemente nach den Presszyklen hängen“, sagte Boggs. „Es ist ein inhärentes Problem, wenn man Material zusammenpresst. Wenn es im Unterwerkzeug stecken bleibt, kann der Bediener das Werkstück normalerweise leicht drehen, um es herauszuheben.“

ABBILDUNG 4. Eine Shuttle-Platte wird mit Fixierstiften angeschraubt. Sobald das Shuttle eingerichtet ist, präsentiert es die Hardware dem Oberwerkzeug, das mithilfe von Vakuumdruck die Hardware festhält und zum Werkstück transportiert. Ein Amboss (unten links) sitzt auf einer der vier Revolverstationen.

Leider verfügen Roboter nicht über die Fingerfertigkeit eines manuellen Bedieners. „Es gibt jetzt Pressenkonstruktionen, die das Entfernen des Werkstücks erleichtern und dabei helfen, das Befestigungselement aus dem Unterwerkzeug zu drücken, sodass es nach den Presszyklen nicht zum Festkleben kommt.“

Bestimmte Maschinen verfügen über unterschiedliche Ausladungstiefen, die Robotern dabei helfen können, das Werkstück in den Arbeitsraum hinein und aus ihm heraus zu manövrieren. Pressen können auch mit Stützen ausgestattet sein, die Robotern (und auch manuellen Bedienern) dabei helfen, das Werkstück zuverlässig zu positionieren.

Letztendlich ist Zuverlässigkeit der Schlüssel. Roboter und Cobots könnten ein Teil der Antwort sein, und ihre Integration ist viel einfacher geworden. „Im Cobot-Bereich haben die Anbieter große Fortschritte gemacht, um die Integration in Maschinen so einfach wie möglich zu gestalten“, sagte Boggs, „und die Druckmaschinenhersteller haben die Entwicklungsarbeit geleistet, um sicherzustellen, dass die richtigen Kommunikationsprotokolle vorhanden sind.“

Aber auch Pressentechnologie und Werkstattpraktiken – einschließlich Werkstückunterstützung, klare (und dokumentierte) Arbeitsanweisungen und angemessene Schulung – spielen eine Rolle. Boggs fügte hinzu, dass er immer noch Anrufe wegen fehlender Verbindungselemente und anderer Probleme in der Hardware-Abteilung erhält, in der viele zuverlässige und dennoch sehr alte Maschinen zum Einsatz kommen.

Die Maschinen mögen zwar zuverlässig sein, aber das Einsetzen von Hardware ist nichts für Ungeübte und Unerfahrene. Denken Sie an die Maschine, die einen Längenfehler erkannt hat. Diese einfache Überprüfung verhinderte, dass ein kleiner Fehler zu einem größeren Problem wurde.

ABBILDUNG 5. Diese Hardware-Presse verfügt über einen Ambossrevolver mit vier Stationen. Dieses System verfügt außerdem über ein spezielles Ambosswerkzeug, das dem Bediener hilft, schwer zugängliche Bereiche zu erreichen. Hier wird die Hardware direkt unterhalb eines Rücklaufflansches eingesetzt.