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Aug 12, 2023

Best Practices für halbautomatisches Schrauben

Das Schrauben ist oft der Taktgeber im Montageprozess. Foto von Austin Weber Dieses Schraubsystem ermöglicht eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit, Drehmoment, Axialkraft und Hub. Foto mit freundlicher Genehmigung

Das Schrauben ist oft der Taktgeber im Montageprozess. Foto von Austin Weber

Dieses Schraubsystem ermöglicht eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit, Drehmoment, Axialkraft und Hub. Foto mit freundlicher Genehmigung von Deprag Inc.

Dieser stromgesteuerte Schraubendreher kann als Handwerkzeug verwendet, in einer Drehmomentstütze befestigt oder an ein automatisiertes System montiert werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von ASG, Division of Jergens Inc.

Mit diesem Wandler-Schraubendreher können Ingenieure beim Herunterfahren eine Vielzahl von Parametern steuern, darunter Winkel, Laufdrehmoment, Klemmdrehmoment und Gesamtdrehmoment. Foto mit freundlicher Genehmigung von Kolver North America

Viele Hersteller investieren in kollaborative Schraubsysteme, die es Menschen und Maschinen ermöglichen, am Fließband eng zusammenzuarbeiten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Visumatic Industrial Products Inc

Ingenieure müssen überlegen, welche Schraubanwendungen ein Bediener besser kann als ein Cobot. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESTIC America Inc.

Bei den meisten Baugruppen, die mit Gewindebefestigungen verbunden werden, sind die Kosten der Befestigungselemente nicht so wichtig wie die Kosten für deren Installation. Automatisierung ist eine Möglichkeit, diese Kosten zu kontrollieren – aber nur, wenn die Monteure vorausschauend denken.

In diesem Zusammenhang müssen Monteure zunächst entscheiden, ob eine Automatisierung überhaupt sinnvoll ist. Das Produktionsvolumen steht im Vordergrund. Da die Anwendungen jedoch unterschiedlich sind, ist es schwierig, einen strikten Grenzwert zu finden, ab dem eine Automatisierung sinnvoll ist.

In einigen Fällen können Hersteller die Kosten der Automatisierung mit weniger als 1.000 Schrauben pro Schicht rechtfertigen. Der durchschnittliche Monteur montiert wahrscheinlich 4.000 Schrauben pro Schicht.

Schraubexperten gehen davon aus, dass 500.000 pro Jahr installierte Schrauben ein guter Ausgangspunkt sind, um über ein Handsystem mit automatischer Schraubenzuführung nachzudenken. Ein solches System kann kleine Schrauben mit einer Geschwindigkeit von einer pro Sekunde einbauen. Eine vollautomatische Anlage kann pro Spindel 20 bis 40 Einfügungen pro Minute durchführen.

Die meisten Systeme werden gekauft, um die Produktivität zu steigern und nicht nur die Arbeitskosten zu senken. Das Schrauben ist oft der Taktgeber im Montageprozess.

Die Entscheidung, das Schrauben zu automatisieren, hängt oft davon ab, welche weiteren Aufgaben der Bediener erledigen muss. In der Regel müssen die Bediener neben dem Eindrehen der Schrauben auch die Teile zusammenbauen. Wenn sie 90 Prozent ihrer Zeit mit der Montage von Teilen verbringen und nur 10 Prozent mit dem Eindrehen von Schrauben, dann macht ein Schraubenzuführer keinen Sinn. Wenn sich die Schraubzeit erhöht, also mehrere Schrauben an einem Teil vorhanden sind, ist der Einsatz eines Schraubenzuführers sinnvoll.

Neben Volumen, Arbeitskosten und Produktivität können auch andere Faktoren dazu beitragen, die Investition in automatische Schraubgeräte zu rechtfertigen. Ergonomie ist ein solcher Faktor. Die Produktqualität ist eine andere. Da Maschinen einfach zuverlässiger sind als Menschen, kann Automatisierung die Qualität steigern.

Abhängig davon, wie es ihnen an einem bestimmten Tag geht, sind die Bediener möglicherweise daran interessiert, die Schrauben korrekt zu installieren, oder auch nicht. Sie können sich frühzeitig aus einem Gelenk lösen, und niemand würde klüger sein, bis die Qualitätskontrolle das Problem entdeckt. Im Gegensatz dazu montiert eine Maschine die Schrauben jedes Mal auf die gleiche Art und Weise.

Im Vergleich zu menschlichen Bedienern sind Maschinen viel besser darin, den Fahrer aufrecht zu halten. Das ist besonders wichtig bei selbstschneidenden Schrauben. Es ist wichtig, dass dieses Befestigungselement direkt in das Loch eingeführt wird. Bei Neigung zur einen oder anderen Seite neigt der Verschluss dazu, sich schief einzuschneiden. Durch die Steuerung aller drei Achsen eliminiert ein Roboter die menschliche Variable.

Manchmal reicht es aus, einfach zu kontrollieren, wie Verbindungselemente den Bedienern präsentiert werden, um die Kosten der Automatisierung zu rechtfertigen. Ein Automobilmontagewerk hat diese Lektion vor einigen Jahren gelernt. Um die Armaturenbrett-Instrumententafeln zusammenzubauen, setzten die Bediener manuell Schrauben ein und zogen sie mit handgeführten Elektrowerkzeugen fest. Es war unweigerlich, dass eine Schraube im Armaturenbrett verloren ging und ein lästiges Klappern verursachte.

Das Problem kostete den Autohersteller jedes Jahr Tausende von Dollar an Garantieansprüchen. Ein einfacher Schraubenzuführer ermöglichte den Ingenieuren die Kontrolle und Abrechnung der Verbindungselemente und sparte dem Unternehmen viel Geld.

Ironischerweise erhält der wichtigste Teil eines automatischen Schraubsystems oft die geringste Aufmerksamkeit – das Verbindungselement selbst. Laut Anbietern von Schraubsystemen eignen sich am besten Schrauben für die Automatisierung mit Innenantriebsmulden wie Phillips, Phillips ACR, Torx und Torx Plus. Es ist weniger wahrscheinlich, dass Schraubendreherbits aus Schrauben mit Innenvertiefungen herausrutschen oder herausrutschen.

Diese Schrauben funktionieren in automatisierten Montagesystemen besser, da die Bits ausgerichtet sind und innerhalb der Mittellinie des Befestigungselements bleiben. Schlitzschrauben sind für die meisten Maschinen schwierig zu handhaben, da das Bit so leicht herausfällt.

Sechskantschrauben funktionieren auch gut mit automatischen Schraubgeräten. Allerdings sollten Ingenieure darauf achten, um das Befestigungselement herum zusätzlichen Platz zu lassen, um der Größe der Steckdose Rechnung zu tragen.

Für eine zuverlässige Zuführung ist die Kopfform des Verschlusses wichtig. Wenn Befestigungselemente aus einer Zuführschale austreten, werden sie durch ein Schienenpaar begrenzt. Auf dem Weg zum Einfüllrohr drücken die Schrauben dann gegeneinander. Pan-Heads, zylindrische Köpfe und andere Ausführungen mit guten „Schub“-Oberflächen eignen sich am besten für diese Art von Anordnung.

Je größer die Kontaktfläche zwischen den Schrauben, desto besser. Senkkopfschrauben haben einen sehr kleinen Kontaktbereich und neigen dazu, in der Vorschubschiene zu schuppen und übereinander zu klettern.

Für eine zuverlässige Förderung muss die Gesamtlänge der Schnecke größer sein als ihr Durchmesser. Als Faustregel gilt, dass das Verhältnis von Kopfdurchmesser zu Länge mindestens 1 zu 1,5 betragen sollte. Andernfalls stolpert die Schnecke im Einfüllrohr. Wenn die Schraube ein gleichmäßiges Seitenverhältnis hat, kann sie nicht durch Einblasen zugeführt werden. Es muss auf einer Schiene bis zur Einfügestelle zugeführt werden.

Auch die Form der Schraubspitze ist wichtig. Sehr effektiv ist eine Mitnehmerspitze, die dabei hilft, die Schraubenspitze in das Teil zu führen.

Eine schwierige, aber nicht unmögliche Zuführaufgabe ist das Schrauben mit vormontierter Unterlegscheibe. Idealerweise sollte die Unterlegscheibe direkt unter dem Schraubenkopf sitzen, aber oft schraubt sie sich in den Schaft hinein, was bei automatischen Zuführungen zu Problemen führen kann. Die Lösung besteht darin, einen Mechanismus hinzuzufügen, der auf das Befestigungselement klopft, während es sich auf den Zuführschienen befindet. Dadurch wird die Unterlegscheibe wieder nach oben unter den Kopf gedrückt.

Beschichtungen sind ein problematischerer Befestigungszusatz. Fett, Wachs und andere Beschichtungen von Befestigungselementen können klebrige Ablagerungen in Futterschalen und -schienen hinterlassen. Diese Ablagerungen müssen regelmäßig gereinigt werden, um eine zuverlässige Fütterung zu gewährleisten.

Schließlich sind Monteure gut beraten, in hochwertige Schrauben zu investieren, unabhängig von deren Größe, Form und Stil. Jede falsch geformte Schraube ist eine potenzielle Blockade. Aufgrund einer einzigen defekten Schraube könnte die gesamte Produktionslinie zum Stillstand kommen. Qualitätsschrauben werden daher immer empfohlen. Pro 1.000 Befestigungselemente kostet es zwar etwas mehr, aber Ihre Ausfallzeiten sind geringer. Am anderen Ende wird es sich auszahlen.

So wie sich Qualitätsschrauben durch Automatisierung auszahlen, so werden sich auch Qualitätsteile auszahlen. Im Gegensatz zu Menschen können Maschinen geringfügige Unterschiede in der Lochposition oder der Teilepositionierung nicht ausgleichen. Vielmehr sind Maschinen darauf ausgelegt, Schrauben immer wieder an einer bestimmten Stelle anzubringen – unabhängig davon, ob dort ein Loch vorhanden ist oder nicht.

Bei der Konstruktion von Teilen für automatisches Schrauben sollten Ingenieure darauf achten, dass der Schraubkopf einen guten Anstellwinkel zu den Teilen hat. Sie sollten außerdem um jede Befestigungsstelle herum genügend Freiraum bieten, damit der Schraubendreherkopf die Schraube vollständig einsetzen kann.

Flexibilitätsanforderungen sind ein weiteres Problem, das frühzeitig in der Entwurfsphase berücksichtigt werden sollte. Automatische Schraubgeräte können für unterschiedliche Befestigungsgrößen und Produktkonfigurationen gebaut werden. Flexibilität kann jedoch Kompromisse in Bezug auf Geschwindigkeit oder Preis erfordern.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Produkt vor, bei dem vier identische Schrauben in derselben Ebene angebracht werden müssen. Bei entsprechendem Volumen könnte die wirtschaftlichste Lösung darin bestehen, vier automatische Schraubspindeln in einer Stahlplatte zu montieren, an der ein Linearantrieb befestigt ist. Wenn sich jedoch das Lochmuster ändert, müssen die Montageplatte und möglicherweise sogar der Aktuator neu hergestellt werden, was zeitaufwändig und teuer sein kann. Wenn Änderungen zu erwarten sind, könnten ein oder mehrere Einspindelsysteme, die an ein XYZ-Positionierungssystem montiert sind, eine bessere Alternative sein.

Ebenso können Monteure durch die Standardisierung der in verschiedenen Produkten verwendeten Verbindungselemente die Anschaffungskosten automatischer Schraubgeräte senken und die Kapitalrendite verlängern. Ein Schraubenzulieferer baute ein automatisiertes Montagesystem, das sieben verschiedene Schrauben verarbeiten konnte. Die Befestigungselemente waren unterschiedlich lang und einige hatten sogar unterschiedliche Antriebsausnehmungen. Durch die Reduzierung der Anzahl unterschiedlicher Schrauben in seinen Produkten hätte der Kunde möglicherweise die Kosten für die Montagemaschine senken können.

Automatische Schraubmaschinen können mit elektrischen oder pneumatischen Werkzeugen ausgestattet werden. Für allgemeine Montagearbeiten werden pneumatische Werkzeuge aufgrund ihrer Langlebigkeit und ihres hohen Leistungsgewichts bevorzugt.

Für Anwendungen mit niedrigem Drehmoment wird häufig ein Gleichstrom-Elektrowerkzeug mit Bürsten bevorzugt. Einige Monteure wünschen sich zur statistischen Prozesskontrolle Drehmoment- und Winkelmessungen vom Werkzeug. Dabei kommt ein bürstenloses Gleichstrom-Elektrowerkzeug mit Wandler und Encoder zum Einsatz.

Mit dem richtigen Werkzeug sollte die Drehmomentkontrolle mit einem automatischen System genauso gut sein wie mit einem manuellen Werkzeug. Ingenieure müssen jedoch möglicherweise ihre Drehmomentspezifikationen anpassen, um den Widerstand zu berücksichtigen, wenn der Bohrer und das Befestigungselement aus den Backen der Maschine austreten.

Ob elektrisch oder pneumatisch, jedes automatische Schraubsystem benötigt für einen zuverlässigen Betrieb eine regelmäßige Wartung. Beispielsweise sollten Treiberbits gemäß einem regelmäßigen vorbeugenden Wartungsplan ausgetauscht werden und nicht nur, wenn sie kaputt gehen. Wie bei Verbindungselementen sparen Monteure auf lange Sicht Geld, wenn sie in hochwertige Bits investieren.

Bits sind in der Regel weicher als die Schrauben, die sie antreiben, und werden oft günstig gekauft. Monteure sollten in der Lage sein, aus einem Bohrer 10.000 bis 15.000 Teile herzustellen.

Schrauben ist für den Menschen meist eine langweilige, sich wiederholende Aufgabe, die fehleranfällig ist. Es ist ein perfekter Kandidat für kollaborative Roboter, die Flexibilität und Wiederholbarkeit bieten können.

Angesichts des gravierenden Arbeitskräftemangels und von Initiativen zur Umschulung investieren große und kleine Hersteller in kollaborative Schraubsysteme, die es Menschen und Robotern ermöglichen, eng beieinander an Montagelinien zu arbeiten.

Bediener können Seite an Seite mit Cobots arbeiten. Der Mensch kann sich auf Aufgaben konzentrieren, die leicht zugänglich sind, während die Maschinen schwierigere Dinge erledigen, etwa das Eindrehen und Eindrehen von Schrauben an schwer zugänglichen Stellen oder in engen Räumen, in denen Befestigungselemente nicht immer sichtbar sind.

„[Automatisiertes] Schrauben war früher eine Aufgabe, die komplex und kostspielig war und viel Platz am Fließband einnahm“, sagt Catherine Leclerc, Produktverantwortliche für Schraubanwendungen bei Robotiq Inc. „Daher war es der Verwendung in vorbehalten.“ Riesige Anlagen mit großen Automatisierungsbudgets, die in großen Mengen produzieren.

„Diese Art von kundenspezifischem Projekt eines Integrators könnte kaum der Realität kleiner Hersteller gerecht werden, die mit [begrenztem] Montageplatz, knappen Budgets und [spärlichem] Automatisierungspersonal zu kämpfen haben“, betont Leclerc. „Mit den speziell für Cobots entwickelten Schraubsystemen ist die Technologie nun für jeden Hersteller zugänglich.

„Es gibt Schraubsysteme, die man von der Stange kaufen, innerhalb weniger Werktage versenden, einfach installieren und an Produktionsänderungen anpassen kann“, behauptet Leclerc. „Es ist eine völlig neue Ära.“

„Schrauben ist eine großartige Anwendung für Cobots“, fügt Joe Campbell hinzu, Senior Manager für strategisches Marketing und Anwendungsentwicklung bei Universal Robots, dem Unternehmen, das vor mehr als einem Jahrzehnt Pionierarbeit bei dieser Technologie geleistet hat. „Tatsächlich ist es eine unserer beliebtesten Anwendungen.

„Die gesamte Programmierung erfolgt über das UR-Teach Pendant“, betont Campbell. „Das hat die Dinge vereinfacht und viele Risiken beseitigt, insbesondere für kleinere Hersteller, die in der Vergangenheit möglicherweise vor der Automatisierung zurückgeschreckt sind.“

Kollaboratives Schrauben wird in vielen Branchen eingesetzt. Allerdings müssen Ingenieure eine gründliche Risikobewertung durchführen und geeignete Schutzmaßnahmen ergreifen, um die Sicherheit von Menschen zu gewährleisten, die in der Nähe oder mit einem Cobot arbeiten.

„Jedes Unternehmen unterscheidet sich darin, wie es festlegt, was ‚kollaborativ‘ bedeutet, und wie es interne Verhaltensregeln aufstellt“, fügt Jarrod Neff, Marketingmanager bei Visumatic Industrial Products Inc., hinzu.

„Wir haben einige Kunden, die Cobots in Verbindung mit Lichtvorhängen, Schutzvorrichtungen oder Bereichssensoren verwenden, die menschliche Bewegungen erkennen können“, sagt Neff. „Sie wollen einen höheren Durchsatz, fühlen sich aber einfach nicht wohl dabei, ihre Maschine mit Höchstgeschwindigkeit zu betreiben.“

Laut Neff werden Cobots gerne zum Eindrehen kleiner Schrauben in den Größen M1 bis M3 eingesetzt. „Normalerweise funktionieren Schrauben mit einer Länge von bis zu 20 Millimetern am besten“, betont er.

„Cobot-Schrauben erfordern langsamere Bewegungen, geringere Durchsätze und leichtere Werkzeuge am Ende des Arms“, behauptet Neff. „Als allgemeine Faustregel sollte jede Anwendung, die ein Drehmoment von 50-Zoll-Pfund oder weniger erfordert, für die Verwendung mit Cobots geeignet sein.“

„Der Einsatz von vollautomatischem [Schrauben] mit Sicherheitskäfig ist in der Regel teuer, kompliziert und wartungsintensiv“, fügt Don Seay, General Manager bei ESTIC America Inc., hinzu. „Ingenieure können jetzt einen hybriden Ansatz verfolgen und überlegen, welche Montageprozesse am besten geeignet sind durch einen Bediener und welche Prozesse könnten von einem Drehmomentwerkzeug ausgeführt werden, das in einen Cobot integriert ist, der neben einem Menschen arbeitet?

„Ingenieure müssen überlegen, welche Anwendungen ein Bediener besser ausführen kann als ein Roboter“, erklärt Seay. „Dann weisen Sie der Maschine Aufgaben zu, die dem Menschen die Arbeit erleichtern würden. Möglicherweise sehen Sie, wie Menschen die Schrauben von Hand ansetzen, während Cobots später mit einem Drehmomentwerkzeug das endgültige Anziehen übernehmen. Dadurch können die Zykluszeiten für den Menschen schneller sein.“