Alternativlose Technologie für teilautomatisierte Hydraulikzylinder-Montageanlage

Ein Fall für IO-Link

Profinet Master und IO-Link Hub im robusten Metallgehäuse. Bilder: Balluff
IO-Link RFID Schreib- Lesekopf.
Induktive Abfrage am Zuführband.
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Automatisieren mit IO-Link steht nicht nur für eine Zeit- und Kostenersparnis, sondern auch für hochflexible Parametrierungs- und Produktionskonzepte. Darauf aufbauend hat Balluff in Kooperation mit Weber-Hydraulik eine teilautomatisierte Anlage realisiert, die unterschiedliche Hydraulikzylinder nonstop und effizient montieren kann.

Eine aus zig Fertigungsstationen, Antrieben und Zuführeinheiten gespeiste polyphone Geräuschkulisse erfüllt die Werkshalle. Noch vor kurzem war bei Weber die Montage von Hydraulikzylindern in weiten Teilen Handarbeit. Heute übernimmt eine U-förmige, rund zehn Mal sechs und in der Höhe drei Meter messende Anlage diese Aufgabe, unterstützt von drei Werkern. Vorne werden Zylinderrohr und Kolbenstange paarweise auf Werkstückträgern in Position gebracht, hinten kommen fertige, qualitätsgeprüfte und individuell gekennzeichnete Hydraulikzylinder heraus. Weber-Hydraulik hat die Anlage entwickelt, gebaut und dabei auf den Kommunikationsstandard IO-Link gesetzt.

Lag der Schwerpunkt bis vor wenigen Jahren noch vorwiegend im Bereich des Vorrichtungs- und Betriebsmittelbaus, betrat Weber-Hydraulik mit dem Bau eigener Produktionsanlagen Neuland. «Im Jahr 2013 haben wir uns das Ziel gesteckt, die Montage unserer Hydraulikzylinder effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten. Wir planten eine teilautomatisierte Fertigungslinie, auf der wir mit geringen Umrüstzeiten rund 25 unterschiedliche Zylindertypen fahren können», erläutert Nikolai Wengel, Abteilungsleiter Vorrichtungs- und Anlagenbau. An konstruktiver Expertise sowie an einer Vorstellung vom Anlagenaufbau mangelte es nicht. Gleichwohl wurde deutlich, dass im Feld eine Vielzahl anzuschliessender Sensorik und Aktorik erforderlich sein würde, um Zylinderrohr und Kolbenstange weitestgehend automatisiert durch den Montageprozess zu schleusen.

Einfache Anbindung an Prozessebene 

Mit Balluff verbindet Weber-Hydraulik seit langem eine enge Partnerschaft. Es lag also nahe, in Sachen Anbindung der Prozessebene die Automatisierungsexperten aus Neuhausen bei Stuttgart um Rat zu fragen. Herbert Frank, Area Sales Manager bei Balluff, kennt Weber-Hydraulik seit Jahren und verstand sofort, worauf es bei dieser Anlage ankommt: «Gemeinsam sind wir den Entwurf durchgegangen, haben Fragen und offene Punkte geklärt, Abläufe optimiert und Details geändert. Für mich war klar: Das ist ein Fall für IO-Link!»

Für Weber-Hydraulik war IO-Link Neuland. «Die einfache Art der Verkabelung, der modulare Anlagenaufbau, das simple Zusammenfügen einzelner Segmente, die Zeit und Kosten sparende Installation und Inbetriebnahme sind Argumente, die überzeugen», stellt Nikolai Wengel fest. In der Anlage sind fünf magnetorestriktive Positionsmesssysteme, zwei Ultraschall-, acht Drucksensoren, mehrere Induktiv- und Magnetfeldsensoren, neun IO-Link-Sensor-/Aktorhubs, zwölf RFID-Schreib-Leseköpfe, sechs Netzwerk-Module für Profinet und sieben Signalleuchten vom Typ Smartlight im Einsatz. Diese sind allesamt über das standardisierte Dreidrahtkabel über IO-Link angebunden.

Montageprozess 

Anhand der im Chip des Werkzeugträgers gespeicherten Informationen erkennt das RFID-Lesegerät am Eingang zur Anlage, welcher Zylindertyp in die Anlage fährt. Dem entsprechend sind die auszuführenden Aufgaben und erforderlichen Montageteile eindeutig definiert. An der ersten Station werden Gelenklager von Hand auf eine Zuführschiene gesetzt. Die Signalleuchte Smartlight signalisiert dem Werker den Status der Station: Automatik-/Handbetrieb, alles OK, Störung, Bedienereinsatz erforderlich, bitte nachfüllen und vieles mehr. Das Besondere an Smartlight: Via IO-Link ist sie frei programmierbar, Farben und Zonen sind nicht fest zugewiesen. Nach Bedarf lassen sich Segment-, Level-, Lauflicht- sowie Fleximodi mit einem breiten Farbspektrum darstellen.

Eine hydraulische Vorrichtung presst die Gelenklager vollautomatisch in das Auge von Zylinderrohr und Kolbenstange. Positionssensoren überwachen die Ausgangslage, ein Drucksensor den korrekten Einpressdruck, das Ergebnis wird an die Rechnerebene übermittelt und dokumentiert. Über ein Rollenband gelangt das Doppel aus Zylinderrohr und Kolbenstange zu aufeinander folgenden Hand- und Montagestationen: Ein Bediener legt Führungsringe, Buchsen und Lager ein. Mit einem Magnetgreifer dreht er das Rohr, eine Kamera kontrolliert, ob sämtliche Teile korrekt verbaut sind. Ist alles in Ordnung, werden Zylinderrohr und Kolbenstange dauerhaft zusammengefügt. Wegmesssysteme von Balluff überwachen die korrekte Position des Zylinderrohres im Montageprozess. Ein Werker arretiert den Springring von Hand in seiner finalen Endposition und verschliesst den Stopfen.

Die nachfolgende automatisierte Hydraulik-Station prüft jeden Zylinder mittels einer Nieder- und Hochdruckmessung bis 275 bar auf Qualität und Funktionsfähigkeit. Treten Unregelmässigkeiten oder gar Undichtigkeiten auf, wird dies im RFID-Chip vermerkt und der Zylinder als NIO-Teil aussortiert. Am Ende des Prozesses bringt ein Laser unter anderem aus Gründen der Rückverfolgbarkeit eine individuelle Seriennummer auf. Abschliessend prüft ein RFID-Lesekopf, ob der Werkstückträger tatsächlich ein IO-Teil transportiert.

Intelligente Fertigung mittels RFID 

Die bei Weber-Hydraulik realisierte Anlage repräsentiert in weiten Teilen das, was unter intelligenter Fertigung verstanden wird: Die im Werkstückträger sitzenden RFID-Chips sind mit jenen Informationen ausgestattet, die an den jeweiligen Montagestationen benötigt werden: Um welchen Typ von Hydraulikzylinder handelt es sich? Welche Arbeitsschritte, welche Teile sind erforderlich? Welcher Hub ist bei der Endprüfung entscheidend? Steht ein neuer Zylindertyp zur Montage an, muss die Anlage nicht erst komplett leergefahren werden: Über zentral hinterlegte Parameter-Rezepte ist Sensorik und Aktorik on-the-fly umgestellt. «Mit IO-Link haben wir einen Standard, der flexibel und in keinem Punkt oversized ist. Balluff hat uns und unsere Belange sehr ernst genommen und mit uns eine Lösung entwickelt, die zukunftsweisend ist», fasst Nikolai Wengel zusammen.