Ein RFID-System identifiziert die richtigen Werkzeuge

Ein Katalysator besteht beim Pkw wie beim Lkw aus drei Haupt-Einheiten: einem monolithischen Keramikblock (Mono), einer Fasermatte, die den Mono umhüllt und einem metallischen Außenrohr. Die großen Fahrzeughersteller montieren diese drei Grundelemente und je nach Katalysatortyp weitere Bauteile selbst in ihren Werken zum Katalysator zusammen. Monoblöcke, Fasermatten und Rohre werden zugeliefert.

Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren zur Montage von Katalysatoren: Hardstuffing und Softstuffing. Beim Hardstuffing wird ein Monoblock mit Fasermatte unter Druck in ein zuvor auf Maß geweitetes Rohr geschoben. Beim Softstuffing hingegen wird der Monoblock mit Fasermatte locker in ein Außenrohr geschoben und dann das Außenrohr auf des Zielmaß gestaucht (oder geshrinkt). Die Montage von Katalysatoren mit beiden Verfahren in einer automatisierten Fertigungszelle ist hochkomplex. Auch deshalb wenden sich viele namhafte Fahrzeughersteller an den Sondermaschinenbauer Kirschenhofer aus dem schwäbischen Nersingen-Straß bei Neu-Ulm. Auf einer jüngst gefertigten Montageanlage für die Katalysatoren eines großen Lkw-Herstellers werden bis zu 60 verschiedene Katalysatortypen gefertigt. Die Kats sind unterschiedlich groß, im Querschnitt rund, oval oder polygon und werden zudem im Hardstuffing- oder Softstuffing-Verfahren hergestellt. Die Anlage muss also extrem flexibel sein, um alle Varianten ohne Umrüstzeiten fertigen zu können.

Zudem muss für jeden Katalysator auch nach zehn oder mehr Jahren noch nachvollziehbar sein, welche Charge Rohre, Fasermatten und Monoblöcke darin verbaut wurde. So lassen sich Kosten und Imageschäden durch eventuelle Rückrufaktionen auf ein Minimum begrenzen. Produktionsfehler vermeidet und erkennt die Maschine schon während des Fertigungsprozesses. So werden beispielweise die Monoblöcke auf Abplatzungen und Schäden an den Kanten überprüft und defekte Teile ausgeschleust. Für das Hardstuffing-Verfahren müssen die Rohre auf das Zielmaß aufgespreizt werden. Je nach Geometrie des späteren Katalysators werden dafür verschiedene Werkzeuge in eine Maschine gespannt und meistens nach einem Produktionslos gewechselt. Bei Losen zwischen 200 und 1000 Katalysatoren und einem Produktionstakt von rund einem Kat pro Minute geschieht das mehrmals am Tag. Da der Kunde die Werkzeuge in einem zentralen Hochregallager lagert, wo sie auch für den Einsatz in anderen Maschinen bereitgehalten werden, wünschte er eine automatisierte Identifikation der Werkzeuge. „20 verschiedene Werkzeuge sind beim Kunden im Einsatz“, erklärt Thomas Schön, Programmierer bei Kirschenhofer. „Auf dem RFID-Datenträger ist die ID-Nummer des jeweiligen Werkzeugs hinterlegt. Die Maschine überprüft anhand der ID-Nummer, ob das richtige Werkzeug eingelegt wurde und gibt erst danach das Aufspreizen des Rohres frei.“ Bei 30 bis 60 Tonnen Kraft, die die Maschine ausübt, würde ein falsches Werkzeug enormen Schaden und hohen Produktionsausfall verursachen.

Die Werkzeugidentifikation leistet Turcks RFID-System BL ident. Dazu befinden sich an den Werkzeugen Datenträger vom Typ TW-R30-M-K2, die ins Metall eingelassen sind. An den Werkezugaufnahmen sind Turcks kompakte HF-Schreibleseköpfe TN-Q14 angebracht. „Die RFID-Reader von Turck haben wir wegen ihrer kompakten Bauform gewählt“, sagt Craig Craill, Leiter Elektrik bei Kirschenhofer. Der Q14 ist nur 14 Millimeter hoch und bietet trotzdem einen maximalen Schreibleseabstand von bis zu 72 Millimetern. In der Metallumgebung fällt die Reichweite zwar kürzer aus, reicht aber immer noch aus, um den Schreiblesekopf vor Kollisionen mit dem Werkzeug zu schützen.

Ein anderer Maschinentyp von Kirschenhofer, der in mehr als zehnfacher Ausführung bei einem großen deutschen Automobilhersteller steht, überprüft auch den Rohrdurchmesser nach dem Aufspreizen und vergleich diesen mit den auf dem Datenträger hinterlegten Toleranzwerten. Der Vorteil dieser Zusatzoption ist, dass die Maschine so auch den Verschleiß eines Werkzeugs, Materialfehler oder eine Fehlbedienung beim Aufspreizen erkennt. Die Maximal- und Minimaldurchmesser des Rohrs sind auch in der aktuellen Anlage für Lkw-Katalysatoren auf dem Tag hinterlegt. Sollte diese Funktion nachgefragt werden, ließe sie sich daher leicht nachrüsten.

Die leeren und vollen Rohre werden in der Anlage von Roboter-Greifern zwischen zwei Bearbeitungsstationen transportiert. Abhängig davon, ob das Rohr leer oder gefüllt ist, muss der Pneumatikgreifer unterschiedlichen Druck aufwenden. Ein leeres Rohr darf der Roboterarm mit Pneumatikgreifer nur mit 2,5 bar anfassen, um es nicht zu zerdrücken. Der Roboter bringt das Rohr zur Einschiebestation, wo es mit einem Monoblock mit Fasermatte gefüllt wird. Danach wiegt es rund 20 Kilogramm und muss mit sechs bar gegriffen werden, damit es nicht aus dem Greifer fällt.

Die Kommunikation der entsprechenden Analogwerte an das Pneumatikventil läuft über Turcks kompaktes Profinet-Block-I/O TBEN-S2-4AO. Das IP67-Modul ist direkt auf dem Roboterarm montiert und gibt die Werte von der Steuerung zum Ventil weiter. Ein TBEN-S2-4AI-Modul mit Analogeingängen gibt die Analogwerte des Pneumatikventils zurück an die Steuerung. „Früher haben wir alles einzeln verkabelt. Das war ein riesiger Schlauch mit Leitungen und viel Verdrahtungsarbeit. Heute haben wir nur noch ein Profinet-Kabel und eine Spannungsversorgung. Außerdem ist die heutige Lösung viel wartungsfreundlicher. Wenn der Kunde ein Problem hat, schalten wir uns drauf und können genau sehen, was vorliegt“, sagt Craig Craill mit Blick auf das eingesetzte TBEN-S-Modul von Turck. Ein weiterer Robotergreifer muss lediglich gefüllte Rohre transportieren und kommt daher auch mit I/O-Modulen mit digitalen Ein-/Ausgängen aus. Kirschenhofer setzt hier die universellen TBEN-S1-8DXP ein, deren acht Kanäle als Ein- oder Ausgang genutzt werden können. „Das Problem bei anderen I/O-Modulen in dieser Bauform ist, dass sie keine eigene IP-Adresse haben, sondern über einen internen Bus angesprochen werden. Außerdem kann ich das Turck-System ohne großen Aufwand beliebig erweitern“, beschreibt Craill die Unterschiede zwischen TBEN-S und alternativen Produkten. Turcks Multiprotokoll-TBEN-S-Module sprechen drei Industrial-Ethernet-Protokolle und lassen sich daher nicht nur in Profinet einsetzen, sondern auch in Ethernet/IP und Modbus TCP.

Craig Craill wartet schon gespannt auf die jüngst vorgestellten TBEN-S2-RFID-Module. Sie können bis zu 32 adressierbare Schreibleseköpfe im sogenannten Bus-Mode in Linientopologie anbinden. Das reduziert den Verdrahtungsaufwand von den Schreibleseköpfen zum RFID-Interface. Außerdem werden weniger Ports benötigt, was wiederum Kosten und Platz spart. aru n