Elektrozylinder Ein Antrieb für Positionierung und Kraft

Autor / Redakteur: Raimund Bauer / Stefanie Michel

Verdichter in Turboladern werden von Elektromotoren angetrieben. Für die Fertigung solcher Motoren hat Riedmayer Engineering & Maschinenbau halbautomatische Fertigungszellen entwickelt, in denen alle Prozesse rein elektrisch angetrieben werden. Die Positionierung sowie das Fügen der Werkstücke übernehmen dabei elektrische Zylinder.

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Elektrische Zylinder von SMC übernehmen in einer Fertigungszelle sowohl die Positionierung der Bauteile als auch den prozessüberwachten Schubbetrieb.
Elektrische Zylinder von SMC übernehmen in einer Fertigungszelle sowohl die Positionierung der Bauteile als auch den prozessüberwachten Schubbetrieb.
(Bild: SMC)
  • Für die Fertigung von Elektromotoren für Turbolader hat Riedmayer zwei Montage- und Biegestationen mit elektrischen Achsen entwickelt.
  • Bisher kamen selbst konstruierte Linearantriebe zum Einsatz. Nun sollte ein Zulieferer eine Komplettlösung liefern, die dynamisch positionieren und für einen kraftvollen Schub sorgen kann.
  • SMC setzte diese Vorgaben mit seinen LEY-Antrieben mit Schrittmotor und passenden Controllern um.

Turbolader sorgen für mehr Leistung in Verbrennungsmotoren, indem sie die Ansaugluft verdichten und so den Sauerstoffgehalt in den Zylindern steigern. Heute wird der Verdichter oft nicht nur vom Abgasstrom, sondern auch von einem Elektromotor angetrieben. Dessen Leistungselektronik muss die hohen Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie erfüllen – eine reibungslose und präzise Produktion ist dafür elementar. Riedmayer Engineering & Maschinenbau hat zur Fertigung solcher Antriebsmotoren halbautomatische Fertigungszellen entwickelt, in denen alle Prozesse rein elektrisch angetrieben werden. Die optimale Positionierung sowie das Fügen der Werkstücke übernehmen dabei elektrische Zylinder der Serie LEY von SMC.

Autofahrer erwarten von modernen Verbrennungsmotoren mehr Effizienz ohne Kompromisse bei der Leistung. Ein oft genutzter Weg, dies zu realisieren, ist die Turboaufladung von Motoren. Dabei wird dem Motor ein Turbolader vorgeschaltet, der die Ansaugluft komprimiert und so mit Sauerstoff anreichert. Dies steigert nicht nur die Effizienz der Verbrennung im Motor, sondern auch ihre Leistungsfähigkeit. Neben dem Abgasstrom treiben heute auch integrierte Elektromotoren den Turbolader an, deren Spulen für maximale Leistung präzise ins Gehäuse gesetzt und elektrische Kontakte akkurat gebogen werden müssen. Die Sondermaschinenbauer von Riedmayer haben dafür zwei Montage- und Biegestationen entwickelt. Für die benötigte, frei programmierbare Präzision sorgen elektrische Zylinder der Serie LEY und passende Controller von SMC.

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Entwicklung, Konstruktion und Fertigung – die Riedmayer Engineering & Maschinenbau GmbH bringt viel Know-how in allen drei Bereichen mit. Die 2003 in Friedrichshafen gegründete Firma hat sich auf den Sondermaschinenbau spezialisiert und realisiert individuelle Lösungen für ihre Kunden. Dabei konstruieren und fertigen die acht Mitarbeiter Maschinen für Automotive, Luft- und Raumfahrt, Lebensmittel, Konsumgüter oder Marine komplett im eigenen Haus.

Spulen einbauen, Kontakte biegen – und das hochpräzise

Elektroantriebe für Turbolader enthalten je nach Leistungsausführung unterschiedliche Spulen. Sie müssen punktgenau in das Motorgehäuse montiert werden, um die maximale Leistung zu erreichen. Für einen langfristig reibungslosen Betrieb des Motors müssen auch die Anschlusskontakte akkurat in Form gebogen werden. Riedmayer hat dafür halbautomatische Montage- und Biegestationen konstruiert. Sie übernehmen die Montage der einzelnen Spulen sowie das präzise Biegen der Kontaktfahnen. Beide Anlagen unterscheiden mehrere Produktvarianten. Diese werden automatisch erkannt und die entsprechenden Parameter über die SPS mit den Controllern von SMC abgeglichen.

Um kostengünstig hohe Stückzahlen herzustellen, sind reproduzierbare und schnelle Prozesse erforderlich. Dies hat Riedmayer mit einer besonders effizienten Steuerung realisiert: Ein Werker muss lediglich die zu montierenden Teile in die Aufnahmen legen – bereits mit dem Verschließen der Zelle startet dann der Automatiktakt und heizt die Statorgehäuse induktiv auf.

Positionier- und Kraftmodus in einem Antrieb

Mehrere elektrische Achsen treiben die beiden Stationen von Riedmayer an.„Wir benötigen sehr schnelle und gleichzeitig flexibel und präzise positionierbare Lösungen, um die Prozessgenauigkeit zu realisieren, die die Automobilindustrie fordert“, erklärt Geschäftsführer Sigurd Riedmayer. Bisher kaufte das Unternehmen die Controller für seine selbst konstruierten Linearantriebe zu. „So hatten wir die volle Kontrolle über die Parameter, brauchten aber sehr viel eigene Arbeitszeit, die unsere Konstrukteure mit anderen kritischen Aufgaben verbringen könnten“, erläutert Riedmayer.

Deshalb suchte man einen Zulieferer, der eine Komplettlösung realisieren kann. Das Besondere daran war eine weitere Anforderung: Neben einer dynamischen Zustellung wird zum Biegen der Kontakte und Fügen der Spulen ein besonders kräftiger und prozessüberwachter Schubbetrieb benötigt. Was also normalerweise zwei unterschiedliche Antriebe umsetzen – einmal Positionier- und einmal Kraftmodus – musste jetzt ein Bauteil bewerkstelligen. Kompakte Maße und eine modulare Anordnung der Motoren waren ebenfalls elementar. Diese Anforderungen erfüllt SMC mit seinen LEY-Antrieben mit Schrittmotor sowie passenden Controllern mit Profinet-Schnittstelle zur Integration in die übergeordnete Steuerung der Anlage.

Werkzeuge, Werkstücke und Gegenhalter präzise transportieren

Die Spulenmontage basiert auf mehreren Prozessschritten:

  • Zunächst legt der Werker das leere Motorgehäuse und sechs lose Spulen in ihre jeweiligen Aufnahmen. Diese sind nach dem Poka-Yoke-Prinzip aufgebaut und erlauben so eine fehlerfreie Bestückung sowie Verarbeitung.
  • Im Automatikzyklus fährt eine vertikale Achse das Motorgehäuse in einen Induktor, der es aufwärmt und damit aufweitet. Zeitgleich bringt der horizontale Antrieb eines Drehtellers die sechs Spulen in Fügeposition.
  • Nach wenigen Sekunden ist das Motorengehäuse bereit und die vertikale Achse fährt es unter die positionierten Spulen. Die ausgeklügelte Konstruktion der Spulenaufnahmen ermöglicht eine direkte Übergabe der Spulen in das Gehäuse.

Die vertikale Achse kontrolliert schließlich im Schubmodus die richtige Fügetiefe. Mit der fertigen Baugruppe fährt sie dann komplett zurück und legt diese auf einer Rollenbahn ab. In der Kontaktbiegestation kommen drei weitere elektrische Achsen zum Einsatz, die die Biegewerkzeuge und Gegenhalter bewegen sowie den Rüstzustand überprüfen. Anschließend gibt die SPS das jeweilige Biegeprogramm frei. Dieser Kontrollprozess senkt den Material-, Montage- und Verdrahtungsaufwand deutlich und reduziert zudem die Softwareanforderungen sowie Stillstandszeiten.

Antriebe genau positionieren

Neben elektrischen Antrieben und Controllern liefern die Automatisierungsexperten von SMC auch Know-how zum Projekt von Riedmayer. „Gemeinsam mit den Konstrukteuren von Riedmayer haben wir das Anlagenkonzept Schritt für Schritt optimiert“, sagt Rainer Schäfenacker, Product Application Manager Electrical Products bei SMC. „Riedmayer erhielt von SMC vorab eine komplette Probeeinheit aus Controller, Antriebsachse und Programmierkabel, die sie ausgiebig testen konnten.“ Die Schrittmotoren der Linearantriebe werden über einen geschlossenen Regelkreis kontrolliert. Rainer Schäfenacker: „So lassen sich die Antriebe jederzeit genau positionieren.“

Zudem sind die LEY-Antriebe echte Multitalente: Sie können schnell zwischen Positionier- und Kraftmodus umschalten und vereinen so die zwei Kernanforderungen von Riedmayer. Damit sparen sie Konstruktionsaufwand und halbieren die Anzahl der verwendeten Antriebe. Zusätzliche Sicherheit gibt die Motorbremse der Zylinder. Sie greift bei unerwarteten Maschinenstopps und fixiert die elektrischen Achsen auf ihrer aktuellen Position. Sparsam sind auch die eingesetzten JXCP-Controller. Sie brauchen nur wenig Platz im Schaltschrank und sind frei programmierbar, sodass sie schnell für den Einsatz mit einem beliebigen Antrieb parametriert werden können. „Das minimiert auch die Ersatzteilbereitstellung“, betont Schäfenacker. Das optimal aufeinander und auf die Anwendung abgestimmte Gesamtpaket reduziert die Kosten und den Zeitaufwand gegenüber der bisher genutzten Eigenproduktion deutlich.

Vielseitige elektrische Zylinder für Montageanwendungen

„Der freie Austausch von Know-how und die Kooperation bei der Konzeption der zwei neuen Montage- und Biegestationen haben uns überzeugt“, so Riedmayer. „Hinzu kommt der reibungslose Ablauf in der Konstruktions- und Inbetriebnahmephase.“ Damit ist eine vielseitige Lösung für die Riedmayer Engineering & Maschinenbau GmbH entstanden, die neben der Montage von Elektroantrieben für Turbolader auch bei anderen Applikationen zum Einsatz kommen wird, wie etwa bei der Montage von Pharma-Teströhrchen oder Aluminiumprofilen. Wichtig für den Maschinenbauer und seinen Kunden ist zudem, dass das internationale Service- und Supportnetz von SMC den Kunden weltweit sicher und schnell Ersatzteile liefert.

* Raimund Bauer ist Sales Engineer bei SMC Deutschland GmbH in 63329 Egelsbach, Tel. +49 6103 402-0, info@smc.de

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