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10.01.2020

Filigranes Kraftpaket

Hochwertige mechanische Uhren sind edle Schmuckstücke mit einem komplexen Innenleben. Um diese Wunderwerke der Handwerkskunst herzustellen, müssen zahllose Einzelschritte auf raffinierte Art ineinandergreifen. Das Zusammenfügen der Uhren findet heute häufig an Montagestationen

Hochwertige mechanische Uhren sind edle Schmuckstücke mit einem komplexen Innenleben. Um diese Wunderwerke der Handwerkskunst herzustellen, müssen zahllose Einzelschritte auf raffinierte Art ineinandergreifen. Das Zusammenfügen der Uhren findet heute häufig an Montagestationen statt, welche die hochqualifizierten Uhrmacher mit halbautomatisierten Abläufen unterstützen. Beim Transport der wertvollen Uhrwerke sorgen Motoren von FAULHABER für feinfühlig-sanfte Abläufe.

Mechanische Uhren sind eigentlich ein Anachronismus, denn zur Zeitmessung werden sie nicht mehr wirklich gebraucht. Dennoch gibt es eine ungebrochene Nachfrage. Viele Käufer streben nicht nur nach einem prestigeträchtigen Armschmuck, sondern empfinden auch eine tiefe Wertschätzung für die besondere Raffinesse der Feinmechanik ihrer Zeitmesser. Deren Grundlage ist die hochentwickelte Handwerkskunst, die vor allem in der Schweiz über Jahrhunderte von Generation zu Generation weitergegeben wurde. Dort sind die meisten Manufakturen mit den großen Namen der Branche zu finden.

Cluster für Spitzentechnologie

Diese Hersteller fertigen ihre Produkte inzwischen in Stückzahlen, die ein reiner Handwerksbetrieb – ein Uhrmacher baut die ganze Uhr von A bis Z – nicht bewältigen könnte. Die wichtigen Arbeitsschritte werden zwar weiterhin durchweg von Hand ausgeführt, doch sie sind arbeitsteilig in verschiedene Prozesse unterteilt. Die Facharbeiter werden bei manchen Schritten von Maschinen unterstützt, die den Ablauf bis zu einem gewissen Grad automatisieren.

Eine solche Maschine ist die Montagestation (frz. poste d’assemblage) von Precitrame Machines. Das Schweizer Unternehmen hat seinen Sitz auf rund 900 Meter Seehöhe in Tramelan, einer Kleinstadt im Berner Jura, in unmittelbarer Nachbarschaft zu einigen der bekanntesten Uhrenhersteller der Welt. Die Region ist zugleich ein typisches Cluster von Hidden Champions für Feinmechanik, Mechatronik und Maschinenbau. Dutzende von Unternehmen, die mit der Uhrenherstellung zu tun haben, aus ihr heraus entstanden sind oder unter anderem auch ihr als Zulieferer dienen, sind dort in engem Umkreis beheimatet. Sie zeichnen sich durch dieselben Attribute aus wie die bekannten Uhren-Namen: höchste Qualität der Produkte und in ihrem jeweiligen Bereich Weltspitze in der Technologie.

Precitrame produziert Maschinen für Rundtakt-Transfer und Finishing für feinmechanische Produktion jeder Art sowie die besagte Montagestation für die Uhrenherstellung. Bei geschlossenem Gehäuse dieser Maschine sieht man eine Arbeitsfläche, die vorne in der Mitte eine kleine, runde Aussparung enthält. Dort bekommt der Uhrmacher das Uhrwerk angeliefert, um den nächsten Montageschritt auszuführen. Ist dieser beendet, legt er es dort wieder ab. Das Werkstück wird nun unter der Abdeckung weitertransportiert, während er das nächste zur Bearbeitung präsentiert bekommt.

Minifabrik unter dem Gehäuse

Unter der Abdeckung befindet sich etwas, das wie die Miniaturversion einer Montagefabrik aussieht. Zahlreiche Förderbänder verlaufen dort nebeneinander. Die Werkstücke werden von diesen hin- und hergefahren, passieren eine Reihe von Weichen und können dabei unterschiedliche Wege nehmen, je nachdem welcher Arbeitsschritt am Los gerade durchgeführt wird.

Alle Uhrwerke gelangen jedoch in einen Lader (frz. chargeur) im hinteren Bereich der Station, der sie vom Förderband hebt und einem automatisierten Vorgang zuführt. Der kann etwa daraus bestehen, dass ein mikroskopisch feiner Tropfen Öl an einer bestimmten Stelle aufgebracht wird. Vor allem ist diese Einheit aber für die Qualitätssicherung zuständig. Hier wird mit ausgefeilten Systemen nachgemessen, ob die Montagevorgänge mit der gewünschten Präzision gelungen sind.

Mit optischen und akustischen Messgeräten werden zum Beispiel Gang und Amplitude des Regelorgans vermessen oder die Vollständigkeit der Komponenten überprüft. Die Messdaten werden automatisch erfasst und mit dem Bussystem CANopen weitergeleitet. Ein kleiner QR-Code auf dem Werkstückträger erlaubt ihre Zuordnung zur einzelnen Uhr. So entsteht eine vollständige Dokumentation der an dieser Station vollzogenen Montageschritte, für jedes einzelne Uhrwerk.

Sanfte Beschleunigung

Vom Förderband heben und einem Prozessschritt zuführen – das hört sich einfach an. Doch dieser Vorgang stellt eine ganze Reihe von Herausforderungen an die Technik. Die filigranen Uhrwerke liegen lose in ihren flachen Trägern. Bei einer ruckartigen Bewegung könnten sie herausfallen, beschädigt werden und den Prozessablauf durcheinanderbringen. Zugleich sind – im Verhältnis zu den kleinen Dimensionen, in denen sich hier alles bewegt – beträchtliche Wege zurückzulegen. Der vertikale Hub des Laders etwa beträgt gut 20 Zentimeter. Seine Arbeit soll die Taktzeit der gesamten Maschine natürlich nicht verzögern. Also ist es nicht damit getan, die einzelnen Abläufe schön langsam und damit im sicheren Bereich durchzuführen.

Zudem sind drei Abläufe präzise zu synchronisieren: Die Transportpalette mit dem Werkstückträger wird auf einer horizontalen Achse zum Greifer befördert. Dieser fasst den Träger und wird vertikal nach oben geführt. Dort angekommen, fährt der Greifer wieder horizontal zur Messstation, wo die vorgesehene Routine abläuft. Für jede dieser Bewegungen wird ein genau abgestimmtes Profil benötigt: langsam anfahren, sanft beschleunigen, vorsichtig bremsen und den Vorgang erneut in langsamem Tempo beenden. Für den Antrieb der drei Achsen hat FAULHABER eine maßgeschneiderte Lösung entwickelt.

Ihr Kernstück ist ein bürstenloser DC-Servomotor mit 4-Pol-Technologie der Serie 2250 BX4. Ein integrierter Encoder mit Hall-Sensor gibt ein präzises Positionssignal an die Steuerung und liefert damit die Grundlage für reproduzierbare Abläufe. Der Motor für die Vertikalachse verfügt zudem über eine Bremse, um nach der Beschleunigung auch die Verzögerung exakt regeln zu können. Bei einer Prozessstörung, etwa einem Stromausfall, hält sie zudem die gegebene Position und verhindert ein Herunterfallen des Greifers.

Drei Millionen Testzyklen

Eine eigens für diese Anwendung entwickelte Spindel mit besonders steilem Gewinde der FAULHABER-Tochter MPS überträgt die Kraft des Motors auf die gesamte Strecke. Das optimale Material für die Nuss, die auf der Spindel hin- und herfährt wurde in aufwendigen Dauertests ermittelt: Der hochstabile Kunststoff PEEK, der auch als Material für medizinische Implantate verwendet wird, hat sich in drei Millionen Zyklen am besten bewährt.

Für das Abfahren der einzelnen Bewegungen ist der Profilgenerator zuständig: eine Software, die im Servoantrieb der Motoren integriert ist. Die Parameter wurden von den FAULHABER-Experten direkt in Tramelan für diese besondere Anwendung optimiert. Der Servomotor 2250 BX4 ist der kleinste auf dem Markt, der diese komplexe Aufgabe übernehmen kann. Zugleich erfüllt er die anderen Anforderungen, welche die Montagestation an die Technologie stellt. Angesteuert wird er von einem MCBL 3002 S CO – ein äußerst kompakter Servocontroller für bürstenlose DC-Motoren.Ein weiterer MCDC 3002 S CO wird aufgrund seiner Kompaktheit als zusätzlicher CANopen Sensorknoten eingesetzt.Für die Horizontalachsen wurde der Motor 2232 BX4 COD verwendet. Hier ist die komplette Servoelektronik mit CANopen-Schnittstelle bereits im gleichen Durchmesser integriert – eine Besonderheit in der 22-Millimeter-Klasse.

.Die gesamte Maschine entspricht den Dimensionen, in denen diese Branche arbeitet und ist entsprechend kompakt bis filigran aufgebaut. Da bis zu drei Lader integriert werden müssen, wird der Platz noch knapper. Die Greifereinheit, die auf den drei Achsen bewegt wird, wiegt dennoch gut 600 Gramm. Vom Antrieb ist hier also Höchstleistung gefragt, bei minimalem Volumen. Precitrame und sein Endkunde freuen sich über die gute Zusammenarbeit mit dem Antriebslieferanten: „Die Experten von FAULHABER haben mit großem Einsatz an der Entwicklung dieser Lösung gearbeitet. Neben dem hervorragenden Produkt haben wir auch optimale technische Unterstützung erhalten. Sie haben dazu beigetragen, dass unsere Montagestation ein Erfolgsmodell wurde.“