Schlaglöcher, Bodenwellen, Geröllpisten: Pick-ups wie der VW Amarok müssen hart im Nehmen sein. Um Stabilität in jeder Art von Gelände zu gewährleisten, setzt Volkswagen auf robuste Leiterrahmen. Gefertigt werden diese für das VW-Werk in Hannover vom Umform- und Fahrwerksspezialisten Gestamp. In dessen Bielefelder Werk sorgt u. a. eine vollautomatische Schutzgas-Schweißanlage von Kuka Systems für hohe Qualität und Prozesssicherheit.
Der Autor: Markus Keese, Projektleiter, Kuka Systems, Augsburg
Der VW Amarok ist weltweit beliebt. Eine tragende Rolle bei sicheren Fahrten abseits der Straße spielt der Leiterrahmen. Er ist das Kernstück zwischen Karosserie und Fahrwerk und garantiert die nötige Stabilität. Im Juni 2014 übernahm die Gestamp Umformtechnik Bielefeld die vollautomatische Fertigung des Leiterrahmens für die VW-Produktion in Hannover.
Partner für effiziente Automatisierung
Bei der Auslegung seiner Fertigungsstraße setzte Gestamp auf das Engineering-Know-how von Kuka Systems. Als Generalunternehmer für die Schutzgas-Schweißanlage sollte der Augsburger Automationsspezialist eine effiziente Produktion des Amarok-Leiterrahmens sicherstellen. Neben sorgfältiger Konstruktions-, Fertigungs- und Aufbauplanung umfasste das Projektmanagement seitens Kuka auch die detaillierte und eng mit allen Partnern abgestimmte Terminplanung und -kontrolle. Die Projektsteuerung sah außerdem vor, dass die Bauteile und Vorrichtungen aller Untergruppen und Anbauteile in Masterzellen bei Kuka in Augsburg erprobt wurden.
Gemeinsam mit Gestamp wurden Abnahmen und Prozessprüfungen durchgeführt. Diese stellten sicher, dass alle Komponenten die hohen Qualitätsanforderungen erfüllten – und zwar bereits vor ihrer Auslieferung. Nahezu parallel wurde in Bielefeld mit dem Aufbau von Standardzellen – noch ohne Vorrichtungen – begonnen. Auch die Verkettungen und die Hauptlinie mit den geometriebestimmenden Stationen (GEO-Linie) wurden in dieser Zeit errichtet.
Von der Idee bis zur Anlage
Auf einer Gesamtfläche von maximal 3000 m2 galt es, jedes Stück Fläche optimal für die Produktion und Logistik zu nutzen. Gemeinsam mit Gestamp identifizierten die Kuka-Konstrukteure jeden benötigten Produktionsschritt, planten dann die notwendigen Arbeitsabläufe und brachten mit einer darauf abgestimmten Stations- und Linienaufteilung alle Anforderungen zusammen: In 14 weitestgehend standardisierten Schweißstationen mit jeweils einem Bauteileinlegeplatz und zwei Vorrichtungen werden die Untergruppen des Leiterrahmens – Längsträger, Querträger und Anbauteile – gefertigt. Alle Bauteile werden dabei von Doppelwende-Positionierern in die ergonomisch bzw. prozesstechnisch günstigste Stellung gebracht, sodass Werker bzw. Roboter jederzeit optimal auf die Bauteile zugreifen können. Die fertigen Längs- und Querträger werden dann über Linienportale vollautomatisiert abgeholt. In einer hochautomatisierten GEO-Linie mit neun Bearbeitungsstationen werden die diversen Untergruppen dann maßlich korrekt zusammengefügt und bearbeitet.
Die Gestamp-Fachleute beherrschen die Produktion hochwertiger Fahrwerkskomponenten und bauen auf ein langjähriges Prozess-Know-how. Gemeinsam mit Kuka diskutierten und bewerteten sie insbesondere alle bauteilberührenden und -verarbeitenden Aufgaben und Lösungen. Die so vereinbarten zielgerichteten Ergebnisse bildeten die Grundlage für die darauf folgenden Detailkonstruktionen.
In dieser Reengineering-Phase wurden alle peripheren Bedingungen, Prozessnotwendigkeiten und Produktionsschritte virtuell getestet, validiert und optimiert. Dazu gehörte etwa, die Bewegungsabläufe der einzelnen Roboter zu untersuchen, um Kollisionen zu vermeiden und um sicherzustellen, dass die Reichweite und Zugänglichkeit auch im Rahmen der hohen Prozessanforderungen stimmte. Mittels dieser RobCad-Simulationen ließen sich die roboterautomatisierten Schutzgasschweißaufgaben bereits vor Inbetriebnahme offline programmieren.
Bewährte und durchgängige Technik
Der fertige Amarok-Leiterrahmen ist 230 kg schwer, fast 5 m lang und knapp 1,5 m breit. Weit über 200 Einzelteile aus Stahl müssen dafür verbaut werden. Für Kuka als Systemintegrator eine besondere Herausforderung, da nicht alle Bauteile für einen automatischen Fügeprozess von Haus aus geeignet waren. Gefragt waren optimal aufeinander abgestimmte Lösungen, die fahrzeugspezifische Gegebenheiten – wie z. B. sehr große Bauteile mit langen Schweißnähten – berücksichtigen und dabei einen hohen Qualitätsstandard einhalten. So mussten unter anderem auch geringe Spaltmaße und hohe Anforderungen an die Prozessparameter berücksichtigt werden.
In Bielefeld werden Handlingsroboter mit einer Traglast bis 500 kg eingesetzt. Hinzu kommen eine Vielzahl an Schweißrobotern, die mit dem Kuka-Funktionspaket KS Arctec ausgerüstet sind. Speziell für das Schutzgasschweißen mit Robotern entwickelt, integriert KS Arctec aufeinander abgestimmte Hardware wie Brenner, Drahtzuführung und Schweißstromquelle. Ein großer Vorteil: Schnelle Umorientierung und heftige Schlauchpaketbewegungen stellen für die Drahtzuführung kein Problem dar. Zudem gewährleisten vier angetriebene Rollen eine stabile und gleichmäßige Drahtförderung. Die Drahtgeschwindigkeit lässt sich dynamisch durch die dezentrale Antriebstechnik regeln. Durch den nachhaltigen, automatisierten und überwachten Schweißprozess wird eine stabile und gleichmäßige Verbindung erzielt – eine wichtige Eigenschaft für Fügeaufgaben wie beim Amarok-Leiterrahmen mit einer Gesamt-schweißnahtlänge von ca. 80 m.
Präzise Steuerung
Zum ersten Mal wurde in einer Schutzgasanlage der noch relativ neue Kuka-Steuerungsstandard miKuka eingesetzt. mi ist die Abkürzung für machine interface und steht für die enge Anbindung an den Maschinenbau: Informationen zum Maschinenstatus werden transparent dargestellt und standardisierte Funktionen erleichtern die Bedienung. Mit miControl und miView als integralen Bestandteilen des Kuka-Steuerungsstandards erhalten Anwender bewährte und getestete Programmbausteine (miControl) auf Basis der Siemens-Steuerung S7. Hinzu kommt ein komfortables Bediensystem (miView).
Komplexe Technik auf engem Raum
Die räumliche Beschränkung beim Materialtransport wird über drei bis zu 75 m lange Linearportale hoch über den Produktionszellen ausgeglichen. Daran entlang bewegen sich zwölf Fahrwagen, die teilweise mit Dreheinheiten ausgerüstet wurden. Außerdem galt es, eine komplexe Logik zu befolgen. So mussten die 13 verschiedenen Zusammenbauten für Längs- und Querträger zeitlich korrekt und mit nur vier Fahrwagen zu platzoptimierten Speicherstationen transportiert werden. Als ablauftechnisch und räumlich komplex gestalteten sich auch die um 180° gedrehten Positionen des kompletten Leiterrahmens in einigen GEO-Stationen, um in diesen Stationen eine weitere Puffermöglichkeit zu schaffen.
Kommt es in nachgelagerten Bereichen zu Störungen, wird der stationsfertige Rahmen in Querposition gedreht. Dadurch entsteht ausreichend Platz in der Station, um einen weiteren Rahmen einfahren und bearbeiten zu können.
Die von Kuka realisierte Lösung für den Zusammenbau sieht vor, dass die Längs- und Querträger über zwei Portale zu einer Zwischenpufferstation gebracht werden, die die GEO-Linie mit den Untergruppenzusammenbauten versorgt. Nachfolgend werden in der GEO-Line in einer Station zunächst alle Längsträger-Untergruppen inklusive Verstärkungsteile verbaut. In einer weiteren Ladestation werden dann die zusammengeschweißten Längsträger und die sieben Querträger mit einem Multigreifer eingelegt und vorpositioniert.
Nach der GEO-Linie warten in dem Finish- Bereich vielfältige Zubring- und Abholaufträge auf einen 500-kg-Roboter, der auf einer Linearachse montiert ist. Dieser Roboter muss den 230 kg schweren Leiterrahmen zwischen Puffer-, Stanz-, Mess- und den Sichtkontrollstationen bis zur Abgabe an ein Power-and-Free- Fördersystem bewegen. Es dauert nur wenige Minuten, bis ein Rahmen fertig gefügt und so bearbeitet ist, dass er in einer Anlage zur kathodischen Tauchlackierung (KTL) beschichtet werden kann.
Kuka Systems GmbH, Tel.: 0821 797-0, info@kuka.de
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