Nahe Regensburg im bayerischen Elsendorf entsteht eine hochmoderne Anlage zur Fertigung der Türen für den neuen BMW X1. "Wir von BMW übernehmen anfangs die Regie, planen die Anlage, wählen die Lieferanten aus und bauen die Anlage komplett auf. Wenn alles läuft, übergeben wir sie an den Eigentümer – unseren Zulieferer Magna", berichtet Manfred Scheuerer, bei BMW für die Fertigungsplanung verantwortlich, und ergänzt: "Über dieses sogenannte Drittkundengeschäft setzen wir weltweit Produktions- und Qualitätsstandards."

Wie im Automobilbau üblich, übernehmen auch in der Türenproduktion Roboter weitestgehend die Arbeit. 76 Großserienroboter stehen in der riesigen Halle. Sie sind aufgeteilt auf vier Anlagen zur Produktion der zwei Vorder- und Rücktüren. Hier werden im Dreischichtbetrieb rund 700.000 Türen im Jahr aus den von Magna in Graz gefertigten Blechteilen mit Punktschweißzange und Klebepistole zusammengebaut.

Sieben Jahre lang soll die Anlage möglichst störungsfrei laufen. Da Roboter prinzipiell ohne Werkzeug angeboten werden, benötigen sie ein Versorgungssystem: Strom, Kühlwasser, Daten und Klebemittel müssen via Kabel oder Schlauch an den Werkzeugkopf geführt werden. Neben den standardisierten technischen Spezifikationen der Kabel und Schläuche für die jeweiligen Werkzeuge definiert BMW auch qualitative Anforderungen. Diese sind als Formel im Lastenheft hinterlegt und berechnen sich aus der maximal tolerierten Stillstandzeit der Anlage.

Eine Million Torsionszyklen

Volker Elbe, Vertriebsleiter bei dem auf die Adaption von Kabeln, Leitungen und Schläuchen zur Versorgung von Applikationswerkzeugen an Industrierobotern spezialisierten Unternehmen Robotec Systems, erklärt: "Die Belastung der Kabel- und Schlauchpakete ist zum einen von den Bewegungsradien der Roboterarme abhängig. Zum anderen lässt es sich bei Schweißrobotern nicht verhindern, dass der Abbrand zwischen Kabel und Schläuche gelangt und dort bei allen Bewegungen wie Schmirgelpapier wirkt. Das erhöht den Verschleiß zusätzlich und kann die Lebenszeit verkürzen. Doch in unserer internen Qualitätskontrolle müssen alle Produkte eine Million Torsionszyklen überstehen. Möglich wird das erst durch die Konstruktion und Materialzusammensetzung der verwendeten Kabel. So stellen wir sicher, dass unsere Systeme auch den hohen Anforderungen von BMW standhalten."

In der Produktionsplanung gilt es grundsätzlich, Überkapazitäten zu vermeiden. Anlagengröße und -design werden bei BMW deshalb mit Produktionsplanungssoftware vorab simuliert. "Ausgehend von der Jahresproduktion und der Taktzeit berechnen wir die Leistungsdaten für jeden einzelnen Roboter. Dazu benötigen wir Simulationsdaten für alle Teile, die der Roboter bewegen muss. Nur so können wir die Roboterleistung exakt auf die tatsächlichen Erfordernisse auslegen", erklärt Scheuerer und fügt hinzu: "Die Last addiert sich aus allen Teilen, die der Roboter in der vorgegebenen Taktzeit bewegen muss. Dazu zählt neben den Werkzeugen, dem Handling und dem Werkstück selbst das Energiezuführungssystem für die Werkzeuge."

Dieses besteht aus zwei Komponenten: Zum sogenannten 'Support' zählen erstens die Teile, welche die Schnittstelle zu den jeweiligen Industrierobotern bilden. Vorzugsweise sind diese Komponenten aus Metall und Kunststoff gefertigt. Wichtigste Baugruppe des Supports ist das Rückführsystem, welches ein enges Anliegen der zweiten Komponente 'Energiepaket' an den Roboter garantiert. Dadurch werden unkontrollierte Störkonturen verhindert, die zum Crash oder Stillstand einer Fertigungsanlage führen können. Das Energiepaket besteht aus einem sehr leistungsfähigen Wellrohr mit etwa 70 mm Durchmesser. In dem Rohr befinden sich die konfektionierten Kabel, Leitungen und Schläuche.

Die Simulationsdaten basieren unter anderem auf den CAD-Daten der Konstruktion und einem kinematisierten Robotermodell. Sie geben Auskunft über Gewichtsdaten und die exakte Lage des Schwerpunkts. Schließlich offerieren sie ein exaktes Abbild des kompletten Systems, bestehend aus Support und Energiepaket. "Unser Ziel ist es, alle Roboter auf 90 % Auslastung auszulegen. Dann sind wir mit Blick auf die Laufzeit der Anlage von sieben Jahren auf der sicheren Seite", meint der BMW-Planer.

Erstmals Lastdaten ermittelt

Der Roboter ist in zwei Achsbereiche unterteilt: Die Achsen eins bis drei verhalten sich recht statisch und die Achsen drei bis sechs sehr dynamisch. Für letztere Achsen geben die Lastdaten Auskunft über die Performance des Roboters. Mit ihnen lässt sich ermitteln, wie schnell sich seine Achsen bewegen und welche Last sie tragen können.

Volker Elbe, Robotec Systems (links) und Manfred Scheuerer, BMW: "Das 'Marschgepäck' des Roboters setzt sich aus den Komponenten 'Support' und 'Energiepaket' zusammen, die für das Punktschweißen und das Handling benötigt werden."

© Helukabel

"Eine der Herausforderungen im Rahmen des Projekts war es, die geforderten Lastdaten für BMW bereitzustellen", berichtet Volker Elbe. "Das Stichwort heißt 'biegeschlaffe Elemente'. Keinem war es bislang gelungen, das exakte Verhalten eines Seiles zu simulieren. Ebenso chaotisch verhält sich ein Energiepaket. Aus einem Mix aus Engineering am CAD und empirischen Versuchen gelang es uns, einerseits den Schwerpunkt der Masse zu ermitteln und andererseits wie sich das Gewicht während der Bewegung des Roboters verhält und verteilt." Mit Kabeln und Schläuchen, die wie ein Rucksack auf dem Roboterarm sitzen, kommen immerhin über 40 kg Marschgepäck zusammen.

Die Energiepakete für die Anwendungen Handling und Punktschweißen bestehen oftmals aus Primärkabeln mit 25 bis 35 mm² Querschnitt wie mehradrige Steuerkabel, Motor- und Resolverkabel, Datenkabel beispielsweise für Profinet, Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Erdungsleitungen und Schläuche für die Versorgung des Werkzeugs. Darüber hinaus gibt es noch etliche andere Arten von Medien wie Hydraulik-Leitungen, spezielle Hybridkabel oder Verbrauchsmedien wie Nieten oder Schweißbolzen. "In diesen Kabeln, Leitungen und Schläuchen steckt viel Know-how", betont Volker Elbe. Schließlich konnte sich Robotec Systems über ein Ausschreibungsverfahren bei BMW als Lieferant etablieren und mehr noch: Dank dieses Projektes ist das Tochterunternehmen von Helukabel heute in der Lage, für all seine Systeme Last- und 3D-Simulationsdaten bereitzustellen. "Wir haben unsere Erfahrungen auf diesem Gebiet ausgebaut, so dass auch künftige Anwender davon profitieren", schließt Volker Elbe.

Autorin:
Angela Struck ist freie Journalistin aus Langenpreising.