Über den traditionellen Transfer hinaus: Integration und Steuerung in einerüberdimensionalen Maschine für die Automobilindustrie
Die zunehmende Komplexität der Bearbeitungen in der Automobilindustrie, insbesondere bei Komponenten im Zusammenhang mit der Elektrifizierung, setzt traditionelle Produktionsmodelle unter Druck, vor allem wenn es darum geht, mehrere Prozesse gleichzeitig und kontrolliert zu steuern. In diesem Zusammenhang erreicht die langjährige Zusammenarbeit zwischen NUM und Spada Machines – einem in Brescia ansässigen Unternehmen, das auf die Entwicklung und Herstellung von Transfermaschinen, Mehrspindel-Drehzentren und Sondermaschinen spezialisiert ist – einen ihrer Höhepunkte: die Entwicklung einer Transfermaschine für einen deutschen Kunden aus der Automobilbranche, die sich durch ein Mass an Integration und Prozessdichte auszeichnet, das weit über den Branchenstandards liegt.
„Die grösste Herausforderung bei diesem Projekt bestand nicht nur darin, die Anzahl der Bearbeitungsvorgänge zu erhöhen, sondern diese auch kohärent zu steuern“, betont Marco Battistotti, Managing Director von NUM Italien. „Diese Maschine gehört in der Tat zu den anspruchsvollsten, an denen NUM je gearbeitet hat, und die Zahlen verdeutlichen ihre Komplexität: 66 angesteuerte Achsen, insgesamt 26 Spindeln und die Fähigkeit, bis zu 40 Bearbeitungsprozesse gleichzeitig zu steuern.“
Ein anderer Ansatz
Spada Machines bewegt sich in diesem Umfeld mit einer Positionierung, die mit den etablierten Mustern der Transfertechnologie bricht. Mit einer Geschichte, die in den 1960er Jahren beginnt, hat sich das Unternehmen nämlich dafür entschieden, nicht mit Standardkonfigurationen – vertikal oder horizontal– zu konkurrieren, sondern eigene Lösungen zu entwickeln, die auf die Anwendungsanforderungen der Kunden zugeschnitten sind. „Als wir anfingen, war uns klar, dass wir nicht mit denjenigen konkurrieren konnten, die diese Segmente bereits beherrschten“, erzählt Mauro Guerra, CEO von Spada Machines; „wir mussten etwas anderes anbieten.“
Aus diesem Ansatz entstand die patentierte Multi-S-Technologie, die auf einer Mehrstationen-Struktur basiert, die Dreh- und Fräsbearbeitungen auch gleichzeitig integrieren kann und so mehrere Arbeitsschritte in einem einzigen Aufspannvorgang bündelt. Ein Ansatz, der es ermöglicht, die traditionellen Grenzen des Transferprozesses zu überwinden und Bauteile unterschiedlicher Materialien, Geometrien und Abmessungen innerhalb desselben Systems zu bearbeiten, wobei ein hohes Mass an Präzision und Prozessstabilität gewährleistet bleibt. Auf diesem Weg war die Zusammenarbeit mit NUM bereits in den ersten Phasen der Technologieentwicklung entscheidend und trug wesentlich zur Definition der Steuerungsarchitektur und der Anwendungslösungen bei.
Flexibilität, Effizienz und Präzision
Dieses Mass an Integration findet seinen höchsten Ausdruck in der Maschine, die für einen deutschen Kunden aus der Automobilbranche entwickelt wurde, wo die Transfertechnologie auf einen Grad an Integration und Prozessdichte gebracht wird, der in herkömmlichen Konfigurationen kaum zu finden ist.
„Die von uns entwickelte Maschine“, erklärt Battistotti, „zeichnet sich durch 66 angesteuerte Achsen und insgesamt 26 Spindeln aus – davon 13 im geschlossenen Regelkreis und 13 im offenen Regelkreis – und ist in der Lage, bis zu 40 Bearbeitungen gleichzeitig zu verwalten,was ebenso vielen parallel ausgeführten Werkstückprogrammen entspricht. Der kritische Punkt ist jedoch nicht nur die parallele Ausführung der Programme, sondern vielmehr deren Synchronisation, denn von dieser Koordination hängt die Gesamteffizienz der Maschine ab.“
Die Struktur basiert auf einer Mehrstationenarchitektur– mit bis zu 12 Arbeitsstationen –, bei der jede Einheit je nach Zyklus neu konfiguriert werden kann: Eine Spindel kann sich in eine C-Achse oder eine Fräseinheit verwandeln und so innerhalb desselben Prozesses von Drehvorgängen zu Fräsbearbeitungen übergehen. Diese Flexibilität ermöglicht eine sehr grosse Anzahl an Arbeitskombinationen und erlaubt es, mehrere Produktionsphasen in einem einzigen System zu bündeln.
„Zu dieser Vielseitigkeit“, betont Mattia Spada, Projektleiter bei Spada Machines, „kommt eine auf Stabilität ausgerichtete mechanische Konstruktion hinzu. Die Maschine muss nämlich in den ersten Stationen starken Materialabtrag bewältigen und gleichzeitig hohe Präzision in den Endbearbeitungsphasen gewährleisten. Das Maschinengestell und die Konstruktion sind daher so ausgelegt, dass sie Vibrationen dämpfen und verhindern, dass die bei den schwersten Bearbeitungen entstehenden Belastungen auf die nachfolgenden Stationen übertragen werden, wodurch die Qualität des Werkstücks und die Wiederholgenauigkeit des Prozesses gewährleistet bleiben.“
Technologische Partnerschaft
In diesem Zusammenhang geht der Beitrag von NUM weitüber die Lieferung der numerischen Steuerung hinaus und greift direkt in die Definition der mechatronischen Architektur der Maschine ein. Das System basiert auf einer Konfiguration mit 5 modularen NCK-Einheiten, die für die koordinierte Steuerung der hohen Anzahl an Achsen und aktiven Prozessen ausgelegt sind, sowie auf einer einzigen zentralen SPS – eine Entscheidung, die dem Trend zu Multi-SPS-Architekturen entgegenläuft und eine Vereinfachung der Steuerung ermöglicht, da alle Maschinenfunktionen einheitlich gesteuert werden können und die Synchronisation separater Logiken entfällt.
„Diese Architektur wird durch eine vollständige Integration zertifizierter Sicherheitsfunktionen ergänzt“, fügt Spada hinzu, „die auf alle Achsen und Spindeln verteilt sind, aber von einem zentralisierten System gesteuert werden, sowie durch einen Antrieb auf Basis der DSL-Technologie, der eine drastische Reduzierung der Verkabelung ermöglicht, da nur ein einziges Kabel für Leistung und Rückmeldung verwendet wird. In einer Anlage mit 66 Achsen wirkt sich diese Entscheidung erheblich auf die Konstruktion und die Industrialisierung der Maschine aus und macht siekompakter und effizienter.“
Abgerundet wird der technologische Beitrag von NUM durch den Einsatz von flüssigkeitsgekühlten Synchronspindeln, eine in der Welt der Transfermaschinen ungewöhnliche Lösung. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen auf Basis von Asynchronmotoren“, so Battistotti, „sind diese Spindeln direkt angetrieben, ohne Zwischenantriebe, und arbeiten in einer Achse mit dem Motor, während die Flüssigkeitskühlung es ermöglicht, die Betriebstemperatur und damit die Formstabilität konstant zu halten.“ Das Ergebnis ist eine langfristig höhere Präzision, begleitet von hoher dynamischer Leistung.
Langfristige Effizienz
Abgerundet wird das Bild durch die Fähigkeit, diese Architektur in echte Betriebskontinuität umzusetzen, wobei der Schlüsselparameter nicht die theoretische Geschwindigkeit, sondern die langfristige Effizienz ist. Das System integriert nämlich fortschrittliche Überwachungsfunktionen, die es ermöglichen, den Prozess in Echtzeit zu kontrollieren und eventuelle Anomalien zu erkennen, bevor sie zu Ausschuss oder Maschinenstillständen führen – ein entscheidender Aspekt bei einer Transfermaschine, in der mehrere Teile gleichzeitig bearbeitet werden. „Besser eine Sekunde mehr im Zyklus, aber mit einemhöheren und konstanten Effizienzniveau“, bemerkt Guerra, „denn es ist die Stabilität, die die Gesamtproduktivität bestimmt.“
Parallel dazu ermöglicht das auf modularen Antrieben mit Rückspeisung ins Netz basierende Energiemanagement die Wiederverwendung der in den Verzögerungsphasen erzeugten Energie und verbessert so die Gesamteffizienz eines Systems, das sich durch eine hohe installierte Leistung auszeichnet. Das Ergebnis ist eine Plattform, die zwar für eine spezifische Anwendung im Bereich der Elektromobilität entwickelt wurde, aber eine klare industrielle Skalierbarkeit aufweist.
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