- IT&Production - https://www.it-production.com -

Schraubwerkzeuge unter drahtloser Kontrolle

Sichere Montageprozesse

Schraubwerkzeuge unter drahtloser Kontrolle

Akkubetriebene Schraubwerkzeuge ersparen den Werkern das Kabel – und machen ihren Einsatz flexibler. Doch mobile Werkzeuge lassen sich nicht eindeutig einer Arbeitsstation zuordnen, was die Prozessüberwachung erschwert. Hier können drahtlose Werkzeug-Ortungssysteme die Prozesssicherheit herstellen und verhindern, dass Schrauber vertauscht werden oder versehentlich – zum Beispiel in der Automobilmontage – im Fahrzeuginnenraum mitfahren. So können Verschraubungen nur noch mit dem richtigen Werkzeug an der richtigen Station und am richtigen Bauteil ausgeführt werden.



Akku-Werkzeuge geben den Montagemitarbeitern zwar die Bewegungsfreiheit ohne Kabel, erschweren aber zugleich die Prozessüberwachung. Das Werkzeug-Ortungssystem TLS von Atlas Copco liefert über den ‚Tag‘ oben auf dem Schrauber die genaue Position des Werkzeugs und erhält damit die Prozesssicherheit. Bild: Atlas Copco Tools

Erst Akku-betriebene Werkzeuge geben den Werkern in vielen Montagesituationen ausreichend Bewegungsfreiheit. So lassen sich beispielsweise in der Automobilindustrie zahlreiche Aufgaben ohne das Kabel ‚im Schlepptau‘ deutlich einfacher und effizienter erledigen, insbesondere im Innenraum.

Nachteile dabei: Wenn der kurzzeitig abgelenkte Monteur den Schrauber vergisst, macht sich das Gerät mit dem Fahrzeug auf und davon. Noch gravierender sind Probleme im Übergang zwischen zwei Montagestationen, wenn versehentlich das falsche Werkzeug verwendet wird – und eine Verbindung mit dem falschen Parametersatz angezogen wird. Letzteres lässt sich zwar über eine Barcode-Steuerung vermeiden, doch ein deutscher Automobilhersteller liest dazu pro Tag rund 250 Arbeitsstunden lang nur Barcodes. Und das im Fahrzeug vergessene Werkzeug lässt sich damit noch nicht wiederfinden.

Die Ingenieure von Atlas Copco Tools nahmen solche Probleme zum Anlass, das Werkzeug-Ortungssystem Tool Location System (TSL) zu entwickeln. Als Grundlage dienten mit Funk- und Navigationstechik zwei auch im Alltagsleben bewährte Ansätze.

Mit dem Werkzeug-Ortungssystem TLS lassen sich Werkzeuge, Geräte oder auch Werkstücke nicht nur in der ganzen Halle auffinden. Der Anwender kann darüber hinaus Zonen „virtuell“ definieren, in denen die Werkzeuge freigegeben sind. Verlässt ein Schrauber versehentlich „seine“ Zone, ist er blockiert – Fehlverschraubungen und teure Nacharbeit sind ausgeschlossen. Bild: Atlas Copco Tools

Festgelegte Arbeitszonen vermeiden Fehlanzug

„Die Idee hinter dem TLS ist, jedes Werkzeug mit einem aktiven Funk-Transponder zur Ortung zu versehen“, erläutert Falk Singer, Produktmanager für das Ortungssystem bei Atlas Copco. Diese kurz ‚Tags‘ genannten Geräte lassen sich dann im Werk orten – die Position des vergessenen Werkzeugs also blitzschnell bestimmen. „Darüberhinaus kann mit dem Navigationsgedanken die Fertigung in verschiedene Zonen unterteilt werden – die Werkzeuge lassen sich auf diese Weise nur in den zuvor definierten Arbeitsbereichen freischalten und damit nur dort verwenden.“ Über diese Positionsbestimmung können die Montageplaner auch zwei weitere Probleme lösen: Greift versehentlich ein Werker zum Schrauber seines Kollegen aus der benachbarten, nun ‚virtuell‘ definierten Fertigungszone, erkennt das System dies und blockiert das Werkzeug. „Ein Fehlanzug lässt sich auf diese Weise prozesssicher ausschließen“, betont Produktmanager Singer. „Auf gleichem Wege kann auch ein Werkzeug, das für mehrere Verschraubungen zum Einsatz kommt, mit dem jeweils richtigen Parametersatz versorgt werden.“ Viele Fehler und etwaige Nacharbeit lassen sich so vermeiden. Das System löst damit die Probleme der Montageplaner, die gleichermaßen Flexibilität wie Prozesssicherheit benötigen.

Nur wenn die Geräteposition per Ortungssystem genau bekannt ist, lassen sich Montagevorgänge gezielt überwachen. Die Schraubdaten werden dabei drahtlos an das Fertigungs-Netzwerk übertragen. Bild: Atlas Copco Tools

UWB-Technologie bietet Genauigkeit und Reichweite

Als Funktechnologie findet dabei die Ultra-Breitband-Technik (UWB) Verwendung, mit der sich im Frequenzbereich zwischen sechs und acht Gigahertz präzise alle mit einem Transponder ausgestatten Objekte im Raum orten lassen. UWB bietet gegenüber alternativen Techniken wie beispielsweise der Radio-Frequenz-Identifikation (RFID) eine um rund 30 Zentimeter verringerte Ortungs-Genauigkeit, dafür aber mit Reichweiten um 100 Meter einen wesentlich größeren Einsatzbereich. Rein passiv arbeitende RFID-Systeme reichen dagegen nur rund einen Meter weit. Und eine Wi-Fi-Lösung wäre zwar in der Reichweite vergleichbar, würde aber mit einer Genauigkeit von lediglich ± drei Metern die Anforderungen in der Montagelinie nicht erfüllen. Das Ortungssystem eignet sich zudem für den Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen.

Auch wenn beispielsweise große Hitze immer ein Problem für elektronische Bauteile darstellt, arbeiten die Sensoren oder Antennen im Bereich von 0 bis 60 Grad Celsius, die Tags überstehen sogar Temperaturen von – 30 bis + 70 Grad. Erfolgreich hat das System bereits einen Test in einer Stahlfabrik neben einer Galvanikanlage bestanden. Auf der Basis eines Hallenplans lassen sich im Vorfeld schnell die Positionen der UWB-Antennen berechnen – und damit der Einfluss möglicher Störquellen auf ein Minimum reduzieren. „Natürlich hängt die Reichweite des Signals von den Gegebenheiten vor Ort ab, doch eignet sich das TLS sehr gut für den Einsatz in Hallen und Fertigungsstraßen“, fasst Falk Singer zusammen. Für eine Ortung in drei Dimensionen müssen mindestens zwei Antennen die UWB-Signale empfangen; dementsprechend ist die Anzahl und Position der Sensoren so zu wählen, dass diese Bedingung jederzeit erfüllt ist. Üblicherweise sollte die Entfernung zwischen zwei Sensoren unter 40 Metern liegen. „Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass für eine typische Linie mit 200 Takten circa 300 Sensoren benötigt werden – bei anschließenden Ersparnissen von mehreren Hunderttausend Euro pro Jahr.“

Präzise Ortung auch für die Automobilproduktion

Das System erfülle zudem die Bedingungen der EN 50371 hinsichtlich der Auswirkung von Radiosignalen auf Menschen in vollem Umfang, erklärt Singer weiter. „Die Sendeleistung ist wesentlich geringer als bei einem Mobiltelefon.“ Für Kommunikationszwecke – etwa zum Übertragen der richtigen Parametersätze – nutzt das System schmalbandige Kanäle im Bereich um 2,4 Gigahertz. „Diese lassen sich so anpassen, dass keine Interferenzen mit bestehenden WLAN-, Bluetooth- oder ZigBee-Anwendungen auftreten“, sagt Singer.

IT-seitig liefert Atlas Copco das Ortungssystem als komplett einsatzbereite Lösung. Der Programmieraufwand reduziert sich in der Regel auf die Anbindung an die jeweiligen Host-Systeme und lässt sich daher leicht über eine umfangreiche Programmierschittstelle oder Application Programming Interface (API) bewerkstelligen. Zum Einsatz kommt das System bereits im BMW-Werk in Regensburg. Installation, Inbetriebnahme und Test der Infrastruktur konnten hier sogar während der laufenden Produktion erfolgen, obwohl dort an sechs Tagen die Woche jeweils 19 Stunden gearbeitet wurde. „Eine große Herausforderung war es, die hohen Ansprüche der Automobilindustrie hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit zu erfüllen“, berichtet Singer abschließend.

Dennoch sei es gelungen, eine Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung besser als Six Sigma zu erreichen. Anders formuliert: Pro einer Million Ortungen traten im Schnitt weniger als 3,4 Fehler auf. Und das unabhängig von der Bewegung der zu montierenden sowie dem Einsatz der Werkzeuge inner- oder außerhalb der Autos.


Aktiver Transponder (Tag) des TLS-Systems: Neben den Werkzeugen liefert Atlas Copco auch Tags für Anlagen, Produktionsmittel oder Werkstücke. Bild: Atlas Copco Tools

Energieversorgung über Batterie und Werkzeug-Akku

Die aktiven RFID-Tags an den Werkzeugen erhalten die erforderliche Energie normalerweise aus dem Werkzeug-Akku. Allerdings ist eine zusätzliche Batterie vorhanden, damit der Tag auch bei vollständig entladenem Akku noch senden kann. Alle akkubetriebenen Tensor-STB- sowie die kabelgebundenen Tensor-S- oder ST-Schrauber der Systemanbieters können mit passenden Werkzeugadaptern an das System angeschlossen werden. Gleiches gilt für den ebenfalls akkubetriebenen ST-Wrench – einen dokumentationsfähigen Drehmomentschlüssel für schwer zugängliche Stellen, insbesondere auch für Kleinserien oder die Qualitätssicherung. Die unterschiedlichen Gerätemodelle übertragen alle relevanten Schraub- und Steuerungsdaten bidirektional über WLAN oder Bluetooth an das übergeordnete Produktions- und Qualitätssystem. Das gestattet dem Anwenderunternehmen eine hohe Prozesssicherheit, ohne in der Werkhalle auf die Flexibilität bei Umtaktungen oder anderen Veränderungen an der Montagelinie verzichten zu müssen. Der Systemhersteller bietet als Ergänzung zu dem Ortungssystem auch separate Transponder an, die sich auf allen ebenen Oberflächen an Maschinen oder Werkstücken anbringen lassen – was die Einsatzmöglichkeiten des funkgestützten Ortungssystems erweitert.