Hochinnovative Schweißanlage für Stapler-Rahmen und Fahrerschutzdächer bei Linde MH

Mit der Baureihe 1251 hat Linde Material Handling – einer der weltgrößten Hersteller von Flurförderzeugen - die erfolgreiche Baureihe 386 abgelöst. Die neuen Drei- und Vierrad-Elektrostapler im Tragkraftbereich von einer bis zwei Tonnen setzen Maßstäbe in ihrer Klasse: Sie sind kompakt und leistungsstark, und sie werden in einer großen Variantenvielfalt gefertigt. Bei jedem Modell kann der Anwender zwischen Blei-Säure-Batterie und Lithium-Ionen-Batterie wählen. Die Grundkonstruktion ist auch für den Brennstoffzellen-Betrieb vorbereitet. 

Bei den Fahrerschutzdächern, die parallel auf der Anlage gefertigt und anschließend mit dem Rahmen „verheiratet“ werden, ist die Varianz noch größer: Die neue Heft- und Schweißanlage sollte sieben Rahmentypen und 14 verschiedene Fahrerschutzdächer produzieren können – und das in großen Stückzahlen, nach höchsten Qualitätsmaßstäben, mit sehr hohem Automationsgrad und zugleich mit großer Flexibilität, weil jeder einzelne Stapler auftragsbezogen gefertigt wird. Zudem wünschten sich die Planer von Linde MH eine hochentwickelte Inline-Qualitätssicherung sowie eine vollautomatische Verputzstation.

Gesucht: ein kompetenter Generalunternehmer mit Robotik-Know-how

Bei der Planung der Anlage stellte sich für Linde MH schnell die Frage: Mit welchem Partner lässt sich ein solches Technologieprojekt realisieren? Christopher Taupp, Project Manager Industrialization Projects bei Linde MH: „Entscheidend war für uns ein Partner, der umfassende Fertigungs- und Automatisierungsexpertise mit einer leistungsfähigen Projektorganisation verbindet, um eine Anlage dieser Komplexität effizient zu planen, zu realisieren und in Betrieb zu nehmen.“

Bei der Auswahl des Anlagenpartners spielten auch die positiven Erfahrungen aus einem bereits erfolgreich realisierten Vorgängerprojekt bei einer anderen Staplerbaureihe eine wichtige Rolle. Bereits dort konnte sich Linde MH von der schweißtechnischen Kompetenz und der Automatisierungsexpertise von Yaskawa überzeugen.

Außerdem verfügt Yaskawa mit dem Yaskawa Production System YPS über eine wegweisende Plattform, die alle Daten von komplexen Schweißanlagen transparent macht und somit eine optimale Steuerung der Produktionsprozesse ermöglicht

Bild: Blick auf das Baufeld mit den Schweißstationen – und die auf vom Yaskawa Production System (YPS) erzeugte Visualisierung.

Automatisierte Schweißprozesse mit insgesamt 33 Robotern 

Die Anlage ist in zwei Baufelder untergliedert. In Baufeld 1 werden die unterschiedlichen Rahmentypen in sogenannten GEO-Stationen zu einem kompletten Bauteil geheftet. Dem Baufeld 2 kommt eine Doppelaufgabe zu. Zum einen werden die zuvor gehefteten Rahmen in redundanten Schweißzellen ausgeschweißt. Zum anderen werden sämtliche Typen der Fahrerschutzdächer erst in einer GEO-Station geheftet und in der Folge ausgeschweißt.

Christopher Taupp: „Die Aufteilung auf zwei Felder ist den baulichen Gegebenheiten geschuldet. Sie bietet aber auch den Vorteil, dass wir einen Puffer zwischen den beiden Hauptprozessen vorsehen konnten. Das bringt uns zusätzliche Flexibilität.“ 

Das erste Baufeld besteht aus mehreren hochkomplexen vollautomatischen GEO-Heft-Stationen mit sowohl manuellen als auch automatisierten Materialbereitstellungen. Die Heftaufgaben übernehmen in Summe elf Schweißroboter vom Typ AR2010, aufgeteilt in Twin- und Triplestationen. Der Materialtransfer von den Einzelteilen bis zum komplett gehefteten Rahmen erfolgt durch zwei, auf einer gemeinsamen Bodenfahrbahn montierten Handhabungsrobotern vom Typ GP600 mit vollautomatischen Greiferwechselsystemen. Die Greiferwechselbahnhöfe sind rechts und links der Fahrbahn angeordnet. Das spart Platz und ermöglicht einen Wechsel quasi „im Vorbeifahren“.

Bild: Zu den Innovationen, die Yaskawa für Linde MH erstmals realisierte, gehört das robotergestützte Verputzen. 

Hohe Variantenvielfalt, große Flexibilität

Im zweiten Baufeld übernehmen Roboter an fünf Stationen das Ausschweißen der in Baufeld 1 gehefteten Rahmen. Zum Einsatz kommen hier ebenfalls Yaskawa-Roboter der Baureihe AR2010 mit innenliegendem Schlauchpaket. Für das Bauteilhandling zwischen den einzelnen Stationen ist, genau wie auch im Baufeld 1, ein Handhabungsroboter Typ GP600 verantwortlich, montiert auf einer Bodenfahrbahn.

Bevor die Bauteile der automatisierten Inlinemessung zugeführt werden, durchlaufen sie eine zweistöckige Umlauf-Abkühlstrecke. Dabei kommen ebenfalls zwei auf einer Bodenfahrbahn montierte Handhabungsroboter GP600 zum Einsatz. Zudem werden in diesem Baufeld die Fahrerschutzdächer geheftet und im Anschluss ausgeschweißt. Auch hier übernehmen zwei GP600-Handhabungsroboter auf einer siebten, bodenmontierten Achse die Zuführung der Einzelteile aus den automatischen Bereitstellungplätzen.

Insgesamt kommen 33 Roboter, aufgeteilt in Schweiß- und Handhabungsrobotern, zum Einsatz. Die gesamte Anlage ist auf einen Serientakt von 12,5 Minuten ausgelegt und ermöglicht dabei eine hohe Variantenflexibilität bei der Fertigung von Rahmen und Fahrerschutzdächern. Bei der Planung galt es auch die Flexibilität über die Lebensdauer der Anlage hinweg zu berücksichtigen: Ganz sicher wird es neue Varianten geben, die in den Fertigungsfluss zu integrieren sind. 

Bild: Am Ende der Linie wird das Fahrerschutzdach mit dem zugehörigen auftragsbezogen gefertigten Rahmen „verheiratet“.

Herausforderung: der Vorrichtungsbau

Besonders herausfordernd war die Konstruktion der komplexen Vorrichtungen, die das Fundament für die automatisierten Prozesse bilden. Ein Beispiel ist die Heftvorrichtung für das Fahrerschutzdach (FSD): Sie muss alle 14 Varianten innerhalb einer einzigen Vorrichtung abbilden können. Das bedeutet, dass eine Vielzahl an Rüstzuständen berücksichtigt werden muss, verbunden mit einer hohen Anzahl an hydraulischen Spannkreisen. 

Zudem muss die Vorrichtung nicht nur die Bauteile präzise fixieren, sondern auch die Anforderungen der automatisierten Handhabungs- und Schweißprozesse erfüllen. Christopher Taupp: „Die Kombination aus Variantenvielfalt, komplexer Spanntechnik und automatisierter Prozesskette macht diese Vorrichtungen zu einem der anspruchsvollsten Elemente der gesamten Anlagenplanung.“

Beim Prozess direkt nach dem Schweißen hat Yaskawa als weltweit anerkannter Spezialist für automatisiertes Schweißen erstmals eine bemerkenswerte Innovation verwirklicht: das vollautomatisierte Inline-Verputzen. Ein Roboter bearbeitet definierte Bereiche der Schweißbaugruppen mit abrasiven Werkzeugen wie z.B. einer Topfbürste. So entfernt er Schweißspritzer, Silikate und Schmauch, damit die Oberfläche bereit ist für die anschließende KTL-Beschichtung. 

Bild: Insbesondere beim Heften sind die Vorrichtungen sehr komplex. Der Roboter wirkt dagegen sehr zart.

Wegweisende, benutzerfreundliche Inline-Messung

Am Ende des Fertigungsprozesses steht ein vollständig automatisierter Inline-Messprozess. Zunächst werden die Baugruppen – als Kombination von Rahmen und zugehörigem Fahrerschutzdach – umfassend geometrisch vermessen und alle Werte mit den Sollwerten abgeglichen. Zudem erfolgt eine Schweißnahtkontrolle, bei der Länge, Lage und Nahtgeometrie überprüft sowie Unregelmäßigkeiten wie Poren oder Endkrater erkannt werden. Alle erhobenen Daten werden eindeutig der jeweiligen Bauteil-ID zugeordnet und dokumentiert. Zugleich werden die Daten anschaulich auf zwei Monitoren – einer pro Messsystem – dargestellt.

Wie komplex allein diese Messzelle auf der daten- und steuerungstechnischen Ebene in den kompletten Produktionsprozess eingebunden ist, erläutert Christopher Taupp: „Wir haben in der Anlage vier Ausschweißstationen für alle Rahmentypen. In jeder Station werden etwas andere Schweißergebnisse – natürlich immer innerhalb der Toleranzen – erzielt. Die Messzelle hat für jedes Produktderivat und für jede Ausschweißzelle ein eigenes Messprogramm. Die Variantenvielfalt wird somit nochmals hochmultipliziert.“ Benötigt man tatsächlich diesen hohen Aufwand? „Ja, dieser Aufwand ist ein wesentlicher Bestandteil unserem Qualitätskonzepts. Die Messdaten ermöglichen es uns, Trends und Abweichungen frühzeitig zu identifizieren und die Prozesse in einzelnen Schweißzellen gezielt zu optimieren.“

Bild: Die Vorrichtungen in den Heft- und Schweißstationen sind komplex, und an jeder Station wird der Prozess anschaulich visualisiert.

Transparenz und Konnektivität mit dem Yaskawa Production System 

Die gesamte Anlage ist über das Yaskawa Production System (YPS) an das ERP- und MES-System von Linde MH angebunden. So wird ein durchgängiger Datenfluss sichergestellt. Auf großen Monitoren wird der aktuelle Status des Prozesses dargestellt – an jeder Zelle. Das ist insbesondere an jenen Zellen hilfreich, die manuell mit Bauteilen bestückt werden. Christopher Taupp: „Der Werker sieht hier jeden Auftrag und jedes Bauteil und erhält alle relevanten Informationen zur korrekten Einlage.“ 

Im Falle einer Störung ermöglicht ein an die Steuerung angeschlossenes Tablet einen detaillierten Einblick in die Anlagenstruktur bis hin zu einzelnen Hydraulikblöcken und Ventilen. Fehlerursachen können dadurch schneller identifiziert und behoben werden. Gerade während der Inbetriebnahme der Anlage erwies sich diese Funktion als wertvolle Unterstützung und trug wesentlich zu einer effizienten Optimierung der Prozesse bei.

Darüber hinaus zeigt ein Reporting-Tool, das in das Yaskawa Production System integriert ist, auf großen Bildschirmen in der Halle alle aktuellen Kenndaten bis zur OEE (Overall Equipment Effectiveness). Auch dies dient dazu, einen stabilen Prozess zu gewährleisten und Unregelmäßigkeiten frühzeitig zu erkennen. 

Bild: Yaskawa Produktionsstation (YPS)

Gemeinsame Planung über vier Jahre

Über den gesamten, nahezu vier Jahre dauernden Prozess von der ersten Konzeptphase bis zur Inbetriebnahme arbeiteten die Experten von Linde MH und Yaskawa eng zusammen. Christopher Taupp erläutert: „Dank der von Yaskawa eingesetzten Simulationswerkzeuge konnten wir die Anlage bereits in einer sehr frühen Projektphase virtuell begehen und mithilfe von Datenbrillen verschiedene Layoutvarianten bewerten. Dadurch konnten wir das Anlagenkonzept frühzeitig optimieren und wichtige Entscheidungen auf einer fundierten Basis treffen.“

Die reale Anlage wurde anschließend zunächst im Yaskawa-Werk in Allershausen aufgebaut. Dort erfolgten gemeinsam mit den Experten von Linde MH die Inbetriebnahme der Vorrichtungen sowie umfangreiche Erprobungen unter Serienbedingungen. Darüber hinaus fertigten Mitarbeiter von Linde MH bereits Vorserien- und Anlaufserien von Staplerrahmen und Fahrerschutzdächern auf der Anlage. Erst nach Abschluss dieser mehrmonatigen Test- und Optimierungsphase wurde die Lieferfreigabe erteilt. Anschließend erfolgten die Demontage, der Transport nach Aschaffenburg sowie der Wiederaufbau und die finale Inbetriebnahme. Heute produziert die Anlage zuverlässig im Serienbetrieb und erfüllt die hohen Anforderungen an Qualität, Produktivität und Flexibilität.

Christopher Taupp zieht eine positive Bilanz: „Yaskawa hat unsere Anforderungen bereits in der Konzept- und Angebotsphase überzeugend aufgegriffen und dabei ein hohes Maß an schweißtechnischem Automatisierungs-Know-how eingebracht. Aufgrund der Komplexität und des Umfangs des Projekts war für uns ein Partner wichtig, der die Gesamtverantwortung übernehmen und sämtliche Gewerke effizient koordinieren kann. Mit Yaskawa haben wir einen zuverlässigen Generalunternehmer gefunden, der unsere Anforderungen von der Planung über die Realisierung bis hin zur erfolgreichen Inbetriebnahme konsequent umgesetzt hat.“

Bild: Christopher Taupp, Project Manager Industrialization Projects bei Linde MH, an der robotergestützten Verputzstation

Text: Ralf Högel (Industrie Kommunikation Högel) 

Bilderquelle: Yaskawa Europe GmbH