Servogetriebe für Nietprozesse

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Die besonderen Merkmale der völlig neu gedachten Galaxie-Getriebe-Kinematik, wie sie Broetje-Automation als Winkelgetriebe in seinen MPAC-Nietmaschinen (für: Multi Panel Assembly Cell)  einsetzt, machen einen Leistungsanstieg beim vollautomatischen Nieten von Flugzeug-Rumpfsegmenten und Verstrebungen von Flugzeugteilen möglich. Statt eines Zahnrads verfügt Galaxie über 48 dynamisierte Einzelzähne, die um ein 2er- oder 3er-Polygon herum gruppiert sind und entlang der Innenverzahnung des Getriebehohlrades geführt werden. Fast alle Zähne sind zeitgleich an der Drehmomentübertragung und Steifigkeitsbildung beteiligt. Zudem erfolgt dieser Multizahneingriff nicht als Linien-, sondern als Flächenkontakt auf Basis der logarithmischen Spirale. Insgesamt erreicht die Galaxie-Kinematik dadurch bis zu 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche als schrägverzahnte Planetengetriebe – wie sie Broetje-Automation bislang an der prozessführenden A2-Achse seiner MPAC-Nietmaschinen montiert hatte.

Die Galaxie-Kinematik erreicht eine um Faktoren verbesserte Drehsteifigkeit und gewährleistet absolute Spielfreiheit auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang.

 

Mit bis zu 170 Prozent mehr maximalem Drehmoment, einer bis zu dreifach höheren Überlastsicherheit und bis zu 70 Prozent größerem Hohlwellendurchmesser erreicht Galaxie bei vergleichbarer Baugröße Leistungsdimensionen, die in ihrer Kombination weltweit einzigartig sind – und Performance-Daten sonstiger Getriebekinematiken weit hinter sich lassen. „Für uns entscheidend waren die um Faktoren verbesserte Drehsteifigkeit der Galaxie-Kinematik und deren absolute Spielfreiheit auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang“, erläutert Dr.-Ing. Axel Peters, Executive Vice President Fastening bei ­Broetje-Automation. „Dadurch erreichen wir eine deutlich präzisere Bewegungsführung auch in Umkehrpunkten sowie eine um etwa 30 Prozent schnellere Positionierung des Unterwerkzeugs der MPAC. Dies wiederum hat den Niettakt von 18 auf 21 Nieten pro Minute erhöht.“

Broetje-Automation

Die Broetje-Automation GmbH aus Wiefel­stede bei Oldenburg ist seit über 36 Jahren als Partner der internationalen Flugzeugindustrie tätig. Rund um das Kerngeschäft mit Maschinen und Anlagen zum Nieten, Fügen und Montieren von kompletten Flugzeugstrukturen ist ein umfangreiches Leistungsportfolio entstanden. Es positioniert das Unternehmen über die Niettechnik hinaus als anerkannten Partner für die Fertigungsautomatisierung, für Systeme zum Herstellen und Verarbeiten von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK), für Roboteranwendungen und prozessüberwachende Bildverarbeitungssysteme sowie für Consulting und Service. „Unsere Lösungen kommen in allen weltweiten Flugzeugprogrammen der Zivilluftfahrt zum Einsatz“, berichtet Dr.-Ing. Axel Peters. Auf großes Interesse bei führenden europäischen und amerikanischen Flugzeugherstellern und deren Zulieferern stoßen derzeit insbesondere die MPAC-Anlagen von Broetje-Automation. „Diese Anlagen verbinden mit zehntausenden von Nieten die Rumpfbauteile zum Beispiel des Airbus A380 oder der Boeing 787 Dreamliner“, erklärt Dr. Christian Heyers, Leiter der Steuerungstechnik bei Broetje-Automation. Für diese Nietmaschinen-Baureihe spricht ihre sehr hohe Flexibilität und die kundenindividuelle Ausführung: MPAC-Anlagen können nahezu alle Schalen der verschiedenen Sektionen aller gängigen Flugzeugmuster direkt aus dem CAD-Modell nieten. Und das mit extremer Präzision: „Der hochkomplexe Endeffektor einer MPAC mit seinen je fünf Positionierachsen für Unterwerkzeug und Nietkopf erreicht beim Bohren, Dichtmittel applizieren, Nieten setzen und Stauchen eine elektronisch geregelte und sensorüberwachte Genauigkeit von ±0,1 Millimeter“, führt Dr. Christian Heyers aus.

MPAC-Anlagen von Broetje-Automation verbinden mit hunderttausenden von Nieten die Rumpfbauteile zum Beispiel des Airbus A380 oder der Boeing 787 Dreamliner.

 

Getriebetechnisches Optimierungspotenzial

Einen der Leitgedanken des Unternehmens – Innovationsfreudigkeit auf der Suche nach optimalen Lösungen – setzt Broetje-Automation bei der neuesten Generation der MPAC um. „An der sogenannten A2-Achse der MPAC hielten wir nach einer Getriebelösung Ausschau, die zugleich mehr Geschwindigkeit, eine höhere Achsdynamik und zudem mehr Positioniergenauigkeit durch weniger Flankenspiel erreichen sollte“, blickt Dr. Christian Heyers zurück. „Das Ziel war es, die Regelung der Schwenkachse signifikant zu verbessern und so die Bewegung des Unterwerkzeugs zu beschleunigen, um im Gesamtprozess eine deutlich bessere Produktivität zu erreichen.“

Im Galaxie-Antriebssystem verschmelzen eine völlig neuartige Getriebegattung mit dynamisierten Einzelzähnen und ein neu entwickelter Hochleistungsmotor zu einer hochkompakten Hohlwellen-Antriebseinheit mit Industrie-4.0-Konnektivität.

 

Galaxie-Kinematik erfüllt Anforderungen

Broetje-Automation ist einer der Leadkunden von Wittenstein, die auf das Galaxie-Antriebssystem bereits in einer sehr frühen Phase der Marktreife aufmerksam geworden sind. „Die seinerzeit spezifizierten Leistungsdaten ließen erwarten, dass das neuartige Winkelgetriebe die bisher eingesetzten spielarmen Planetengetriebe in den entscheidenden Merkmalen Spiel und Steifigkeit bei hohen Lasten beziehungsweise bei einem Flankenwechsel durch Umkehr der Bewegungsrichtung übertreffen würde“, sagt Dr. Christian Heyers. In der Tat ermöglicht Galaxie durch den linearen Verlauf der Steifigkeit bereits bei geringen Lasten eine sehr präzise Regelung der Achsbewegung. Erreicht wird diese Linearität – neben dem vollflächigen Multizahneingriff – dadurch, dass zwischen dem Zahnträger und der Innenverzahnung des Hohlrades nahezu kein Spalt mehr vorhanden ist – und damit kaum noch eine Biegelänge. Hinzu kommt, dass durch den flächigen Zahnkontakt eine optimale Breitenlastverteilung erreicht wird. Zudem ist die Galaxie-Kinematik völlig spielfrei, weil sich die Zähne – durch ihre zylindrische Führung im Zahnträger – von selbst ihre Ausrichtung und das Eingreifen in die Innenverzahnung optimieren. Gleichzeitig sorgt die hydrodynamische Schmierung für ein reibungsfreies Ineinandergleiten der runden Zahnkörper in die Zahnträgerbohrungen. Daher bleibt das Nullspiel konstant und dauerhaft erhalten. Ein weiterer Vorteil der Galaxie-Kinematik ist die geringe Geräuschentwicklung bei hohen Drehzahlen aufgrund der sehr geringen Flächenpressung im Zahnkontakt.

Die Verzahnungsgeometrie ist als logarithmische Spirale ausgeführt, wodurch der Zahneingriff nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt.

 

Leistungsanstieg für Nietprozesse

Unter dem Strich bietet Galaxie so eine unerreichte Dynamik und Positioniergenauigkeit, die die Regelungseigenschaften und die Leistungsdaten der MPAC deutlich verbessern. „Hat die Maschine vorher eine Sekunde benötigt, um ein Inch zwischen zwei Nietstellen zu verfahren, sind es jetzt nur noch 0,7 Sekunden“, sagt Dr.-Ing. Axel Peters. „Sogar 0,5 Sekunden erscheinen uns mittlerweile machbar.“ Möglich ist dies, weil sich durch Galaxie die Bewegungsgeschwindigkeit der Achse verdoppelt hat, die Beschleunigung jetzt 140 Prozent besser ist und die Änderungsgeschwindigkeit der Beschleunigung – der Ruck – sogar um 250 Prozent gesteigert werden konnte.

Bauraum-Kompatibilität erleichterte die Integration

Trotz der enorm verbesserten Leistungsdaten baut das Galaxie-Antriebssystem aufgrund der kurzen Einzelzähne und der flachen Polygonlagerung sehr kompakt – vergleichbare Hohlwellengetriebe müssten bei gleichem Drehmoment mindestens zwei Baugrößen größer sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Broetje-Automation dank der leistungsfähigen Abtriebslagerung des Galaxie jetzt die separate Lagerung der A2-Achse spart – was die Montage vereinfacht und Kosten reduziert. „Für die Einbausituation in der MPAC hat Galaxie daher perfekt gepasst“, sagt Dr. Christian Heyers. „Wir hatten keinen großen Mehraufwand und wurden zudem bei Fragen von Wittenstein bestens unterstützt.“

Next Technology Drive – diesem Anspruch wurde Galaxie auch beim Einsatz in den Nietmaschinen von Broetje-Automation in jeder Hinsicht gerecht. (anm)

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