Zusammenfassung: Das Power & Free (P&F) Fördersystem ist eine voll funktionsfähige und flexible Materialhandhabungsanlage. Es transportiert nicht nur Werkstücke, sondern kann auch verschiedene Werkstücke sortieren und lagern, wodurch es in der industriellen Fertigung vielseitig einsetzbar ist. Dieser Artikel beschreibt die Konstruktion eines P&F Fördersystems am Beispiel der Schweißerei eines Automobilwerks.

Schlüsselwörter: Energie- und Freie Systeme, Konstruktion, Produktionsautomatisierung

I. Prozessübersicht

1. Produktionsprogramm:
Die Kapazität der Linie A beträgt 90.000 Fahrzeuge im Zweischichtbetrieb. Die Kapazität der Linie B beträgt 50.000 Fahrzeuge im Zweischichtbetrieb. Die Gesamtkapazität des P&F-Systems beträgt 140.000 Fahrzeuge im Zweischichtbetrieb. Das maximale Gewicht einer Rohkarosserie beträgt 500 kg.

2. Prozessablauf:

• Verladestation: Die in der Schweißwerkstatt abgeschlossenen Schweißarbeiten an den Karosserieteilen werden auf den P&F-Förderer verladen.
• Lagerzone (Sammelbereich): In klassifizierten Zonen können verschiedene Arten von Rohkarosserien gelagert werden.
• Förderbandlinie: Transportiert die auf den P&F-Trägern gelagerten Rohbauteile zur Lackiererei.

• Entladestation: Die Rohbauteile werden vom P&F-Träger auf das Förderband der Lackiererei umgeladen.

3. Pflanzenstruktur:
Die Anlage ist eine Leichtstahlkonstruktion mit gleichmäßig verteilten Prozesslasten in der gesamten Werkstatt. Das Tragwerksraster hat einen Abstand von 8 m entlang der Werkstattlängsachse und 3 m entlang der Werkstattbreite (senkrecht zur Werkstatt). Daraus ergibt sich eine Rastergröße von 3 m x 8 m, wobei jeder Hebepunkt eine vertikale Last von 4,5 t und eine horizontale Last von 0,8 t trägt.

II. Festlegung der P&F-Systemroute und der Hauptausrüstung

Systemkomponenten: Ladeaufzug, Förderband, Lagerbereich, Entladeaufzug, elektrisches Steuerungssystem.

1. Ladeaufzug/Hebezeug (Lifter):
An der Beladeposition von Linie A und Linie B ist jeweils ein Heber installiert. Das Hebersegment, bestehend aus einem Heberollenförderer, fährt auf die erforderliche Höhe und transportiert die Rohkarosserie in Position. Der Anschlag der Vorschublinie vor der Warteposition öffnet sich, und der leere Träger wird von der Kette zum Heberanschlag gezogen. Anschließend wird der Träger mithilfe der Trägerbolzen-Positioniervorrichtung positioniert. Der Heber senkt sich ab und trennt den Heberollenförderer vom Werkstück, das sich auf dem leeren Träger absetzt. Der Heber senkt sich weiter zur Empfangsposition. Der Anschlag des Hebersegments öffnet sich, und der beladene Träger wird von der Kette in die Lagerlinie gezogen.

2. Förderband:
Die Förderstrecke ist nach wissenschaftlichen Gesichtspunkten so konzipiert, dass das Fördersystem keine anderen Anlagen in der Werkstatt beeinträchtigt. Sie erfüllt die Anforderungen für die Förderung und Lagerung von Karosserieteilen. Die Gesamtlänge der Strecke beträgt ca. 2000 Meter, wobei sechs Antriebsstationen zur Steuerung von sechs separaten Förderketten eingerichtet sind.

3. Lagerzone:
Da die Werkstatt drei Hauptproduktreihen fertigt und die Reihenfolge der Fahrzeuge in der Lackiererei von der Produktionsreihenfolge der Schweißerei abweicht, müssen die Reihenfolge und die Lagerung der Rohkarosserien (BIWs) berücksichtigt werden. Basierend auf den Gegebenheiten und dem verfügbaren Platz in der Werkstatt wurden drei Lagerlinien für drei verschiedene BIW-Typen konzipiert, wobei jede Linie 20 BIWs aufnehmen kann. Zusätzlich ist ein Expresskanal vorgesehen, über den neu angelieferte BIWs den Lagerbereich umgehen und direkt über das Förderband zur Lackiererei transportiert werden können.

4. Entladen des Hebezeugs/Aufzugs:
Der beladene Träger wird mittels einer Kette zum Anschlag des Hebers gezogen, wo die Trägerbolzen-Positioniervorrichtung den Träger fixiert. Der Heber fährt auf die erforderliche Höhe, hebt die Rohkarosserie (BIW) an, und die Rohkarosserie trennt sich vom Träger. Die Trägerbolzen-Positioniervorrichtung löst sich, der Trägeranschlag öffnet sich, und der leere Träger wird von der Kette von der Entladestation weggezogen. Anschließend wird die Rohkarosserie mittels einer Teleskopgabel auf den Farbwalzenwagen verladen.

III. Strukturelle Merkmale und Leistungsfähigkeit der Haupt-Druckluft- und Kühlsystemausrüstung

Das Fördersystem nutzt einen 4 Zoll breiten, einteiligen, schubkopfbetriebenen Hängeförderer (P&F) zum Transport der Produkte. Zu den Hauptkomponenten gehören Antriebseinheit, Spannvorrichtung, Kette, Laufwagen/Mitläufer, Schubvorrichtung, gerade Schiene, horizontale Kurvenschiene (Rollenkurven), vertikale Kurvenschiene, Weichen, Trägerbaugruppe, Stopper, Steuereinheiten (Decoder), Schutznetze und weitere Stahlkonstruktionen. Die Konstruktionsformen sind wie folgt:

1. Antriebseinheit
Die Antriebseinheit ist als Linearantrieb ausgeführt. Die Linearantriebsstation ist mit einer unabhängigen Kettenantriebskette zur Ansteuerung der Zugkette ausgestattet. Die Führungsplatte der Kettenantriebskette weist eine große Bogenform auf, um das Schwingen der Zugkette zu minimieren und einen ruhigen Lauf zu gewährleisten. Die Linearantriebsstation besteht aus einem festen und einem beweglichen Rahmen. Der Antriebsmotor verfügt über eine Frequenzumrichtersteuerung und ist mit einem Überlastschutz ausgestattet.
Die lineare Raupenantriebseinheit besteht aus einem Maschinenrahmen, einem schwimmenden Rahmen, einem Getriebemotor und einer Antriebskette. Der Motor treibt das Untersetzungsgetriebe direkt über eine Kupplung an und verfügt über einen linearen (rotierenden) mechanischen Überlastschutz. Der robuste Stützrahmen gewährleistet die ausreichende Antriebskraft der Antriebseinheit. Das verstellbare Spannrad und die Kettenführung ermöglichen eine einfache und bequeme Montage und Einstellung des Ketteneingriffs. Im Überlastfall signalisiert der lineare mechanische Überlastschutz rechtzeitig und schaltet die Stromzufuhr ab. Eine Inspektionsplattform an der Antriebseinheit ermöglicht den einfachen Zugang zu allen Komponenten. Schmiernippel sind für die manuelle Schmierung gut erreichbar positioniert.

2. Spannvorrichtung
Das P&F-Förderband verfügt über einen pneumatischen Spannmechanismus mit Rollenlagern zwischen dem festen und dem beweglichen Rahmen. An beiden Enden der Spannvorrichtung sind Endschalter installiert, um unzureichende Kettenspannung und Überhub zu verhindern. Es wurde eine pneumatische Spannvorrichtung mit einem Hub von s = 800 mm gewählt, die eine Kettenlänge entsprechend einer Schieberteilung aufnehmen kann. Nach der Justierung beträgt der ungenutzte Hub der Spannvorrichtung mindestens 50 % des Gesamthubs. Die Spannvorrichtung ist mit einer Inspektionsplattform ausgestattet.

3. Kette, Laufwagen (Hilfslaufwagen) und Schieber
Die Zugkette ist eine standardmäßige, geschmiedete und abnehmbare Kette aus 45Mn2-Stahl. Die Kette X-458 hat eine Bruchlast von 216 kN und eine zulässige Zugkraft von 15 kN bei einer theoretischen Teilung von 102,4 mm. Die Kette muss ohne Kriechen oder Springen laufen.
Die Zugkette wird von Kettenlaufwerken getragen. Der Laufwerkskörper ist ein hochfestes, einteilig geschmiedetes Bauteil. Die Laufwerke sind verschraubt. Die Rollen sind Vollkugellager ohne Käfig und bieten moderates Lagerspiel, geringen Widerstand, dreilagigen Labyrinthdichtungsschutz und einen externen Druckschmiernippel. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen und rauen Bedingungen. Die Anordnung der Laufwerke ist durchdacht und auf die vertikalen und horizontalen Kurven der Zugkette abgestimmt. Beidseitig des Schiebers sollte eine Doppelgruppenlagerung erfolgen.
Ein vierrädriger Lastwagen besteht aus einem Vorderwagen, einem Hinterwagen, zwei Mittelwagen, einer gedämpften und einer starren Verbindungsstange sowie einer Lenkstange. Der Vorderwagen dient als Zugwagen und arbeitet mit dem Stopper und dem Hinterwagen zusammen, um das Anhalten und die Ladungssicherung zu gewährleisten. Die Mittelwagen stützen den Lastwagen. Zwei Sätze Verbindungsbolzen tragen den Lastwagen. Eine gedämpfte Verbindungsstange sorgt für die erforderliche Ladelänge und dämpft die Lasten des Lastwagens. Vorder- und Hinterwagen sind aus präzisionsgegossenem Stahl gefertigt. Wagenkasten und Seitenplatten sind mit hochfesten Schrauben und Sicherungsmuttern verbunden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Wagens zu gewährleisten. Der Lastwagen erfüllt die Anforderungen an einfache Montage, flexible Bedienung, durchdachte Konstruktion, Robustheit, Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Er zeichnet sich durch geringes Spiel, niedrigen Widerstand, gute Abdichtung und einen externen Druckschmiernippel aus.

4. Gleis (Gerades Gleis)
Das Schienensystem besteht aus drei profilierten Stahlsegmenten, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Schienensegmente erfolgt durch Verschraubung. Die Kettenschiene ist aus I10-Stahl gefertigt, die Laufkatzenschiene aus 4-Zoll-Spezial-U-Profilstahl.

5. Horizontale Kurvenstrecke (Rollenkurven)
Der horizontale Kurvenabschnitt der Kettenführung ist mit Rollenbögen ausgestattet, um den korrekten Lauf der Antriebskette und den korrekten Eingriff zwischen Vorschubfahrzeug und Laufkatze zu gewährleisten. Im Kurvenabschnitt berührt die Antriebskette die Rollen der Rollenbögen, die eine bestimmte Härte aufweisen. Die Rollen sind in speziell gefertigten Radnuten gelagert und verfügen über abgedichtete Lager mit externen Ölnippeln zur regelmäßigen Schmierung. Der Kurvenwinkel wird durch die Gesamtstreckenführung bestimmt. Für die Herstellung der Kurvenführung wird dasselbe Material verwendet wie für die geraden Schienen.

6. Vertikale Kurvenstrecke
Die Oberfläche der vertikalen Kurvenschiene ist glatt, und ihre Krümmung beeinflusst die Kettenspannung nicht. Die Schienenkrümmung wird gemäß den Prozessanforderungen festgelegt.

7. Weichen (Ausweichstellen)
Weichen werden in Umleitungs- und Zusammenführungsweichen unterteilt.

• Weichen: Dienen dazu, eine Strecke in zwei zu teilen. Die Fahrtrichtung des Lastwagens wird beim Passieren der Weichen automatisch von der SPS im Schaltraum über ein Magnetventil, einen Luftzylinder und die Schaltzunge in der pneumatischen Einheit der Weiche gesteuert.
• Zusammenführende Weichen: Dies sind ungesteuerte Weichen, die zum Zusammenführen zweier Gleise zu einem Gleis verwendet werden. Der Lastwagen durchfährt die zusammenführende Weiche, indem er die Weichenzunge durch seine eigene Kraft öffnet.

8. Trägerbaugruppe
Die Trägerbaugruppe besteht aus einem vorderen Laufwagen, zwei mittleren Laufwagen, einem hinteren Laufwagen, vorderen und hinteren Verbindungsstangen und dem Träger (der Vorrichtung).

9. Stöpsel
Der Anschlag ist als pneumatisch angetriebene Rollenanschlagplatte ausgeführt. Beim Einrasten des Anschlags stoppt dieser den vorderen Wagenschieber der Fahrwerksbaugruppe, nachdem er sich von der Schubstange der Zugkette gelöst hat, und positioniert ihn so. Das System ist mit einer Positionserkennungseinrichtung für den Anschlag ausgestattet.

10. Sicherheitsnetze und andere Montage-Stahlkonstruktionen
Als integraler Bestandteil des Systems sind in den Bereichen, in denen die Förderanlage verläuft, Schutznetze installiert. Die Stahlkonstruktion der Anlage ist als unabhängige Fachwerkaufhängung ausgeführt.

IV. Entwurf des elektrischen Steuerungssystems für P&F-Ketten

Das elektrische Steuerungssystem verwendet eine Siemens S7-SPS als Kern für die Anlagensteuerung, ausgestattet mit Ethernet- und Feldbus-Kommunikationsmodulen. Vor dem automatischen Start der Anlage ertönt ein akustisches Signal. Der Hauptstromkreis aller Systemmotoren ist mit Niederspannungs-Leistungsschaltern versehen. Die Steuerschaltung wird durch die SPS und Frequenzumrichter gemeinsam realisiert, um den Betrieb der Motoren mit hoher/niedriger Drehzahl und Vorwärts-/Rückwärtslauf zu ermöglichen. Gleichzeitig stellt die Steuerschaltung des Frequenzumrichters Fehlerausgänge für Überlast, Kurzschluss, Phasenausfall und weitere Schutzfunktionen für die Motoren bereit.

Die Erfassung der Feldeingangssignale und der Informationsaustausch mit der Justierlinie und der Lackiererei erfolgen über Feldbustechnologie. Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Offenheit und ein umfassendes, robustes Netzwerkprotokoll aus. Die SPS-Hauptstation und die nachgeschalteten Bedienstationen bilden über den Bus ein Profibus-DP-Netzwerk. Dies gewährleistet zuverlässiges Lesen und Schreiben von Daten zwischen SPS und den Unterstationen und garantiert letztendlich die automatisierte Produktion sowie die automatische Steuerung der Prozessparameter der gesamten Linie durch Programmierung. Der Status aller Feldgeräte kann zunächst an die SPS und anschließend zur zentralen Überwachung über das Feldbusnetzwerk an den Host-Rechner gesendet werden. Das Steuerungsschema ist einfach, die Struktur übersichtlich und die Wartung komfortabel. Zusätzlich ist der Schaltschrank mit einem Touchscreen ausgestattet, der den Betriebszustand der Geräte anzeigt und eine schnelle Fehlerabfrage ermöglicht.

Das elektrische Steuerungssystem der Schweißanlage besteht aus einem Hauptbedienfeld (MCP), drei Fernbedienfeldern (RCP) und neun Bedienstationen (OS). Das MCP ist das Hauptbedienfeld der Schweißanlage; die RCPs sind die elektrischen Steuerschränke der Schweißanlage RCP01, RCP02 und RCP03; die OSs sind die Bedienstationen BS01, BS02, BS03, BS04, BS05, BS06, BS07, BS08 und BS09. Die Bedienstationen BS01, BS03 und BS09 sind mit Touchscreens ausgestattet.

Das P&F-Kettenantriebssystem besteht aus 6 Antriebsmotoren: M1, M2, M3, M4, M5 und M6.

P&F-Kettenlinien-Startprozedur:

Schließen Sie den Hauptleistungsschalter im Schweiß-P&F-Ketten-MCP, um RCP01, RCP02 und RCP03 mit Strom zu versorgen. → Schließen Sie die Leistungsschalter in RCP01, RCP02 und RCP03, um die SPSen und elektrischen Geräte in RCP01, RCP02 und RCP03 sowie die Bedienstationen BS01 bis BS09 mit Strom zu versorgen. → Schließen Sie die Leistungsschalter in den Bedienstationen, um die SPSen und elektrischen Geräte in den Bedienstationen mit Strom zu versorgen. → Wenn alles in Ordnung ist, kann die Steuerstromversorgung per Schlüssel abgeschaltet werden, und die Kontrollleuchte für die Steuerstromversorgung leuchtet auf. → Gehen Sie zur Fernstation RCP01 und wählen Sie den Linienbetriebsmodus: „Halbautomatisch“, „Wartung“ oder „Automatisch“. → Schließen Sie die Motorleistungsschalter in der Fernstation, um den Start der Antriebsmotoren M1, M2, M3, M6, M4 und M5 zu ermöglichen und so die Förderkette anzutreiben. → Gehen Sie zur Fernstation RCP01 und drücken Sie „Systemstart“.

Im Wartungsmodus leuchtet die Systemstartanzeige auf. Im Halbautomatik- oder Automatikmodus startet die Förderkette automatisch, und die Systemstartanzeige leuchtet ebenfalls auf.

P&F Kettenleinenstoppverfahren:

Gehen Sie zum Fernbedienungsfeld RCP01 und drücken Sie „Systemstopp“. Die Kettenlinie stoppt, und die Kontrollleuchte „Systemstopp“ leuchtet auf.

Die Betriebsmodi der Kettenförderanlage sind „Halbautomatisch“, „Wartung“ und „Automatisch“. Im Wartungsmodus können die Hebevorrichtungen LF1 und LF2 sowie die Stopper manuell von Wartungspersonal bedient werden. In den Modi „Halbautomatisch“ und „Automatisch“ sind alle Steuer- und Stopperfunktionen nur bei laufender Kettenförderanlage aktiv. Bei einem Notstopp der Kettenförderanlage behalten alle Steuer- und Stopperfunktionen ihren aktuellen Zustand bei, bis die Kettenförderanlage wieder in Betrieb genommen wird.
Bei einem Geräteausfall sofort den Not-Aus-Knopf am Fernbedienfeld, der Bedienstation oder dem Tastenfeld betätigen. Nach Behebung der Störung kann die Produktionslinie erst nach Betätigung der Taste „Störungsrücksetzung“ wieder in Betrieb genommen werden.

Test der Produktionsindikatoren:

Drücken Sie die Taste „Testanzeige“; alle Lichter leuchten auf und ein Signalton ertönt. Durch Loslassen der Taste wird der Test beendet.

Die von Automobilherstellern eingesetzten Hängeförderanlagen dienen heutzutage nicht mehr nur dem Transport von Werkstücken und Karosserien, sondern bilden ein komplexes, hochautomatisiertes mechanisch-elektrisches Steuerungssystem. Sie ermöglichen die parallele Fertigung verschiedener Karosserietypen und gewährleisten den bedarfsgerechten Transport und die Lagerung der Karosserien. Die Übergabestation erfordert präzise Positionierung und automatischen Transfer. Das gesamte P&F-Fördersystem transportiert die in der Schweißerei fertiggestellten Karosserien präzise und ohne manuelle Eingriffe zur Lackiererei.