Antriebstechnik Retrofit: Servoantriebe bringen 50 Jahre alte Mechanik auf den neusten Stand

Die Strausak Mikroverzahnungen AG produziert Maschinen, die kleinste Teile verzahnen oder rollieren. Nach einem Retrofit steuern nun Systeme von Siemens die Prozesse.

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Weniger als einen Millimeter Durchmesser und sieben Zähne – wer das winzige Zahnrad mit bloßem Auge sieht, hält es für ein Staubkorn. Erst mit einer zehnfachen Lupe sind die feinen Strukturen erkennbar. In solchen Dimensionen bewegen sich die Teile, die von den Präzisionsmaschinen der Strausak Mikroverzahnungen AG für die Uhrenindustrie bearbeitet werden.

In einer mechanischen Uhr sind je nach Fabrikat zehn bis fünfzig winzige Zahnräder verbaut. Durch ihre Mitte geht senkrecht eine feine Achse, die auf beiden Seiten kleine Zapfen aufweist – der Fachmann nennt sie Pivot. Diese sind zwischen 0,08 – 0,50 mm dünn und meist an beiden Enden angespitzt. Der Uhrmacher passt die Zapfen in eine Bohrung in einem Rubin ein. Damit ist das Zahnrad gelagert und dreht sich im Uhrwerk.

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Rollieren für maximale Oberflächengüte

Bei diesen winzigen Dimensionen ist höchste Präzision gefragt. Das Zahnrad muss in der Uhr absolut rund laufen und zwischen Zapfen und Rubin darf es möglichst keine Reibung geben. Dazu muss die Oberfläche des Zapfens so eben und regelmäßig wie möglich sein.

Mit herkömmlichen Schleif- oder Polierprozessen lässt sich die geforderte Maßhaltigkeit und Oberflächengüte nicht erreichen. In der Uhrenindustrie wird deshalb das Verfahren des Rollierens angewendet – eine Mischung aus Material abtragen und Verdichten: Die Rollierscheibe, eine Hartmetallscheibe mit winzigen Kerben, dreht wie bei einer Rundschleifmaschine mit 1000 bis 1500 min^-1. Sie wird mit einer dosierten Kraft von bis zu 5 kg auf den Zapfen gepresst. Die Kerben in der Rollierscheibe sorgen dafür, dass vorstehendes Material abgetragen wird. Gleichzeitig wird der Zapfen durch den Druck der Scheibe verdichtet. Um rundum die gleiche Oberflächengüte zu erreichen, wird das Werkstück während seiner Bearbeitung um die Längsachse gedreht.

Das Resultat ist beachtlich: Stellt man sich die Oberfläche als Berglandschaft in einer Mikrowelt vor, hätte ein Wanderer von den Tälern auf die Gipfel nur gerade eine Höhendifferenz von 0,05 µm – das ist weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares – zu überwinden. Mit dem Rollieren wird jedoch nicht nur die Oberfläche vergütet. Die Verdichtung macht die Zapfen auch härter und stabiler.

Mechanik mit neuer Elektronik

Die Maschinen von Strausak Mikroverzahnungen in Grenchen bearbeiten die Zapfen an beiden Seiten des Zahnrads gleichzeitig. Sie sind mit zwei so genannten Rollierquillen – so wird die Spindel mit der Rollierscheibe genannt – ausgerüstet. Befestigt sind sie in einem stabilen Gussrahmen. „Damit erreichen wir die geforderte hohe Genauigkeit. Die massive Konstruktion bewährt sich seit 50 Jahren“, erklärt Markus Alaimo, Techniker in der Entwicklung bei Strausak Mikroverzahnungen. „An der Mechanik wollten wir nichts ändern, die elektrischen Komponenten waren aber in die Jahre gekommen.“ Die Techniker unterzogen die Rolliermaschine deshalb einem umfassenden Retrofit und erneuerten alle elektrischen Komponenten.

Heute steuert eine Simatic ET 200SP von Siemens den Produktionsprozess. Für die vier Motoren Simotics S-1FK2 ist je ein Sinamics-S210-Servoantrieb installiert. „Bei diesen Antrieben braucht es nur noch ein Kabel zum Motor. Das spart Platz und vereinfacht die Montage“, erklärt Stefan Zürcher, Produktmanager Antriebstechnik bei Siemens die Vorteile des Produkts. „Zudem sind die Komponenten kompakt.“ Das war ein entscheidendes Argument. Denn der Schaltschrank ist im Sockel eingebaut, auf dem die Maschine steht. Dieser ist deutlich breiter und länger als die Maschine, dazu Alaimo: „Der Schaltschrank bestimmt die Größe des Sockels. Wenn bei einem Kunden viele Maschinen in der Produktionshalle stehen, ist auch dies ein entscheidendes Argument.“ Im Schaltschrank ist deshalb alles eng aneinandergebaut, Reserveplatz steht nur wenig zur Verfügung. Platz sparten die Techniker zudem mit der Steuerung Simatic ET 200SP. Sie hat kleine Abmessungen und dank der eingebauten Sicherheitsfunktionen sind keine zusätzlichen Relais nötig.

Enge Zusammenarbeit mit dem Kunden

Strausak Mikroverzahnungen arbeitet bei der Entwicklung eng mit den Endkunden zusammen. Beim Retrofit der Rolliermaschine war die Andres Antriebstechnik AG von Anfang an involviert. Das Familienunternehmen stellt seit 1986 mit Maschinen von Strausak Mikroverzahnungen Uhrenteile her. „Insbesondere bei der Bedienung und beim Einrichtprozess konnten wir unsere Erfahrung einbringen und wertvolle Anregungen liefern“, sagt Simon Andres, Geschäftsführer der Andres Antriebstechnik. So werden die Positionen des Rollierzyklus heute zum Beispiel einfach über das Bedienpanel angefahren und direkt gespeichert. „Früher mussten wir diese mechanisch einstellen. Mit der neuen Steuerung ist das Einrichten deutlich einfacher“, freut sich Andres.

Alaimo ist mit der Inbetriebnahme der Sinamics-S210-Antriebe via Webserver sehr zufrieden: „Kabel am Laptop einstecken und IP-Adresse eingeben – von da an ist alles selbsterklärend. Um die Antriebe in Betrieb zu nehmen, muss man kein Antriebsspezialist sein.“ Strausak Mikroverzahnungen nutzte das Retrofit auch für ergonomische Verbesserungen. So wurde zum Beispiel die Handauflage für die manuelle Beladung der Maschine verbessert, die Schutzhaube über den Rollierspindeln lässt sich schwenken und die Geschwindigkeit des Ladermotors ist einstellbar.

Nur noch Komponenten von Siemens

Kaum ist der Retrofit der Rolliermaschine abgeschlossen, nehmen die Techniker die nächste Anlage in Angriff. Auch dort wird das Unternehmen laut Alaimo mit Systemen von Siemens arbeiten: „Langfristig werden wir alle Maschinen auf Komponenten von Siemens umrüsten“. Alaimo setzt mit der Simatic ET 200SP und den Servoantrieben Sinamics S210, die Siemens auf der Hannover Messe 2019 auch für den Leistungsbereich 3AC 400 V zeigt, bewusst auf Komponenten, die am Anfang ihres Produktlebenszyklus stehen. „Unsere Maschinen sind auf lange Lebenszeiten ausgerichtet. Häufig werden sie nach zehn Jahren revidiert und dann weitere zehn Jahre eingesetzt. Die Komponenten müssen auch dann noch verfügbar sein“, sagt Alaimo. „Ein weiterer Grund, auf Siemens zu setzen.“ (ud)

Hannover Messe 2019: Halle 9, Stand D35

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