Schaltschranklose Wickelmaschine steigert Takt von 60 auf 250 Wicklungen pro Minute

Das Wickeln von Spulen ist eine Aufgabe, die es in der Industrie milliardenfach zu erledigen gilt. Hoch im Kurs stehen deshalb schnelle, präzise und zuverlässige Prozesse. Doch steigende Anforderungen hinsichtlich der Kosteneffizienz und neuen Fertigungsstrukturen verlangen dem Maschinenbau einiges ab. Dabei eröffnet das MX-System von Beckhoff dem Unternehmen Aumann ganz neue Perspektiven, wie die Umsetzung der ersten schaltschranklosen Maschine zur Elektromotorenfertigung unterstreicht.

Ob für Transformatoren, Elektromotoren oder Magnetventile: Was das Wickeln von Spulen angeht, macht Aumann niemand so schnell etwas vor. Passende Fertigungsmaschinen produziert der Maschinenbauer in Deutschland seit rund 90 Jahren für Branchen wie den Automobilbau, die Elektro-, Mobilfunk- und IT-Industrie oder die Medizintechnik. Dabei umfasst das Angebot nicht nur fast alle gängigen Wickeltechniken. „Über die Zeit sind Randprozesse wie Vormontieren, Kontaktieren, Prüfen, Kleben und Fügen hinzugekommen“, erzählt Jürgen Hagedorn, Technischer Leiter Wickeltechnik bei Aumann Espelkamp. „In einigen unserer Anlagen macht der Wickelprozess nur noch 20 bis 30 % aus.“ So ist das Unternehmen nach eigenen Angaben der einzige Anbieter weltweit, der die Wertschöpfung von der Drahtlackierung über das Bewickeln bis hin zur Endmontage der Produkte abdeckt – und die passende Automatisierungstechnik gleich mitliefert.

Mit den Anforderungen an die gewickelten Spulen wachsen naturgemäß auch die Ansprüche an die Fertigungstechnik: Es gilt nicht nur präzise, wiederholgenau und zuverlässig zu wickeln, sondern auch extrem schnell sowie möglichst exakt zugeschnitten auf das zu fertigende Produkt. Hier kommt der Standort Espelkamp ins Spiel. Denn genau auf solch anspruchsvolle Wickellösungen, vornehmlich für Elektromotoren, hat sich die Aumann Espelkamp GmbH innerhalb der Unternehmensgruppe Aumann AG spezialisiert.

Mehr Flexibilität für den Anwender

Was sich dabei deutlich abzeichnet: Ergänzend zur Produktivität rückt beim Endanwender auch die Flexibilität immer mehr in den Fokus. Das wirkt sich wiederum stark auf den grundlegenden Aufbau der Maschinen aus, etwa beim orthozyklischen Nadelwickeln von Rotoren für Elektrofahrzeuge. „Diese Art der Wicklung ist sehr anspruchsvoll“, erklärt Christian Gerkensmeier, Leiter mechanische Konstruktion und Wickeltechnik bei Aumann Espelkamp: „Der Draht muss lagenweise perfekt abgelegt werden.“ Der Hersteller setzt deshalb auf eine besondere Kombination aus Servomotoren und mechanischem Kurbeltrieb, die für sinusförmige Nadelhübe sorgt – bis dato vor allem in großen Maschinen, die horizontal bis zu acht Bauteile gleichzeitig bewickeln.

„Dabei sind die bewegten Massen allerdings ziemlich hoch, was die Geschwindigkeit einschränkt“, gibt Christian Gerkensmeier zu bedenken. „Indem wir den Wickelprozess bei der neuen A-NWS/V-Maschine in die Vertikale verlegen, haben wir die bewegten Massen signifikant reduziert.“ Ebenfalls deutlich geringer sind die Abmessungen, da nur noch zwei bis drei Spulen gleichzeitig bewickelt werden. „Die neue Vorgehensweise ermöglicht eine viel höhere Wickelgeschwindigkeit und gleichzeitig mehr Präzision“, hebt Jürgen Hagedorn hervor. Statt der bisherigen Größenordnung von 60 Wicklungen pro Minute, bringt es die A-NWS/V auf mehr als 250 Takte.

Aumann folgt damit einer modernen Methode: Statt einer großen Anlage, die unveränderlich auf eine bestimmte Zahl an Bauteilen ausgelegt ist, soll der Anwender mehrere kompakte Wickelzellen nebeneinander positionieren. Per Gantry verbunden nehmen sie in Summe nicht mehr Platz ein als ein horizontales Mehrfachwickelsystem. Je nach Bedarf lässt sich jedoch die Zahl der Zellen und damit die Dimension der Gesamtanlage flexibel anpassen. Dafür bedarf es auch mit Blick auf die Elektronik und Elektrotechnik einer außergewöhnlichen Lösung. Denn ein klassischer Schaltschrank – egal, ob direkt an der Maschine oder in deren Nähe – würde die modulare Freiheit wieder erheblich einschränken. Deswegen war für Aumann klar: Es muss ein wirklich neuer Ansatz her.

Paradigmenwechsel für die Branche

„Beckhoff ist seit vielen Jahren bevorzugter Partner für Automatisierung“, sagt Christian Gerkensmeier. Durch die enge Zusammenarbeit fiel das Augenmerk bei der neuen Maschine schnell auf das MX-System und die dahinterstehende Möglichkeit der schaltschranklosen Automatisierung – was nicht weniger als einen Paradigmenwechsel in der Automatisierungstechnik einläuten soll. Der Anwender wählt aus einem umfangreichen Baukasten die für seine Applikation passenden Funktionsmodule, steckt sie auf die standardisierte Baseplate und verschraubt sie. Mehr ist nicht nötig, um die gesamte Schalttechnik und Automatisierung einer Maschine dezentral sowie IP67-geschützt umzusetzen. Über einheitliche Schnittstellen werden alle Module ins EtherCAT-Netzwerk eingebunden und mit Energie versorgt.

„Aumann war einer der ersten Beckhoff Kunden, die sich intensiv mit dem MX-System beschäftigt haben, weil schnell klar wurde, welches Potenzial für künftige Maschinen besteht“, merkt Marvin Düsterhus, Produktmanagement MX-System, an. Herzstück der Aumann-Lösung bildet das IPC-Modul MC6030 mit einem Prozessor vom Typ Intel^® Core™ i5 der 11. Generation und 16 GB RAM. Über das Systemmodul MS1132 mit Hauptschalter, Sicherung und Netzteil werden systemweit 3-phasig 400/480 V AC und bis zu 32 A zur Verfügung gestellt. Hinzu kommen verschiedene weitere Module, z. B. für die Antriebsregelung oder die Kommunikationsanbindung von EtherCAT. Da das MX-System sehr kompakt baut, ließ es sich gut zugänglich im Unterbau der neuen Maschine integrieren. Die Vernetzung innerhalb der Maschine erfolgt – ergänzend zum MX-System-Kommunikations-Interface MO6224 – durchgängig über dezentrale EtherCAT-Box-Module der EP-Serie. Dadurch entfällt nicht nur der klassische Schaltschrank. Auch die sonst üblichen Klemmenkästen werden überflüssig. Zudem reduziert sich der Verkabelungsaufwand immens.

Vorteile auf beiden Seiten

„Den Fokus ausschließlich auf Effizienz und Leistung zu legen, greift in der heutigen Zeit zu kurz“, sagt Christian Gerkensmeier. „Vielmehr müssen wir auch die Kosten immer stärker berücksichtigen.“ Da Aumann Espelkamp den Schaltschrankbau ausgelagert hat, lässt sich mit dem MX-System viel bewegen. Der komplette Kostenblock entfällt, was der Maschinenbauer direkt durchreichen kann. Gleichzeitig holt er einen wichtigen Teil der Wertschöpfung zurück ins Haus. Ein weiterer Vorteil: Die Time-to-Market verkürzt sich. Das modulare, steckbare Konzept des MX-Systems beschleunigt nicht nur die Montage, sondern auch schon das Engineering.

„Platzbedarf, Aufwand, Kosten und Lieferzeiten: all das reduziert sich. Zudem brauchen wir weniger Fachkräfte und sind nicht mehr auf externe Dienstleister angewiesen. Alles in allem ein riesiger Strauß an Vorteilen.“ Gleichzeitig betont Christian Gerkensmeier aber: „Natürlich hat der Kunde weiterhin die Wahl. Er kann seine Maschine mit Schaltschrank oder ohne bestellen.“ Die Präferenz meint der Aumann-Experte aber schon zu kennen: „Ich bin überzeugt, dass sich unsere Kunden künftig größtenteils für das MX-System entscheiden.“ Denn letztlich spiele die schaltschranklose Automatisierung große Vorteile auf beiden Seiten aus – beim Maschinenbauer wie beim Endanwender.

Automatisierung in gewohnter Umgebung

Ebenfalls ein gewichtiges Argument für beide Seiten ist: Bis auf den Formfaktor bleibt die Automatisierung gleich. „Wir verfügen über große Erfahrung mit der Technik von Beckhoff“, bringt es Jürgen Hagedorn auf den Punkt. „Entsprechend wertvoll ist es, dass Engineering, SPS-Programmierung und Antriebsregelung weiterhin wie gewohnt in TwinCAT erfolgen, dabei gibt es bei Parametrierung und Programmierung nahezu keine Unterschiede zu anderen Beckhoff Produkten. Rein technisch gesehen ist die Umstellung auf das MX-System also kein großer Wurf.“ Infolgedessen fügt sich die Lösung nahtlos in die übrige Automatisierungs- und Antriebstechnik der Maschine ein.

Die Servomotoren der Baureihe AM8000, mit denen alle Achsen des Drahtverlegesystems sowie der Rotor-Aufnahme bewegt werden, sind direkt an die Servoverstärker MD8xxx des MX-Systems angebunden. Das verbindende Glied für die Kommunikation und den Anschluss von Sensoren sowie Aktoren innerhalb der Maschine bilden die bereits erwähnten EtherCAT-Box-Module der EP-Familie von Beckhoff. Natürlich spielt auch die Schnittstelle zum Bediener eine wichtige Rolle. „Aumann setzt schon seit langem auf Control Panels von Beckhoff“, sagt Robin Bertling, tätig im Vertrieb bei Beckhoff. „Für die Wickelmaschine A-NWS/V wurde das HMI – ein Multitouch-Control-Panel CP3916 – allerdings neu aufgesetzt: ergonomisch und nutzerfreundlich wie bisher – aber kundenspezifisch und vollständig im Aumann-Look-and-Feel.“ Auch an einigen anderen Stellen hat der Maschinenbauer die Automatisierungstechnik auf den Prüfstand gestellt, revidiert und modernisiert – z. B. mit der integrierten Sicherheitslösung TwinSAFE oder vorkonfektionierten, standardisierten Leitungen.

Weitere Referenzen in Sicht

Im nächsten Schritt plant Aumann, weitere Lösungen mit dem MX-System umzusetzen. „Wir wollen in Richtung Serienfertigung gehen“, betont Jürgen Hagedorn, „denn die vertikale Nadelwickelmaschine hat gezeigt: Das ist der richtige Weg. Wir werden kommende Maschinengenerationen also nicht nur konsequent in Modulbauweise konstruieren, sondern auch das MX-System von Beginn an berücksichtigen.“ Im Sondermaschinenbau räumt Aumann der schaltschranklosen Automatisierung ebenfalls gute Chancen ein. „Einige Kundenprojekte bieten sich gut als nächste Referenz an, weil sie sowieso durchgängig mit Beckhoff Technik geplant sind“, blickt Christian Gerkensmeier voraus. So sei etwa eine vollständig automatisierte Fertigungslinie mit dem MX-System geplant. „Wenn wir statt einzelner Prozesse komplette Anlagen auf diese Weise realisieren, können wir gegenüber dem Endanwender noch besser belegen: Schaltschrank war gestern!“