Schrauben

Anwendung

Was ist Roboter-Schrauben?

Verschrauben ist eine der häufigsten Fügeaufgaben im industriellen Assembly. Autos, Haushaltsgeräte, Elektronikgeräte, Möbel — überall wo mehrere Bauteile lösbar verbunden werden. Ein Roboter mit servogesteuertem Drehschrauber setzt jede Schraube mit dem exakt gleichen Drehmoment, dem exakt gleichen Drehwinkel, an der exakt gleichen Position — Schicht für Schicht, Millionen Male ohne Ermüdung.

Der wirtschaftliche und qualitative Hebel ist bei sicherheitsrelevanten Verbindungen besonders klar: In Automotive, Medizintechnik und Luftfahrt ist eine lückenlose Schraub-Dokumentation heute Pflicht. Für Rückverfolgung, Haftung, Rückrufe — jede einzelne Schraube muss mit Werten und Zeitstempel gespeichert werden. Das ist manuell praktisch nicht mehr zu leisten.

Prinzip der Schraubzelle

Eine automatisierte Schraubzelle besteht aus drei Kernkomponenten, die synchron arbeiten:

1. Roboter — bewegt den Schrauber präzise an jeden Schraubpunkt
2. Drehschrauber — führt den Schraubvorgang mit Drehmoment- und/oder Drehwinkelregelung aus
3. Schrauben-Zuführung — bringt die nächste Schraube in den Schrauber, sodass keine manuelle Bestückung nötig ist

Ergänzt durch Werkstückaufnahme, Sicherheitseinhausung und Steuerung mit Protokollierung. Über die Zellsteuerung fließen alle Prozessdaten in Echtzeit in die Dokumentation.

Nutrunner-Typen

• Servogesteuerte DC-Drehschrauber — der Standard für kontrollierte Verschraubung. Drehmoment, Drehwinkel und Drehzahl frei programmierbar, Werte in Echtzeit dokumentiert. Für kritische Verbindungen.
• Elektronisch gepulste Schrauber — hohe Drehmomente in kompakter Bauform (Chassis-, Motor-, Getriebeverschraubung im Automotive).
• Impuls-Drucklufttechnik — hohe Drehzahlen, günstiger im Anschaffung, aber weniger präzise. Nur noch für unkritische Verbindungen empfehlenswert.
• Marktübliche Hersteller: Atlas Copco, Desoutter, Bosch Rexroth, Deprag, Ingersoll Rand, Cleco. Für Cobot-Integration: Spin Robotics, Kolver.

Schrauben-Zuführung — kritisch für Zellzeit

Die Zuführung entscheidet oft über die Zykluszeit der ganzen Zelle. Vier gängige Prinzipien:

• Vibrationsförderer (Rütteltopf) — Klassiker. Schrauben werden im Topf in Reihe gebracht und über eine Führungsschiene zum Schrauber übergeben. Für hohen Durchsatz und Standardschrauben. Nachteil: laut, groß, jede Schraubentyp braucht eigene Vorrichtung.
• Blas-Zuführung — Schrauben werden über einen Schlauch mit Druckluft direkt in den Schrauber-Kopf geblasen. Sehr kompakt, flexibel bei Schraubentyp-Wechsel. Für kleinere Schrauben und hohe Flexibilität.
• Streifen-Zuführung — Schrauben auf Kunststoffbändern (wie bei Trockenbau-Schraubern). Für sehr hohe Stückzahlen bei einheitlicher Schraube.
• Bin-Picking — Griff in ungeordnete Kiste mit Vision. Höchste Flexibilität, aber geringste Zellenzeit-Effizienz. Für Klein- und Sonderserien.

Cobot oder Industrieroboter — zwei Varianten

Typische Anwendungen

• Automotive Interior — Cockpit-Montage, Türverkleidung, Sitzverschraubung
• Automotive Powertrain — Getriebe-, Motor-, Achsenverschraubung (hohe Drehmomente 100+ Nm)
• Consumer Electronics — Laptop-, Smartphone-, Haushaltsgeräte-Assembly
• Weiße Ware — Waschmaschinen, Kühlschränke, Trockner
• Möbel-Assembly — Schrankgehäuse, Bettrahmen, Bürostühle
• Solar- und Batteriefertigung — Modul- und Zellverschraubung
• Sicherheitstechnik — Schaltschrankaufbau, Elektro-Baugruppen

Die NEXOS-Konfiguration

• Roboter — Cobot oder Industrieroboter je nach Variante (siehe oben).
• Schrauber — servogesteuerter DC-Drehschrauber je nach Drehmomentbereich. Marktoffene Auswahl: Atlas Copco, Desoutter, Bosch Rexroth, Deprag, Spin Robotics.
• Schrauben-Zuführung — Vibrationsförderer, Blas-Zuführung oder Streifen-Zuführung. Für Multi-Schraubentyp: mehrere parallele Zuführungen oder Bit-Wechselstation.
• Werkstückaufnahme — mit Fixiervorrichtung, Positionsindexierung, ggf. Werkstückwender für 2-Stationen-Betrieb.
• Vision-System (optional) — für die exakte Erkennung von Schraubpunkten bei fertigungstoleranten Bauteilen. Passt Bahn dynamisch an.
• NEXOS.Cube als Montagezelle. Für Cleanroom-Anwendungen als Edelstahl-Variante.
• Anbindung an NEXOS.DSP — für lückenlose Schraub-Protokollierung, Chargenrückverfolgung, MES/QMS-Integration.

Ablauf einer typischen Zelle

1. Werkstück einlegen und fixieren (Bediener oder vorgelagerte Zelle)
2. Zyklus-Start — Positionsprüfung durch Sensorik oder Vision
3. Roboter fährt ersten Schraubpunkt an, Schraubernprogramm wird gewählt (bei Multi-Schraubtyp)
4. Schraube-Vereinzelung — Zuführung gibt eine Schraube in den Schrauber-Kopf
5. Verschrauben — Roboter presst leicht auf, Schrauber fährt Programm ab (Vorspannen, Fügen, Endmoment, ggf. Nachziehen)
6. Prüfung — Drehmoment, Drehwinkel, ggf. Schraubentiefe. NOK-Erkennung sofort.
7. Fortfahren zum nächsten Schraubpunkt bis alle Positionen abgearbeitet sind
8. Werkstück entnehmen bzw. weitergeben
9. Protokoll an DSP/MES/QMS mit Zeitstempel, Werten pro Schraube, Chargen- und Werkzeug-ID

Warum sich das rechnet

• Cobot-Zelle: Investment 50.000–120.000 € (Roboter + Schrauber + Zuführung + Zelle). Amortisation typisch 12–24 Monate bei Zwei-Schicht-Betrieb.
• Industrieroboter-Zelle: Investment 120.000–300.000 €. Amortisation 1,5–3 Jahre im Serienbetrieb.
• Qualitätsverbesserung: Schraub-NOK-Rate typisch von 0,5–2 % (manuell) auf <0,05 % (automatisiert). Reduzierte Nacharbeit, weniger Feldausfälle, weniger Reklamationen.
• Traceability: Gesetzlich vorgeschrieben in Automotive (VDA), Aerospace (AS9100), Medical (ISO 13485). Ohne Automatisierung kaum wirtschaftlich zu erfüllen.
• Ergonomie: Repetitive Schraubbewegungen führen zu RSI und Sehnenscheidenreizung. Mitarbeiter für Fügeaufgaben höherer Wertschöpfung freigespielt.

Skalierbarkeit

• Stufe 1 — Einzelne Cobot-Schraubzelle mit einem Schraubentyp und Vibrationsförderer
• Stufe 2 — Multi-Schraubtyp mit zwei parallelen Zuführungen oder Bit-Wechsel
• Stufe 3 — 2-Werkstück-Betrieb mit Wender/Rotary-Table für kontinuierliche Zelle-Auslastung
• Stufe 4 — Vision-basierte Positionskorrektur für Werkstücke mit hoher Fertigungstoleranz
• Stufe 5 — Vernetzte Montage-Linie mit mehreren Schraubzellen, Materialversorgung durch HERROX250, zentrales MES

Erweiterungsoptionen

• Automatischer Bit-Wechsel — für Anwendungen mit >2 unterschiedlichen Schraubtypen
• Vision-Positionierung — dynamische Bahn-Korrektur, wenn Werkstückposition streut
• Force-Torque-Sensor am Roboterflansch für haptisches Suchen von Gewinde bei ausgerissener oder schrägliegender Öffnung
• Screw-Presence-Sensor im Schrauber — erkennt fehlende Schraube vor dem Schraubvorgang
• Digitaler Zwilling über NEXOS.XR — virtuelle Programmierung neuer Werkstücke, Kollisionsprüfung

Wichtige Auslegungsparameter

• Schraube: Typ (Kopfform, Antrieb), Länge, Durchmesser, Material, ggf. Beschichtung
• Drehmomentbereich: Nenn- und Maximaldrehmoment, Toleranz
• Anzahl Schrauben pro Bauteil und Anzahl unterschiedlicher Schraubtypen
• Verfügbarkeit der Schraubposition — offen, versenkt, in Sackloch, mit Vor-Ort-Zuführung nötig?
• Zugänglichkeit: welche Achse muss der Schrauber anfahren? Manchmal Winkeladapter oder Getriebekopf nötig
• Taktrate in Bauteilen/Stunde und Schrauben/Bauteil — bestimmt Zellendesign
• Traceability-Anforderung (VDA, AS9100, ISO 13485, individuell) — bestimmt Datenumfang und -aufbewahrung

Sicherheit & Traceability

• Kollaborativer Betrieb möglich bei kleinen Drehmomenten, ggf. mit Sicherheitshaube um den Schrauber-Kopf. Ab höheren Drehmomenten geschlossene Zelle.
• Not-Halt und Zwei-Hand-Bedienung beim Einlegen — Standard-Sicherheitsanforderung.
• Traceability-Protokoll pro Schraube: Werkstück-ID, Position, Zeitstempel, Ist-Drehmoment, Ist-Winkel, Ergebnis (OK/NOK), Werkzeug-ID. Archivierung typisch 10 Jahre nach Baugruppenauslieferung.
• Werkzeugkalibrierung — regelmäßig, teilweise täglich vorgeschrieben. Kalibrierergebnis wird ebenfalls protokolliert.