Vom Standard zur schnelleren Individuallösung

Automatisierungszelle – universell und netzwerkfähig

Mit einer standardisierten, flexibel konfigurierbare Fertigungszelle sollen sich dank moderner Ausstattung mit Roboter, SPS und weiteren Komponenten Aufgaben einfacher automatisieren lassen.

Die standardisierte Fertigungszelle soll schnelle und kostengünstige Automatisierungen verschiedener Aufgaben und Abläufe ermöglichen.

Manuelle Nacharbeit oder Montage ist aufgrund hoher Lohnkosten in Deutschland besonders teuer. Als Konsequenz entsteht ein hoher Automationsbedarf, um in den Stückkosten wettbewerbsfähig zu bleiben. Leider werden langfristige Liefervereinbarungen immer seltener, so dass sich das Investitionsrisiko für die Automatisierung erhöht. Dieses Dilemma lässt sich nur durch eine effektive und standardisierte Automatisierung lösen.

Und schließlich zeichnet sich deutlich ab, dass auch in klein- und mittelständischen Betrieben die Vernetzung der Produktionsmaschinen in naher Zukunft zum Standard wird. Eine komplette Betriebsdatenerfassung zur Qualitätssicherung ist heute schon in vielen Bereichen nicht mehr ein „nice to have“ sondern ein „must“. Damit wird aus dem Wunsch zur Automatisierung um Kosten zu senken, eine Voraussetzung um überhaupt bei der Auftragsvergabe berücksichtigt zu werden. Für ein Automationsprojekt, die Montage von Puderdosen wurden drei Lösungsansätze entwickelt und bewertet. Der erste Ansatz repräsentiert die klassische Automationslösung bestehend aus einzelnen (diskreten) pneumatischen und elektromechanischen Aktoren, gesteuert von einer SPS. Das Ganze verbaut in einem eigens konstruierten Rahmen und mit den notwendigen Schutzeinrichtungen versehen – eine „diskrete Lösung“.

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Die zweite Variante besteht im Kern aus einem von Servomotoren getriebenen dreiachsigen Portalsystem zum Handling der Bauteile. Dieses ist in eine passend konstruierte Sicherheitszelle integriert. Gesteuert wird das System von einer leistungsfähigen Steuerung (Hutschienen-PC mit NC-Software). Portal, Sicherheitszelle und Steuerungsprogramm sind Eigenentwicklungen.

Die Dritte der zu vergleichenden Lösungen basiert auf einem Industrieroboter, einer (kleinen) SPS mit Feldbusschnittstelle und einer sicheren Zelle. Die Zelle ist eigens konstruiert, der Roboter ist eine zugekaufte Komponente.

Bei einer gewichteten Bewertung der Lösungen entsprechend verschiedener Eigenschaften wird deutlich, dass die Robot-Zelle dem geforderten Profil vor allem aufgrund ihrer Flaxibilität und Usebility mit großem Abstand am nächsten kommt. Aus der Höhe des Vorsprungs lässt sich schließen, dass dies für viele Automationsprojekte der richtige Lösungsansatz ist. Dennoch finden Industrieroboter bislang nur zögerlich den Weg in viele kleinere und mittelständische Betriebe. Diese liegt an den vermeintlich zu hohen Kosten und daran, dass es ja nicht mit dem Kauf eines Roboters getan ist. Der Aufwand für die Programmierung, die Steuerung der Peripherie, die Schutzmaßnahmen und die Dokumentation wird als zu hoch eingeschätzt.

Die realisierte Lösung besteht aus einer um den Roboter herum gebauten, standardisierten Hard- und Software, die für viele Aufgaben nur noch adaptiert werden muss. Die SPS lässt sich einfach mit Feldbusmodulen, die über Profinet verbunden sind, erweitern. Damit bleibt der Schaltschrank unangetastet. Montage (Verdrahtung) und Inbetriebnahme werden stark beschleunigt, die gesamte Zelle lässt sich leicht an neue oder geänderte Produkte und Anforderungen anpassen. Über die Profinetschnittstelle kann die einzelne Zelle auch mit anderen Zellen und übergeordneten Systemen kommunizieren – ein wichtiges Merkmal für ihre Zukunftssicherheit.

Um auch auf der mechanischen Seite die Zelle möglichst flexibel zu gestalten wurden Front- und Rückseite mit mehrteiligen Blenden ausgestattet. Damit wird eine Anpassung des Materialflusses vereinfacht. Es sind sowohl Inline- als auch Kopfanordnungen für Materialzu- und Abfuhr möglich und die Zelle kann auch manuell beschickt werden. Dabei werden lediglich die Blenden ausgetauscht oder bearbeitet. Die Sicherheit der Zelle wird nicht beeinträchtigt.

Als Standardsystem enthält die Zelle einen Scara-Roboter von Epson, der flexibler ist als Linearsysteme. Er ist einfach in Programmierung und im Handling. Eine Siemens S7-1200 Kompaksteuerung mit Micropanel steuert die Peripherie. Sie bildet einen Quasi-Standard in der Industrie und ist in Feldbusmodulen einfach zu erweitern. Ein Aluminium-Profilsystem von Bosch-Rexroth mit T-Nuten-Grundplatte bildet die mechanische Basis für den Aufbau. Die seitlichen Zugangstüren sind überwacht. Individuell anpassbare Blenden an Front- und Rückseite ermöglichen einfache Anpassungen an den Materialfluss. Der Schaltschrank ist integriert.

Mitgeliefert wird ein 3D-Simulationsmodell der Zelle mit Roboter. Damit kann bereits während der Planung das Roboterprogramm entwickelt und die Anordnung der Peripherieelemente in der Zelle optimiert werden. Außerdem gehört eine umfangreiche Dokumentation zum Lieferumfang.

Damit wird eine erprobte, steckerfertige Zelle angeboten, deren Hard- und Software lediglich um die anwendungsspezifischen Bausteine erweitert werden muss. Das Erfüllen der Dokumentationspflicht wird durch die mitgelieferten, vorgefertigten Dokumente stark vereinfacht.

Aufgabe: Montage einer Puderdose
Die oben genannte Automatisierung der Montage einer Kosmetikverpackung aus spritzgegossenen Komponenten wurde so realisiert. Die Dose besteht aus Unterteil und (Klapp-) Deckel, verbunden über zwei Scharnierstifte aus Stahl. Zu verarbeiten sind zwei Größen bei denen eine Heißprägung auf Ober- oder Unterteil erforderlich ist.

Für die Montage der Stifte und für die Heißprägung existieren kleine Maschinen, die bislang manuell bestückt wurden. Aus der Erfahrung mit ähnlichen, früheren Projekten war allerdings bekannt, das es häufig zu Reklamationen aufgrund von Kratzern (die Oberflächen der Teile sind spiegelblank) oder Verschmutzung (Fingerabdrücke) kam. Es wurde daher gefordert, dass die verschiedenen Teile weder lose in Behälter geschüttet werden, noch manuell montiert werden dürfen.

Ober- und Unterteil werden automatisch direkt an der jeweiligen Maschine sortiert in tiefgezogene Trays gesetzt. Je ein Tray für Ober- und Unterteil wird über eine Schublade einer Robotzelle zugeführt. Innerhalb der Zelle werden die Teile geprägt und verstiftet. Die fertigen Puderdosen laufen auf einem Förderband aus der Roboterzelle zur Endprüfung und Verpackung. Aus Kostengründen und weil es sich um erprobte Technik handelt, wurden die vorhandene Prägemaschine und der vorhandene Stiftautomat in der Zelle verwendet.

Inzwischen wurden nach Unternehmensangaben mehr als 10 Millionen Puderdosen auf der Anlage montiert. Abgesehen vom routinemäßigen Tausch von Verschleißteilen wie Prägestempeln, und Auswerferstiften und der vorgeschriebenen Wartung waren bislang keine Reparaturen notwendig. Für die Anpassung auf größere Puderdosen wurden lediglich neue Aufnahmen gefräst. Die Änderungen im Aufdruck (Bedruckung des Unterteils statt des Deckels) erforderte lediglich eine Softwareänderung und war innerhalb von vier Stunden erledigt. Reklamationen aufgrund von Kratzern oder Verschmutzung gebe es nicht mehr.

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