Auf gute Zusammenarbeit

BERND F. JOHANNSON

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er Markt der Kunststoff verarbei- tenden Industrie – und ich will hier stellvertretend nur auf den größ- ten und innovativsten Bereich, die Spritz- gießverarbeitung, eingehen – ist besetzt mit sehr vielen Kleinst-, Klein- und Fa- milienunternehmen, der traditionell star- ken Gruppe der mittelständischen Be- triebe, sowie mit Tochterunternehmen von Großkonzernen, die ihre Standorte in unmittelbarer Nähe ihrer Auftraggeber wählen. In diesem stark segmentierten Markt allgemeingültige Tendenzen auf- zuzeigen, ist nicht einfach, da diese na- turgemäß in den einzelnen Teilmärkten sehr unterschiedlich sind. Dabei spielt es heute keine Rolle mehr, wo der Standort des Betreibers liegt. In Asien gehört der Robotereinsatz genauso zum Ingenieur- wissen wie im Technologie- und Hoch- lohnland Deutschland. Roboter werden

dort wie hier gleichermaßen eingesetzt, wenn die Produktanforderungen einen maschinenfähigen Herstellungsprozess erfordern.

Roboter für kleine und große Anwendungen

„Pick&Place“-Aufgaben wie das Entfer- nen von Angüssen oder Kaltkanalvertei- lern und die Entnahme kleiner Formteile sind und bleiben die Domäne schneller, pneumatisch angetriebener Lineargeräte.

Mit schwieriger werdenden Aufgabenstel- lungen ersetzen elektrische Servoantriebe die Pneumatik Schritt für Schritt (Bild 1).

Die Summe der Erfahrungen bei kleinen, schnell laufenden und mittelgroßen Spritzgießmaschinen lehrt, dass ein Li- neargerät ein Formteil in einer kürzeren Zeit entnehmen kann als ein Knickarm- gerät, wenn Auswerfer oder Kerne das Formteil frei zur Übernahme darbieten.

Auf gute

Zusammenarbeit

Entwicklungstendenzen in der Automatisierung. Entwicklungstendenzen bei Produktionsmitteln sind in einer freien Marktwirtschaft immer die Antworten der Hersteller derartiger Maschinen auf die Aufgabenstellungen der Anwender. Diese wiederum werden getrieben von den Erwartungen der Endverbraucher.

Dieser Dialog ist eine wesentliche Triebfeder des wirtschaftlichen Lebens – auch im Umfeld der Automatisierung.

Bild 1. 3-Achs-Servo-Entnahmegerät mit zwei pneumatisch betriebenen Handachsen

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Roboter

und Mensch:

Die Zusammenarbeit zwischen Robotern regelt die Steuerung, die zwischen Mensch und Roboter wird sich in den nächsten Jahren entwickeln (alle Fotos außer Bild 8 : Remak)

Bei größeren Maschinen und Spritz- gussteilen gestaltet sich das Entformen oftmals schwieriger. Der Vorteil einer kur- zen Entnahmezeit verliert an Bedeutung, Knickarmgeräte rücken als Problemlöser in den Vordergrund. Da diese Geräte in ihrer Grundkonstruktion sechs Achsen enthalten, lassen sie sich leichter an wech- selnde Aufgaben anpassen, wenn ihnen ein genügend großer Arbeitsraum zur Verfügung steht. Einem solchen Roboter können zusätzliche Arbeiten übertragen werden, wenn er neben der Spritzgieß- maschine steht. Dafür allerdings muss der Betreiber in Kauf nehmen, dass eine kom- plette Maschinenseite verbaut wird. Die öfter gewählte alternative Aufbau-Lösung adaptiert den Roboter seitlich oben auf der festen Formaufspannplatte der Spritzgießmaschine. Für diesen Fall rela- tiviert sich der genannte Vorteil, da der Industrieroboter aufgrund des einge- schränkten Arbeitsraums Peripherieanla- gen nur noch schwer bedienen kann – es sei denn, diese sind erhöht angeordnet.

Somit wird er zum einfachen Rein-Raus- Gerät degradiert (Bild 2). Dann stellt sich die Frage, ob diese Lösung den höher qua- lifizierten Programmierer rechtfertigt, den die Knickarmtechnik erfordert.

Grundsätze der Anlagentechnik

Schnellläufermaschinen, wie sie meist bei der Produktion flacher und dünnwandi- ger Kunststoffteile z. B. für Verpackungen zum Einsatz kommen, sowie Großseri- enanlagen für hochintegrierte, meist mit Einlegeteilen bestückte Systemkompo- nenten werden vornehmlich von servo- motorischen linearen Seitenentnahme- geräten bedient. Ihnen ist fast immer ei- ne parallele Vorbereitung der Einlegetei- le („up-stream“: vor der Urfertigung) vorgeschaltet und/oder eine parallele Nachbearbeitung („down-stream“) der entnommenen Teile nachgeschaltet. Oft

handelt es sich dabei um Montagevor- gänge wie das Verschließen eines Behäl- ters mit einem Deckel oder das Ver- packen.

Sonderverfahren wie Mehrkompo- nententechnik, Etagenwendetechnik, Tandemtechnik, Würfeltechnik, Dreh- plattentechnik u. a. m. müssen individu- ell betrachtet werden. Hier eine pauscha- le Empfehlung auszusprechen, ist schwie- rig. Ein kleiner Vorteil liegt in diesen Fäl- len auf Seiten der Lineartechnik, da diese Geräte, in der Regel bereits als Sonder- konstruktion gefertigt, sich leichter an den Anwendungsfall anpassen lassen.

In die Fertigungszelle integrierte Nach- bearbeitungsstationen werden von der Knickarmtechnik dominiert. Das Bohren, Fräsen, Schneiden – egal ob mit dem Mes- ser, mit Ultraschall, mit dem Laser oder Wasserstrahl – Kleben, Fügen und Mon- tieren (z.B. Klipse setzen) lässt sich einfa- cher mit 6-Achs-Robotern realisieren.

Wettstreit der Systeme

Der kürzeste (und damit schnellste) Weg, um von Punkt A zu Punkt B zu kommen, ist die Gerade. Wenn es also dem Konstrukteur – besonders in der

Serienfertigung – ge- lingt, eine lineare Vari- ante für den Prozess- ablauf zu finden, so wird dies die schnells- te und wirtschaftlichs- te Lösung sein. Dass ein System mit einem Lager, einem Motor (wenn nötig mit Ge- triebe) und einer ein- fachen Steuerung bei nur einer Lose genau das darstellt, wird niemand bestreiten.

Knickarmroboter be-

nötigen für die gleiche Bewegung meh- rere Lager und Antriebe sowie eine große Rechnerleistung bei vielen Losen.

Die Aussage, ein Rundlager habe eine höhere Qualität und längere Lebensdau- er als ein Linearlager, ist inzwischen über- holt. Insbesondere im Dauerbetrieb ist die Standfestigkeit beider Typen ver- gleichbar. Was einem Linearlager eher Schaden zufügen kann, ist Staub, der sich auf nicht genutzten Führungsbahnen ab- setzt und bei der Wiederinbetriebnahme eingeschleppt wird. Aus maschinentech- nischer Sicht liegt es also nahe, die 7-Ta- ge-Woche einzuführen. Damit würden die Instandhaltungskosten, bezogen auf die Stückkosten, sinken. Hier ist der Knickarm im Vorteil, der gekapselte, na- hezu wartungsfreie Rundlager besitzt.

Die Wiederholgenauigkeit, mit der ei- ne Maschine eine Position anfährt, hängt von der jeweiligen konstruktiven Lösung ab und ist nicht systembedingt. Beide Sys- teme – Linear- wie Knickarmroboter – beherrschen das Einlegen und Entneh- men. Worin liegt nun der Unterschied?

Während das Lineargerät über einen frei nutzbaren quaderförmigen Arbeitsraum verfügt, steht die Knickarmmaschine mit ihrem rotationsförmigen Ringraum sich selbst in der Mitte „im Weg“. Hier ent- scheidet der Anwendungsfall. Unbestrit- ten spricht für den Industrieroboter die höhere Flexibilität und – bedingt durch die Anzahl der Achsen – der größere Va- riantenreichtum, Zusatzarbeiten zu über- nehmen. Dagegen spricht, wie oben er- wähnt, die längere Eingriffszeit und als Folge davon die längeren Maschinenbe- wegungszeiten, die letztendlich die Ferti- gungszeit pro Stück bestimmen.

Potente Steuerungen

Moderne Robotersteuerungen können mehr, als nur die bekannten sechs Ach- Bild 2. Ein Knick-

arm-Roboter greift von oben in eine Großspritz- gießmaschine ein. In dieser Position ist er für Nachfolgearbei- ten aus dem Spiel genommen

Bild 3. Längsroboter mit zwei Entnahmekinematiken (double head version). Moderne Roboter- steuerungen können beide Robotköpfe auf einer gemein- samen Achse verwalten

sen (Kinematiken) zu koordinieren. So ist es möglich, zwei getrennte Robotköpfe auf einer gemeinsamen Achse zu ver- walten und damit Applikationen wie die Entnahme aus ei- nem Etagenwerkzeug mit zwei Köpfen (double head versi- on) zu realisieren (Bild 3).

Ein Beispiel für die Nachbearbeitung von Kunststoff- teilen ist das Bohren von kleinen Löchern, die für das nach- folgende Kaschieren einer Türtafel durch Unterdruck in der Automobilindustrie benötigt werden. Wenn die Anzahl der zu bohrenden Löcher zu groß ist oder die Umorientierung des Roboterkopfes bei komplexen Geometrien zu viel Zeit erfordert, kann das Programm durch Einsatz einer zusätz- lichen servogetriebenen Dreh-Kipp-Einheit optimiert wer- den. Das Formteil wird dem arbeitenden Roboter über die zwei zusätzlichen Achsen so angeboten, dass die Dreh-Kipp- Einheit Wegstrecken oder Lageveränderungen synchron (und gegenläufig) abarbeitet und so die gesamte Arbeits- zeit verkürzt.

Maschinenanbieter heben in ihrer Argumentationsket- te gerne hervor, dass ihre Systeme sich einfach program- mieren lassen. Leider zielt diese Aussage in die falsche Rich- tung. Die Verfügbarkeit einer Anlage oder Fertigungszel- le ist weit wichtiger als die Programmierung. Denn nur wenn die Fertigung fehlerfrei produziert, kann der Betrieb Geld verdienen.

Einfache Bedienung mit Notfallstrategie

Eine hohe Verfügbarkeit ist durch eine möglichst einfache Bedienung und eine ausgeklügelte Fehler- und Notfallstra- tegie zu erreichen – letztere muss immer vorher in das An- lagenkonzept integriert werden. Die Bedienoberfläche muss es dem Bediener erlauben, selbstständig einen betroffenen Teil einer Anlage stillzulegen, um die Fertigung – um den fehlenden Arbeitsschritt eingeschränkt – weiterlaufen zu lassen. Wenn beispielsweise das Messer einer Station zur Angussbearbeitung in der Nachtschicht bricht, muss die Engpassmaschine trotzdem weiterproduzieren, damit am Folgetag eine ausreichende Menge spritzgegossener Form- teile zur Verfügung steht und das Werk seine Lieferver- pflichtung erfüllen kann. Im Normalfall kann die Früh- Bild 4. Bearbeitungswendekopf mit einem Bohrer und Fräser. Nach dem Aufschweißen eines Deckels auf einen Lagerbehälter muss der Überstand abgefräst werden. Das Problem: Die Bearbeitungsmasse verändert sich chargenweise. Die Lösung: siehe Bild 5

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schicht die Nacharbeit der Angüsse durchführen. Am Tage stehen auch das Instandhaltungspersonal und die nötigen Ersatzteile zur Verfügung, um die Anlage wieder in einen voll funktionsfähigen Stand zu versetzen.

Ein weiteres Beispiel beschreibt eine Problemlösung bei schwankenden Ferti- gungsbedingungen. Nach dem Auf- schweißen eines Deckels auf einen Lager- behälter aus Kunststoff muss der Über- stand dieser Platte abgearbeitet werden (Bild 4). Im selben Arbeitsgang soll die neue Kante mit einer Fase versehen wer- den, damit der Behälter auf dem auto- matischen Förderband leichter transpor- tiert werden kann. Die Bearbeitungsmas- se verändert sich chargenweise, so dass das System nicht immer in der selben Ein- stellung arbeiten kann. Ein zusätzliches Tastenfeld gibt dem Bediener der Bear- beitungszelle die Möglichkeit, die Fräs- kante im Raum zu verschieben, ohne in das Roboterprogramm eingreifen zu müssen (Bild 5).

In einer Fertigungszelle sind oft meh- rere Maschinen gleichzeitig im Einsatz.

Dabei gibt es zwei unterschiedliche An- sätze, wie ein Fertigungsprozess ablaufen kann: Die einfachste und übersichtlichste Methode ist eine schrittweise serielle Ab- folge der Teilaufgaben, die immer dann möglich ist, wenn der Roboter die einzel- nen Prozessschritte nacheinander in der zur Verfügung stehenden Zykluszeit schafft. Parallelprozesse werden immer dann gebraucht, wenn es sich um viele Einzelschritte handelt, die in einer kur- zen Zykluszeit abgearbeitet werden müs- sen. Hier ist es von Vorteil, wenn der An- lagenplaner mit einzelnen kleineren

Steuerungen arbeitet und diese über ein Bus-System verbindet, anstatt alle Aufga- ben in einer Steuerung zusammenzufas- sen (Bild 6).

Um die Verfügbarkeit möglichst hoch zu halten, ist es von Vorteil, Puffer, Spei- cher o. Ä. einzuplanen. So können kurze Störzeiten einzelner Anlagenkomponen- ten aufgefangen werden, ohne dass sie die Gesamtausstoßmenge beeinflussen. Um keine überalterten Teile in der Anlage zu haben, wird man immer einem fifo-Puf- fer (first-in-first-out) den Vorzug vor ei- nem lifo-Puffer (last-in-first-out) geben.

Aus Kosten- und Platzgründen wird je- doch der letztgenannte Typ trotzdem öf- ter eingesetzt.

Große unübersichtliche Anlagen, in de- nen ein Mensch nicht alle Stationen gleich- zeitig beobachten kann, sollten ein (oder mehrere) Bedienfelder vorhalten, an de- nen der Mitarbeiter Informationen able-

Bild 6. Anlagenvernetzung über ein CAN-Bussystem: 4 plus 2 Roboter arbeiten im Verbund und über- nehmen entsprechend zugeordnete Peripherie-Steuerungsaufgaben

Bild 5. Mit diesem Tastenfeld verschiebt der Be- diener die Fräskante parallel zum Kastenboden.

Die mit „0“ gekennzeichnete Kontur entspricht der ursprünglich programmierten Idealkontur

sen und gegebenenfalls eingeben kann.

Nicht alle Terminals sind gleichzeitig ak- tiv. Es empfiehlt sich, einen (aktiven) Mas- ter zu erstellen und mehrere passive Be- obachtungsstände, die bei Bedarf zuge- schaltet werden können. Selbstredend er- fordert diese Strategie, dass alle beteiligten Steuerungen kompatibel miteinander sind und „eine Sprache sprechen“.

Ein einfacher Zusatzhinweis: Wenn Schutzzäune in Schwarz oder Anthrazit ausgeführt sind, kann ein Beobachter aus der Ferne hindurch sehen. Hell lackierte oder verzinkte Zäune verhin- dern dies, sie verstecken alles wie ein Vor- hang.

Flexible Montagezellen

Der Markt fordert exakt auf Produkt und Prozess abgestimmte Montageanlagen.

Zwei alternative Konzepte stehen zur Wahl, und zwar die Umsetzung als

■ Sondermaschine oder

■ modularisierte Anlage.

Die komplett als Sonderanlage kon- zipierte Zelle – auch wenn sie zu einem erheblichen Prozentsatz auf Konstruk- tionsstandards aufsetzt – erbringt als

Einzwecklösung ohne Zweifel die höchs- te Effizienz.

Der zweite Ansatz zielt mehr auf die Montage von Produktvarianten, so ge- nannter Produktfamilien. Dazu muss die möglichst werkstückunabhängig aus- gelegte Zelle schnell und mit geringem personellen Aufwand umgerüstet werden können. Diese Voraussetzungen werden erfüllt durch den einfachen Wechsel von kodierten Aufnahmen, den Einsatz fle- xibler Greifelemente oder automati- sierter Greiferkupplungen mit Kodierung (Bild 7) und nicht zuletzt durch Vision- systeme (Inspektionssysteme, optische Prüfsysteme). Damit ist ein Produkt- wechsel just in time zu vernünftigen Kosten sichergestellt. Da die zu wech- selnden Teile über das Programm kodiert sind, kann auch angelerntes Personal die Anlage umrüsten.

Bildverarbeitung ersetzt nicht Prozessfähigkeit

Heute steht den Verarbeitern für die Bild- verarbeitung eine leistungsfähige Hard- und Software zur Verfügung, Fertigungs- prozesse können komplett über Kameras

überwacht werden (Bild 8). So kann eine Überprüfung, dass kein Einlegeteil fehlt und das Formteil vollständig ausgespritzt ist, Auskunft darüber geben, ob das Bau- teil und seine Funktion vollständig sind.

Damit ersetzt die Bildverarbeitung, die auch mit mehreren Kameras gleichzeitig durchgeführt werden kann, viele End- Bild 7. Die vollautomatische Greiferkupplung (Typ: AGW80R) ist auf dem pneumatischen Hub- ausgleich eines Knickarmroboters montiert

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schalter, Sensoren o. Ä. und führt voll- kommen unbestechlich und frei von Feh- lern die Zwischen- oder Endkontrolle durch.Aber: 100% Qualität entsteht nicht durch Prüfung – sie entsteht durch 0 % Ausschuss, oder, anders ausgedrückt, durch maschinenfähige Prozesse.

An anderer Stelle im Prozess einge- bunden kann die Kamera im Vorfeld er- kennen, in welcher Lage z. B. ein Druck- guss-Einlegeteil angeboten wird, damit der Roboter sich dementsprechend aus-

richtet, das Teil greift und umorientiert, bevor er es weitergibt. Oder: Die Kamera vermisst innere und äußere Konturen, bevor das Teil dem nachfolgenden Pro- zess zugeführt wird. Schnittstellen, Über- tragungstechniken und Datenraten sind heute kein Thema mehr. Der Trend geht eindeutig zu digitalen Lösungen.

Schnittstellen sind beispielsweise Ca- meraLink (bis 600 MBytes/s), Firewire (> 0 bzw. 80 MBytes/s), USB 2.0 (ca.

30 MBytes/s) und neuerdings Gigabit- Ethernet (1 GBit/s).

Entsprechende Kameras bzw. Kamera- Rechner-Einheiten stehen zu vernünf- tigen Preisen „plug and play“ zur Ver- fügung. Der Systemintegrator, der die Arbeitszelle auslegt, wird in jedem Fall einen Bildverarbeitungsspezialisten hin- zuziehen. Dieser wird bei der räumlichen Planung bedenken, einen lichtabgeschot- teten Raum vorzusehen bzw. bereits den Beobachtungsplatz so zu gestalten, dass (u. U. wechselnde) Fremdlichteinflüsse ausgeschaltet werden, die eine falsche Be- urteilung der Qualitätsmerkmale verur- sachen kann.

Software verkürzt Zykluszeit

Über sich selbst optimierende Software- Tools gelingt es in vielen Fällen, die Zy- kluszeit deutlich zu verkürzen, und fast immer, einen materialschonenderen Pro- grammablauf zu erstellen. Als Beispiel sei das vorzeitige Einfahren des Roboterarms in das sich öffnende Spritzgießwerkzeug genannt. Remak hat dieses MCS-Verfah- ren (mould chasing system) für Linear- geräte bereits 1997 zum Patent angemel-

det und gemeinsam mit Kuka unter der Bezeichnung Plastech auch für Knick- armroboter zur Serienreife geführt. Das sich selbst optimierende Programm um- fasst auch das Ausfahren des Handling- systems mit vorzeitiger Freigabe der Schließbewegung des Werkzeugs, das Re- mak für lineare Roboter unter der Be- zeichnung ACS (advanced closing signal) verwendet. Der Roboter, der sich noch in- nerhalb des Werkzeugeinbauraums be- findet, gibt das Signal zur Freigabe der Schließbewegung mit jedem Zyklus früher. Die Robotersteuerung überwacht über ein in die Spritzgießmaschine ein- gebautes Wegmesssystem die Fahrt der beweglichen Werkzeugaufspannplatte.

Wenn der vorgewählte Sicherheitsabstand erreicht ist, endet die Optimierungs- schleife. Wird die Fertigung unterbro- chen, fährt das System mit den program- mierten Grundwerten wieder an, und die Selbst-Optimierung beginnt von vorn.

Ähnlich verfährt die Software mit dem Bewegungsprogramm des Roboters außerhalb der Spritzgießmaschine. Der Ablauf wird mit 100 %-Werten gestartet

und dann schrittweise verlangsamt, bis die Wartezeit bis zum Beginn des Zyklus, also dem Einfahren in die Spritzgießma- schine, ein Minimum erreicht. Der Vor- teil dabei ist ein sehr materialschonender Betrieb.

Sichere Schnittstelle Mensch/Maschine

Die zweikanalige Schnittstelle Euro- map 67 ist mittlerweile der Standard für den Dialog zwischen Spritzgießmaschine und Roboter, unabhängig von dessen Bauart.

Interaktionen zwischen Mensch und Roboter ohne trennendes Schutzgitter sind angedacht, aber bislang nur verein- zelt realisiert. Ganz bestimmt wird der „si- chere Roboter“ zukünftig dabei helfen, ei- nige bisher nur mit hohem Aufwand lös- bare Aufgaben in vereinfachter Form um- zusetzen. So lässt sich der Platzbedarf von Schutzeinhausungen heute schon deut- lich reduzieren. Der Arbeitsraum muss nicht mehr nach der geometrisch mögli- chen Reichweite des Roboters ausgelegt werden. Auch Kontrollen beziehungswei- se Übergaben von Mensch auf Roboter können über diese Weise vereinfacht wer- den. Eine Zusammenarbeit, wie Men- schen sie pflegen, wird jedoch aus Si- cherheitsgründen zunächst eine Vision bleiben – der Roboter kann eine Aktion nicht verbal ankündigen. Der Autor will aber nicht ausschließen, dass dies zukünf- tig möglich sein wird.■

DER AUTOR

DIPL. ING. BERND F. JOHANNSON, geb. 1943, ist Vertriebsleiter der Remak Maschinenbau GmbH, Reinheim; bernd.johannson@remak-online.de Bild 8. Ergebnis der Maßkontrolle eines Getriebegehäuses mit mehreren Kameras

(Foto: VMT Bildverarbeitungssysteme GmbH)

SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL

Robots and Humans:

A Good Team

DEVELOPMENT TRENDS IN AUTOMATION. De- velopment trends in means of production in a free market economy are always the response of the machine manufacturers to users’ requirements.

The users in turn are driven by the end consum- ers’ expectations of new and better products. This dialogue is a significant motor of economic life – including for manufacturers of automation equipment.

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