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Handhabung Multifunktionale Roboterbearbeitungszelle unterstützt Losgröße 1

| Autor / Redakteur: Marcel Pfeiffer* / Jan Vollmuth

Eine multifunktionale Roboterbearbeitungszelle zur Werkstoffbearbeitung unterstützt Fertigung in Losgröße 1. Ihre Feuerprobe in der Möbelindustrie hat sie bereits bestanden.

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Die Roboterbearbeitungszelle Multi Process Cell der Zimmer Group nutzt ein dynamisches Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden.
Die Roboterbearbeitungszelle Multi Process Cell der Zimmer Group nutzt ein dynamisches Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden.
(Bild: Zimmer Group)

Geht es um Industrie 4.0, reden alle von Losgröße 1 – die Multi Process Cell der Zimmer Group zeigt, wie dieses Ziel in der Praxis erreicht werden kann. Die multifunktionale Roboterbearbeitungszelle wurde für die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken aus Holz, holzbasierten Werkstoffen, Composit-Werkstoffen oder Aluminium konzipiert – Werkstücke, wie sie typischerweise in der Möbelindustrie eingesetzt werden.

Zwei kooperierende Roboter

Die zum Patent angemeldete Zelle eignet sich besonders für kleine Stückzahlen bis Losgröße 1. Sie besteht aus zwei zentralen Einheiten: einem hochflexiblen Transportmodul und einem Bearbeitungsmodul mit zwei Industrierobotern. Das Transportmodul sorgt für den Werkstücktransport in der Zelle und verknüpft die Be- und Entladestationen mit den Bearbeitungs- und Messstationen. Die individuell gesteuerten Transporteinheiten (Shuttles) können je nach Anforderung als Master oder als Slave eingesetzt werden und dabei entweder einzeln oder im Verbund agieren. Dadurch entfällt eine starre Kopplung des Transports z.B. über ein durchgehendes Transportband.

Das zentrale Bearbeitungsmodul besteht aus zwei Industrierobotern, die jeweils mit einer Multibearbeitungseinheit ausgerüstet sind. Die beiden kooperierenden Roboter arbeiten in einem räumlich begrenzten Bereich. Hier wird das Werkstück innerhalb eines ansonsten fließenden Prozesses kurzzeitig angehalten. Der eng begrenzte Bearbeitungsraum ermöglicht dabei minimierte Bearbeitungstoleranzen. Die Lösung ist skalierbar, schnell und sehr flexibel, zudem kann die Zelle direkt an ein MES-System angebunden werden. Die einzelnen Werkstücke werden durch einen Barcode von der Maschinensteuerung eindeutig identifiziert. Dies stellt eine umfassende Fertigungskontrolle und eine hohe Produktionsqualität sicher.

Modularer Aufbau

Die Multi Process Cell zeichnet sich durch die Kombination von anpassungsfähigen, modular aufgebauten Transporteinheiten mit flexiblen Roboterbearbeitungs-, Mess- und Handlingseinheiten aus. Die Roboterbearbeitungseinheit ist mit einem multifunktionalen Bearbeitungskopf für Bohr-, Fräs- und Sägearbeiten ausgestattet. Durch ein optisches Einmessen und eine 3D-Kompensation der Roboternachgiebigkeiten erreicht das System eine sehr hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Mit Hilfe einer zusätzlichen radarbasierten Nachgiebigkeitskompensation kann die Bearbeitungsgenauigkeit insbesondere bei höheren Prozesskräften weiter gesteigert werden.

Die Konfiguration und Implementierung der Multi Process Cell für individuell angepasste Applikationen wird durch einen Digitalen Zwilling erleichtert.
Die Konfiguration und Implementierung der Multi Process Cell für individuell angepasste Applikationen wird durch einen Digitalen Zwilling erleichtert.
(Bild: Zimmer Group)

Die Lösung macht es sehr einfach, die Steuerung der Bearbeitungseinheiten in die Gesamtanlagensteuerung zu integrieren und damit die Bewegungen der Bearbeitungseinheit und des Transportmoduls zu synchronisieren. Die Produktion erfolgt vernetzt, denn alle Prozesse sind direkt an ein übergeordnetes MES-System angebunden. Dank zahlreicher Sensoren können aktuelle Zustandsinformationen in Echtzeit (Condition Monitoring) abgerufen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Cloud-Anbindung.

Dynamisches Transportsystem

Der kreative Ansatz des Systems besteht aus der Kombination eines flexiblen Bearbeitungskonzepts mit einem dynamischen Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden: als Master oder als Slave, wahlweise einzeln oder im Verbund. Der Bearbeitungsbereich besteht aus Robotern und Multibearbeitungsaggregaten, die sich einen begrenzten Arbeitsbereich teilen, um kurze Bearbeitungszeiten und flexible Bearbeitungsmöglichkeiten zu garantieren.

BUCHTIPPDas Buch „Industrieroboter“ ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Es werden die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik vermittelt und Methoden erläutert, wie bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotereinsatz automatisieren lässt.

Eine Bearbeitungszelle kombiniert einen oder mehrere Roboter in einem geschlossenen Fertigungsmodul. Der Roboter kann nicht nur das Be- und Entladen der Werkstücke übernehmen, sondern ist auch für weitere Bearbeitungsaufgaben ausgelegt. Jede Zelle kann um weitere Bearbeitungs- und Qualitätssicherungsmodule erweitert werden, so dass beliebig viele Produktionsschritte aneinandergereiht werden können. Das System ermöglicht einen flexiblen Transport ohne starre Taktung. Die Geschwindigkeit jedes einzelnen Shuttles bzw. Shuttle-Verbundes ist frei wählbar. Die einzelnen Roboter erfüllen im Bearbeitungsprozess höchste Anforderungen an Präzision und Wiederholgenauigkeit.

Ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Maschinen ist die extrem hohe Anlagenverfügbarkeit der Roboterbearbeitungszelle. Das Transportsystem ist so konzipiert, dass die Shuttles bei Bedarf im Betrieb einzeln ausgeschleust und ausgetauscht werden können. Die Bearbeitungseinheit, die für eine Einschaltdauer von 100 % wassergekühlt ist, kann in kürzester Zeit manuell oder automatisch ausgewechselt werden. Auch alle anderen Anlagenkomponenten sind so ausgelegt, dass im Servicefall oder bei Wartungsarbeiten keine unnötigen Demontagen erforderlich sind.

Um weitere Module erweiterbar

Das System ist flexibel einsetzbar und kann die unterschiedlichsten Werkstückabmessungen in Losgröße 1 verarbeiten. Da es um weitere Module erweitert werden kann, ist es beliebig skalierbar. Durch eine direkte Anbindung der Steuerung an ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) wird eine volle Vernetzung der Produktion erreicht. Mit Hilfe eines Digitalen Zwillings im HILS-System kann die Zelle virtuell aufgebaut werden, um die Anlagenleistung und Funktionalität schon vor der Realisierung überprüfen zu können. Damit setzt die Roboterbearbeitungszelle der Zimmer Group die Ansätze der Industrie 4.0 konsequent um.

Die individuell gesteuerten Transporteinheiten können als Master oder als Slave eingesetzt werden.
Die individuell gesteuerten Transporteinheiten können als Master oder als Slave eingesetzt werden.
(Bild: Zimmer Group)

Da die Roboterbearbeitungszelle auch bei Losgöße 1 eine kostengünstige Produktion ermöglicht, macht sie individualisierte Produkte für eine breitere Gesellschaftsschicht erschwinglich. Die kostengünstige Produktionstechnologie trägt überdies dazu bei, auch am Hochlohnstandort Deutschland zu wettbewerbsfähigen Kosten produzieren zu können.

Deutliche wirtschaftliche Vorteile

Der Einsatz der Roboterbearbeitungszelle der Zimmer Group bietet den Nutzern erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Durch den Einsatz von Industrierobotern anstelle klassischer Bearbeitungsmaschinen sowie den deutlich einfacheren Aufbau sinken die Investitionskosten deutlich.

Das Transportsystem mit den umlaufenden Shuttles, die hinsichtlich Geschwindigkeit, Taktung und anzufahrender Positionen individuell gesteuert und einzeln oder im Verbund betrieben werden können, ermöglicht in Verbindung mit den Bearbeitungsstationen eine deutlich höhere Produktionseffizienz als bei herkömmlich getakteten Maschinen. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet, bietet das neue Maschinenkonzept darüber hinaus eine hohe Investitionssicherheit, da der modulare Aufbau spätere Erweiterungen durch neue Bearbeitungsmodule ermöglicht.

Die Roboterbearbeitungszelle kommt seit Mitte 2018 zur Bohrbearbeitung bei einem großen Hersteller von Küchenmöbeln zum Einsatz. Sie ist Teil einer Fertigungslinie, mit der komplette Küchenausstattungen in Losgröße 1 gefertigt werden. Der Auftraggeber hat bereits großes Interesse an vergleichbaren Anschlussprojekten geäußert. Durch den modularen Aufbau der Anlage kann der Einsatzbereich weiter ausgebaut werden, zum Beispiel auch beim Setzen von Möbelbeschlägen. (jv)

Marcel Pfeiffer, Head of Design, Zimmer Group.
Marcel Pfeiffer, Head of Design, Zimmer Group.
(Bild: Zimmer Group)

* Marcel Pfeiffer, Head of Design & Brand, Zimmer Group

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