Smarte Bestückungskontrolle von Werkstückträgern

Sensoren mit smarter Load-Mapping-Funktionalität erfassen die Belegung von Werkstückträgern während der Zuführung und verschlanken so diesen Prozess.

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Diese Frage wird meist noch mit aufwändigen Kamerasystemen beantwortet: Wo befinden sich Teile im Werkstückträger, auf die ein Roboter zugreifen kann? Dass dieser Prozess effizienter gestaltet werden kann, zeigt der Sensorspezialist Sick: Durch den Einsatz der sogenannten Smart-Task-Funktionalität Load Mapping, die Sick für alle Produktfamilien smarter Optosensoren mit IO-Link bereitstellt, lässt sich die Belegung von Werkstückträgern während des Zuführprozesses in eine Montagezelle erfassen und als digitales Sensorsignal direkt an die Robotersteuerung ausgeben. Der Integrations- und Kostenaufwand ist gering.

Einfacher zu integrieren und wirtschaftlicher

Die Umsetzung der Bestückungskontrolle durch smarte Sensoren mit Load-Mapping-Funktionalität hat entscheidende Vorteile. So ist sie im Vergleich zum Einsatz aufwendiger Bildverarbeitungssysteme oftmals deutlich einfacher zu integrieren und wirtschaftlicher. Gegenüber der Applikationslösung mit einem Sensor direkt am Greifelement ermöglicht das Load Mapping von Werkstückträgern eine deutlich bessere OEE (overall equipment efficiency) beispielsweise von Bestückungs- und Montageprozessen, weil nicht mehr jeder Steckplatz einzeln – und damit zeitintensiv – abgefragt werden muss. Dies beweist der Einsatz von Lichttastern der Produktfamilie WTB4S-3 mit integriertem Load Mapping in einer Roboterzelle in der Lichtschrankenmontage in der 4.0 Now Factory von Sick in Freiburg-Hochdorf.

Sichere Bereitstellung von Teilen

Hier ist die vernetzte, smarte Fabrik mit autonomen digitalen Produktions- und Steuerungsprozessen schon heute Realität. Die Möglichkeit, in zwölf vollautomatisierten und vernetzten Produktions-Technologie-Modulen (PTM) unterschiedliche Produkte in individuellen Losgrößen zu fertigen, setzt höchste Flexibilität und Sicherheit bei der fertigungsnahen Teilebereitstellung voraus.

Im PTM zur Bestückung von Sensorgehäusen mit Elektronikkarten, über die später die Sensoren bedient werden, erfolgt die Bevorratung der Bauteile in einem Trayspeicher. Sobald ein Produktionsauftrag über das Netzwerk eintrifft, wird das jeweils erforderliche Tray aus dem Speicher in die Roboterzelle transportiert. Aufgrund vorangegangener Aufträge, für die ein und dasselbe Tray unter Umständen mehrfach ein- und ausgelagert wird, kann dieses Tray ganz unterschiedliche Füllungsgrade, Restmengen und Beladungsmuster aufweisen.

Sensor

Wie Sensoren funktionieren und wo sie eingesetzt werden

Damit der Roboter schnell und sicher zugreifen kann, muss er eine Information erhalten, an welcher Stelle im Tray eine E-Karte zur Entnahme vorhanden ist. Diese Information wird heute typischerweise entweder durch eine sukzessive Einzelabfrage der Steckplätze im Tray mit Hilfe eines Sensors am Robotergreifer generiert – wobei ein hoher Anteil an nicht wertschöpfender Prozesszeit in Kauf genommen wird, worunter die Anlageneffizienz leidet. Oder durch ein Bildverarbeitungssystem, das in der Anschaffung, Integration und Auswertung relativ teuer und komplex ist.

Günstiger als Kamerasysteme

Im Gegensatz zu einem Bildverarbeitungssystem stellt der neue Load-Mapping-Ansatz von Sick eine Optimierung der OEE sicher und spart gerade gegenüber einem Bildverarbeitungssystem bares Geld, da er lediglich aus „smarten“ Standardsensoren und einem IO-Link-Master besteht. Das Load Mapping ermöglicht auf diese Weise eine effiziente, kostengünstige und fertigungsnahe Bestandsführung insbesondere in hochgradig autark arbeitenden Anlagen wie denen der 4.0 Now Factory.

Detektionsmuster als Grundlage

Die Lichtschranken – in dieser Anwendung kommen Mitglieder der Produktfamilie WTB4S-3 zum Einsatz – mit inte­griertem Load Mapping sind über der Einlaufstrecke der Trays in den Arbeitsbereich des Roboters montiert. Jeder Sensor tastet beim Einfahren der Trays eine Steckplatzreihe komplett ab und detektiert dabei nacheinander die einzelnen Elektronikkarten.

Das bei diesem Prozess entstandene Detektionsmuster übersetzt die im Sensor hinterlegte Smart-Task-Funktion dynamisch in eine entsprechende Bitmaske, welche die Bestückungssituation der jeweiligen Steckplatzreihe widerspiegelt: In dieser Maske steht der Wert 0 für einen leeren Steckplatz und der Wert 1 für einen belegten, zugriffsgeeigneten Steckplatz.

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Robotik in der Automatisierung

Intelligente Edge-Computing-Umsetzung

Dieser Vorgang findet zeitgleich in allen in einer Anlage in­stallierten Load-Mapping-Sensoren statt – die intelligente Edge-Computing-Umsetzung ergibt so ein vollständiges „Bild“ der Gesamtbelegung des Trays. Die Steuerung des Roboters erhält auf diese Weise von den vorhandenen Lichtschranken die Informationen, an welchen Stellen E-Karten vorhanden sind und an welchen nicht. Diese Informationen setzt sie in Greifkoordinaten um. Dabei geht keine wertschöpfende Zeit verloren, denn die Bestückungsprüfung erfolgt simultan mit der Einfahrt des Trays in die Roboterzelle – und nach Auftragsende auch der Ausfahrt zurück in den Trayspeicher.

Gebündelte Sensordaten

Die Load-Mapping-Funktionalität steht nicht nur für die Lichtgitter der Serie WTB4S-3 zur Verfügung, sondern für alle Produktfamilien smarter Sensoren mit IO-Link von Sick. Dadurch können auch größer dimensionierte Trays und Ladungsträger ausgewertet oder Sensoren mit höheren Arbeitsabständen montiert werden – ganz so, wie es die konkrete Applikation erfordert.

Kommen mehrere Load-Mapping-Sensoren in einer Aufgabenstellung zum Einsatz, können diese mit Hilfe von Sensor Integration Machines (SIM) wie der SIM1004 (mit vier Anschlüssen) oder der SIM1012 (mit zwölf Anschlüssen) über ihre IO-Link-Schnittstelle zusammengefasst werden. Auf diese Weise wird die Sensorintegration wesentlich vereinfacht und gleichzeitig die Kommunikationslast entsprechend reduziert – denn die Robotersteuerung kommuniziert in diesem Fall nicht mit jedem Sensor einzeln, sondern fragt beispielsweise die erste bestückte und greiffähige Position im Tray in der SIM ab.

Großes Anwendungspotenzial

Die Bestückungskontrolle von Trays ist eine der ersten Applikationen, die von der Load-Mapping-Funktionalität profitieren. Weitere befinden sich aktuell in Machbarkeitstests, in Pilotprojekten sowie in der konkreten Umsetzung. Zu den Einsatzgebieten zählen unter anderem die Überwachung des Bohrer- und Werkzeugwechsels in Werkzeugmaschinen, Füge- und Montageprozesse, Abfüll- und Verpackungsapplikationen sowie die Lokalisierung von Fehlern in den verschiedensten Ausprägungen.

Alle Aufgabenstellungen profitieren von der einfachen Umsetzung und Integration von Load-Mapping-Lösungen, ihrer oftmals signifikanten Kostenvorteile insbesondere gegenüber kamerabasierten Konzepten sowie einer Verbesserung der Anlagen- und Prozesseffizienz (OEE). (jv)

* Michael Kaspar ist strategischer Produktmanager Photoelectric Sensors & Fibers im Geschäftsbereich Presence Detection der SICK AG, Waldkirch

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