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CNC steuert Roboter für Handling und Bearbeitung

Roboter kommen in der Zerspanung an – wirkungsvolle Lösungen für Betrieb und Instandhaltung
CNC steuert Roboter für Handling und Bearbeitung

Die Kombination von Roboter und Werkzeugmaschine ist wirtschaftlich sinnvoll, scheitert aber oft an der unterschiedlichen Bedienung. Die Lösung liegt in einer gemeinsamen Steuerung über die CNC-Plattform. Das zeigen Praxiseinsätze mit Kuka Robotern in Siemens-Werken.

Bei der Investition in eine Werkzeugmaschine stellt sich immer auch die Frage, wie diese möglichst hoch ausgelastet werden kann. Es liegt daher nahe, den Be- und Entladevorgang zu automatisieren, etwa via Industrieroboter. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist die VDW-Schnittstelle zwischen Werkzeugmaschine und Automation, wie sie in dem 2016 aktualisierten VDMA Einheitsblatt 34180 festgelegt ist.

Der Standard erfasst neben der reinen Automatisierung auch wesentliche Eigenschaften der Gesamtanlage einschließlich Safety. Durch seinen modularen Aufbau ist er einfach an eine individuelle Anlage anzupassen und gegebenenfalls um eigene Definitionen zu erweitern. In der Praxis vereinfacht er zum einen die Definitionsaufgabe von Anlagenbetreiber und -lieferanten, wenn zum Beispiel Maschine und Automation von verschiedenen Herstellern stammen. Zum anderen erleichtert er die Dokumentation der Anlage, da neben den Signalen auch die zugehörigen Zeitabläufe festgelegt sind.
Von besonderer Bedeutung ist die Vereinfachung der Bedienung, gerade für kleine und mittlere Losgrößen: Denn die unterschiedliche Bedienung von Roboter und Werkzeugmaschine war bisher ein Haupthindernis für die Verbreitung von Robotern. Potenzielle Anwender müssten unter anderem in Schulungen und Personal investieren, um beide Komponenten im Einrichte- und Entstörungsfall bedienen zu können – und lehnen eine Roboterlösung deshalb häufig ab.
Eine Lösung für das Problem hat Siemens mit Kuka entwickelt. Sinumerik Integrate Run My Robot ermöglicht eine integrierte Bedienung, Programmierung und Diagnose von Kuka Robotern an Werkzeugmaschinen. Interaktionen wie Bedienung, Freifahren, Teachen und Diagnose der Roboter können mit der Sinumerik 840D sl an einer einzigen Bedieneinheit vorgenommen werden.
Alle Funktionen für das Handling sind in der Oberfläche Sinumerik Operate verfügbar. Der Ablauf von Werkzeugmaschinen- und Roboterprogramm kann in parallelen Kanälen auf dem Bildschirm verfolgt und gesteuert werden. Dies verschafft dem Bediener einen raschen Überblick zum Status der Werkzeugmaschine und des Roboters.
Das Gegenstück auf Roboterseite ist Kukas Funktionsbausteinbibliothek mx-Automation. Damit kann der Bewegungsablauf des Roboters via Editor oder Handverfahren im JOG komplett in der Sinumerik-Steuerung 840D sl programmiert werden. Roboterkenntnisse sind dazu nicht notwendig. Die Ausführung der Roboterbewegung, die Bereitstellung von Safety-Funktionen und weitere roboterspezifische Funktionen übernimmt nach wie vor die Robotersteuerung KR C4.
Retrofit war die beste Lösung
Welche konkreten Vorteile das Ganze in der Praxis bietet, zeigt ein Blick in das Siemens-Elektromotorenwerk in Bad Neustadt. Dort stand die Erneuerung eines Teilbereichs der Fertigung an, in dem kleinere Lagerschilde und Abdeckkappen auf einer Dreh- und einer Bohrmaschine spanend bearbeitet werden. Peter Zech, Leiter Druckguss und Sondermaschinenbau: „Zum einen ließ die Verfügbarkeit zu wünschen übrig, zum anderen musste die Bohrstation von einem Mitarbeiter manuell bestückt werden – eine monotone Arbeit.“
Auf der Suche nach der besten Lösung stand unter anderem ein neues Drehzentrum mit angetriebenen Werkzeugen zur Debatte, das den gesamten Prozess abdecken kann. Problem: Die Durchlaufzeit wäre zu lang, weil meist Mehrfachbohrungen gefordert sind. „Zudem liegt der Preis für solche Drehzentren deutlich zu hoch“, ergänzt Zech.
Ein Retrofit der eingesetzten Drehmaschine Index GE42 mit neuer Sinamics/Simotics-Antriebs- und Sinumerik-Steuerungstechnik hat sich daher als beste Lösung dargestellt. „Die mechanische Qualität und Präzision der GE42 entspricht nach der Generalüberholung zu 100 Prozent unseren Bedürfnissen. In Summe hat diese Variante wesentlich weniger gekostet als eine neue Maschine“, so Volker Ress, Meister Druckguss.
Alleine mit dem Retrofit der Drehmaschine waren Zech und Ress aber noch nicht zufrieden. Sie wollten eine Lösung mit integrierter Bohrstation – ganz im Sinne einer intelligenten Automatisierungslösung. Innerhalb dieser autarken Dreh-Bohrzelle sollte ein Roboter das komplette Teilehandling vom eingehenden Bandsystem bis zum fertigen Bauteil übernehmen.
Anwender sind begeistert
Schnell stand dabei fest, dass ein KR Agilus die Anforderungen am besten erfüllt. „Die Bewegungen können andere Roboter natürlich auch ausführen“, bestätigt Zech, „aber die Qualität von Kuka ist anerkannt hoch. Und die nahtlose Integration der Robotik in die Werkzeugmaschinenumgebung ist einzigartig. Das ist tatsächlich nur möglich, wenn man einen Kuka Roboter mit einer hochwertigen Siemens-CNC wie der Sinumerik 840D sl kombiniert.“
Mit solchen wirkungsvollen Lösungen für Betrieb und Instandhaltung kommen Roboter in der Zerspanung an. Martin Leutbecher, Mechatroniker und Instandhalter. „Run My Robot ist echt genial“, schwärmt er stellvertretend für alle Kollegen. „Dadurch können wir den Roboter mit Sinumerik-Operate an unserem normalen Panel oder mit dem HT8 steuern und müssen nicht mit einer Robotersteuerung umgehen, die anders aufgebaut und für uns ungewohnt ist.“
Ein weiteres Highlight erwähnt Timo Rössler, Fertigungstechnologe Zerspanung: „Unsere Bediener können jederzeit gefahrlos die Fertigungszelle betreten – auch während sie den Roboter steuern.“ Basis hierfür ist das in der Sinumerik-CNC integrierte Feature Safety-Integrated. Diese in modernen Werkzeugmaschinen übliche Funktion sorgt dafür, dass sich auch der Roboter nur in kontrollierter Geschwindigkeit bewegen kann.
Heute produziert die Dreh-Bohrzelle über zwei Schichten hinweg durchschnittlich rund 400 bis 500 gleiche Bauteile am Stück. Das Zuführband nimmt etwa 70 Rohlinge auf. Das reicht, um die Anlage für zwei bis drei Stunden selbstständig laufen zu lassen. In dieser Zeit kümmert sich der Bediener um zwei weitere Fertigungslinien, übernimmt stichprobenartige Qualitätskontrollen und füllt beizeiten das Förderband mit Rohlingen auf.
Ansonsten läuft die Bearbeitungszelle vollautomatisch: Ein Visionsystem erfasst den Rohling und gibt das Lagesignal an den Roboter weiter. Dieser greift das Bauteil und übergibt es lagerichtig an die Index GE42. Mit der Rückseite des Wechselgreifers entnimmt der Roboter das fertig gedrehte Bauteil und reicht es zur Bohrstation weiter, die in einem Arbeitsgang mehrere Bohrungen oder Gewinde erzeugt. Dieser Ablauf geht in Dauerschleife bis zum Produktwechsel weiter.
Über das reine Handling hinaus
Kurzum: Roboter, Werkzeugmaschine und Bediener sind ein gutes Team, wenn sie über Run My Robot verknüpft sind. In Zukunft werden die in die Werkzeugmaschinenumgebung integrierten Roboter weitere Aufgaben übernehmen, die über das reine Handling hinausgehen. So wird es unter anderem möglich sein, die Roboter direkt für die Bearbeitung einzusetzen. Dank ihrer Beweglichkeit können sie frei im Raum Aufgaben wie Schleifen, Entgraten, Nieten, Bohren und Fräsen übernehmen. Das zeigt auch der Einsatz im Siemens-Großmotorenwerk in Nürnberg. Dort hat man in eine komplexe Montage- und Bearbeitungszelle für Drehstrom-Asynchronmotoren Simotics FD zwei Kuka Roboter integriert, die beide über die High-End-CNC Sinumerik 840D sl gesteuert werden.
In der Zelle, die von der SAR gebaut wurde, arbeiten ein großer KR 500 und ein kleiner KR 16 Hand in Hand. Die Aufgaben sind der notwendigen Größe und Steifigkeit entsprechend verteilt. So benetzt der KR 500 die gewichtigen Seitenplatten des Motors mit Dichtpaste, nimmt sie mit einem Greifer auf und positioniert sie am Gehäuse. Mit einer Sternkopfeinheit ausgestattet, dreht der kleine KR 16 nun sämtliche Schrauben ein. Sind alle Gehäusebleche befestigt, wechseln beide Roboter ihre Aufsätze. Während der KR 500 eine lineare Bohreinheit aufnimmt, stattet sich der KR 16 mit einem Sauger aus. Nun bohrt, reibt und kontrolliert das Roboterteam acht 12H7-Passungen und saugt Späne zuverlässig ab.
Facharbeiter schnell eingearbeitet
Gesteuert wird das Ganze von der Sinumerik 840D sl. Die Facharbeiter des Werks kennen diese Steuerung von mehr als 40 Werkzeugmaschinen und haben dadurch den Umgang mit den Robotern schnell verinnerlicht. „In meiner Abteilung weiß keiner, wie eine Robotersteuerung funktioniert. Dafür ist die CNC-Programmierung mit der Benutzeroberfläche Sinumerik Operate fast jedem geläufig“, so Sebastian Grimm, Fertigungsleiter Niederspannungsmotoren.
Auch hier lässt sich das Einrichten, Teachen und gelegentliches Freifahren mit dem Handheld Terminal HT8 schnell und gefahrlos innerhalb der Zelle erledigen, weil Safety Integrated ein Standardfeature der Sinumerik-Steuerung ist. Dank der Softwareschnittstelle Run My Robot Machining folgt der Roboter exakt der Bahn- und Bewegungsführung der Sinumerik 840D sl und führt entsprechende Bearbeitungsschritte aus.
Für Fertigungsleiter Sebastian Grimm steht fest, dass sich die Investition in die Zelle gelohnt hat. Allein die reduzierte Durchlaufzeit (inkl. Liege- und Transportzeiten) gibt dem Ingenieur Recht: Lag sie früher bei drei Tagen, liegt sie heute bei acht Stunden und trägt damit zur Reduzierung der Lieferzeiten der Simotics FD-Motoren bei. ↓
Siemens AG
www.siemens.com; AMB Halle 4, Stand 4C12
„Roboter, Werkzeugmaschine und Bediener sind ein gutes Team, wenn sie über Run My Robot verknüpft sind.“
Michael Strahlberger, Siemens

Der Autor
Michael Strahlberger, Produktmanager Robotics, Siemens AG, Digital Factory Division
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