Industrieprozesse sind zunehmend auf Automatisierung angewiesen, um Produktivitätsziele zu erreichen und eine gleichbleibende Produktqualität sowie einen hohen Durchsatz zu gewährleisten. Ein Prozess kann vollständig automatisiert werden, ohne dass menschliches Eingreifen durchgängig erforderlich ist, oder teilweise automatisiert, indem die Stärken von Mensch und Maschine kombiniert werden. Stellen Sie sich vor, Mensch und Maschine arbeiten im selben Raum zusammen; heute stellen sich viele wahrscheinlich eine Reihe von kollaborativen, mehrgelenkigen Robotern („Cobots“) vor, die so programmiert sind, dass sie repetitive oder körperlich anstrengende Aufgaben übernehmen, während ihre menschlichen Kollegen die manuelle Geschicklichkeit oder den kreativen Input liefern, der für die Fertigstellung des Prozesses erforderlich ist. Die Einführung von Cobots in einer Fabrik erfordert jedoch eine umfassende Prozessoptimierung und eine physische Umstrukturierung des Arbeitsbereichs.

Einstieg in die robotergestützte Prozessautomatisierung.
Fertigungsunternehmen können die Vorteile der robotergestützten Prozessautomatisierung auf einfachere und weniger aufwändige Weise nutzen. Viele Produktionslinien werden von Mitarbeitern bedient, die Werkstücke bearbeiten, die über ein Förderband zugeführt werden (Abbildung 1). Eine höhere Förderbandgeschwindigkeit sollte die Werkstücke schneller transportieren und so die Produktivität steigern, doch dies ist oft nicht der Fall. Obwohl die Mitarbeiter körperlich in der Lage sind, mit dem schnelleren Transport Schritt zu halten, können Probleme auftreten, wenn die Werkstücke die Endanschläge mit höherer Geschwindigkeit erreichen und sich verschieben oder sogar herunterfallen. Die Produktivität kann durch die erhöhte Förderbandgeschwindigkeit sinken.
Robotertechnologie kann dieses Problem lösen. Lineare Roboter können herkömmliche Förderbänder ersetzen und sind einfacher zu programmieren, da Start- und Stopppositionen digital definiert werden und keine mechanischen Endanschläge benötigt werden. Beschleunigung und Verzögerung erfolgen nahtlos innerhalb vordefinierter Distanzen und ermöglichen so hohe Transportgeschwindigkeiten. Mehrere dieser Module können unabhängig voneinander auf derselben Produktionslinie betrieben werden und ein einzelnes Förderband mit fester Geschwindigkeit ersetzen. Dies ermöglicht die flexible Optimierung der Transportgeschwindigkeit in verschiedenen Zonen entlang der Linie, um den Anforderungen jedes Prozesses gerecht zu werden und einen ausgewogenen Arbeitsablauf zu gewährleisten. Die Möglichkeit der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung eröffnet zudem neue Wege für noch höhere Effizienz. Yamaha hat bereits mehreren Kunden ermöglicht, diese Vorteile zu nutzen, indem sie das robotergestützte Linearfördermodul LCMR200 (Abbildung 2) in ihre Produktionslinien integriert haben. Dieses Modell ist schnell, effizient und erfordert weniger Aufwand bei der Umstrukturierung des Arbeitsablaufs als die Einrichtung mehrachsiger Knickarm-Cobots.

Dieser modulare Linearroboter bietet einen idealen Einstieg in die Möglichkeiten der robotergestützten Prozessautomatisierung (RPA). Diese reichen vom einfachen Austausch eines Förderbandes oder Rundtisches bis hin zur vollständigen Automatisierung des gesamten Prozesses in einer geschützten Roboter-Montagezelle. Bei der Entwicklung eines komplett automatisierten Roboterprozesses zur Fertigung kleiner Produkte wie Lautsprecher oder aus mehreren Teilen bestehender Automobilmodule müssen Systemintegratoren häufig Roboter verschiedener Typen kombinieren, um alle einzelnen Montageschritte kosteneffizient und platzsparend durchzuführen. Yamaha bietet hierfür eine einzigartige und umfassende Auswahl an Industrierobotern aller gängigen Typen – vom modularen LCMR200 und anderen Einachsrobotern bis hin zu kartesischen und SCARA-Robotern. Diese bieten Systemintegratoren alle Optionen, die sie für einen effizienten Workflow benötigen, selbst bei begrenztem Platzangebot in der Fabrik. Dabei werden wichtige Aspekte wie Wartungsfreundlichkeit, Programmierbarkeit und Bedienkomfort berücksichtigt.

Skalierung, Platzersparnis 

Die Roboterpalette von Yamaha bietet zahlreiche platzsparende Funktionen, beispielsweise die deckenmontierten SCARA-Roboter der Orbit-Serie YK-TW. Diese ermöglichen den Einsatz unterirdisch, indem die Roboterspitze unter der Haupteinheit hindurchfährt (Abbildung 3). Eine kompakte Bauweise ist besonders wichtig, beispielsweise für Erstausrüster (OEMs), die zuvor ausgelagerte Prozesse wieder in die eigene Produktion zurückholen möchten. Auch wenn die globale Wirtschaftslage eine Rückführung wirtschaftlich sinnvoll erscheinen lässt, steht den lokalen Werken oft nur wenig Platz für die wiederaufgenommenen Prozesse zur Verfügung. Wo jeder Quadratzentimeter zählt, haben sich die SCARA-Roboter in Orbit-Bauweise als äußerst platzsparend erwiesen. Mit einer Armlänge von 350 mm und einer Traglast von 5 kg lässt sich eine Installationsbreite von nur 492 mm realisieren.
Die Stärken der SCARA-Roboter liegen in ihrer Fähigkeit, Werkstücke schnell aufzunehmen und zu bewegen sowie Montageprozesse wie Verschrauben und das präzise Dosieren von Klebstoffen, Dichtstoffen oder Wärmeleitmaterialien durchzuführen. Typische SCARA-Robotergrößen reichen von einer Armlänge von ca. 120 mm und einer Traglast von etwa 1 kg bis hin zu 1200-mm-Modellen mit einer Traglast von bis zu 50 kg. Die YK-XG-Familie von Yamaha zeichnet sich durch wartungsfreie Riemenantriebe aus, die hochpräzise und schnelle Bewegungen auf vier Achsen ermöglichen. Darüber hinaus ist das Trägheitsmoment optimiert, um die schnelle Rotation schwerer Objekte zu gewährleisten, bei der herkömmliche Maschinen abbremsen und dadurch längere Kontaktzeiten in Kauf nehmen müssen.
Dank der langjährigen Erfahrung mit den ersten Industrierobotern, die in den 1970er-Jahren zur Automatisierung der Serienmontage von Motorradteilen entwickelt wurden, konnte Yamaha seine Roboter mit innovativen Funktionen wie TRANSERVO, das Schrittmotoren hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente ermöglicht, auf ein hohes Niveau heben.

Weitere Merkmale, die Integratoren für die Vereinfachung der Lösungsentwicklung schätzen, sind wartungsarme Schmierung und effektive Kontaminationsbarrieren, innovative, hochsteife mechanische Bauteile, die auch unter hohem Druck höchste Genauigkeit gewährleisten, sowie der weitverbreitete Einsatz von Positionslösern, die robuster und zuverlässiger als herkömmliche optische Positionssensoren sind. Dank einer Vielzahl an Steuerungssystemen können Integratoren eine kostengünstige Lösung konfigurieren, die selbst anspruchsvollste Automatisierungsherausforderungen meistert und gleichzeitig zukünftige Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit ermöglicht. Einfache Steuereinheiten für grundlegende Positionierung und Fahrt ermöglichen die einfache Steuerung von Einachsrobotern durch koordinierte Zeigerbewegungen oder Impulsfolgen und minimieren so den Programmieraufwand. Mehrachssteuerungen hingegen können einen oder mehrere Ein- oder Zweiachsroboter gleichzeitig betreiben. Bis zu vier 4-Achs-Steuerungen lassen sich in einer Master-Slave-Konfiguration verbinden, um bis zu 16 Achsen zu steuern und die Steuerung in einem einzigen Programm in Yamahas Robotersprache, einer erweiterten Version von BASIC, zu konsolidieren.

Sicher aufrüsten.
Der Erfolg eines ersten Automatisierungsprojekts ermutigt Betreiber oft dazu, ihre Systeme zu skalieren oder zu modernisieren, um die Produktivität zu steigern oder die Endproduktqualität zu verbessern. Die Einführung von Bildverarbeitung ist eine beliebte Modernisierungsmaßnahme, obwohl die Technologie in der Regel Spezialwissen und traditionelle Einrichtungsprozesse erfordert, die komplex und zeitaufwändig sein können.
Yamaha hat sich zum Ziel gesetzt, die Roboterbildverarbeitung mit dem RCXiVY2+-System zu vereinfachen. In einem typischen Roboterbildverarbeitungssystem sind Kameras mit einem dedizierten Bildverarbeitungsprozessor verbunden, der dann über eine serielle Datenverbindung mit der Hauptsystemsteuerung kommuniziert. Beim RCXiVY2+ werden Bildverarbeitung, Lichtsteuerung und die Verarbeitung von Förderband-Tracking-Daten innerhalb des Roboterprogramms mithilfe spezieller, von Yamaha entwickelter Bildverarbeitungsbefehle durchgeführt, die in den erweiterten BASIC-Befehlssatz integriert sind. Dieser Befehlssatz vereinfacht die Bauteilsuche und -verfolgung und reduziert die Suchzeiten um bis zu 50 %. Die schnellere Suche verbessert die Bauteilerkennung bei hohen Förderbandgeschwindigkeiten und ermöglicht so eine optimierte Aufnahme und reduzierte Kontaktzeiten.
Die Hardware, bestehend aus einem Vision-Panel mit GigE-Kameraschnittstelle, einem Lichtsteuerungspanel und einem Tracking-Panel, das sich einfach direkt an die Mehrachsen-Robotersteuerung der RCX3-Serie anbringen lässt, beseitigt viele Integrationsprobleme und gewährleistet die Kompatibilität mit Peripheriegeräten. Da die Bildverarbeitung direkt im Roboterprogramm gesteuert wird, entfällt die Notwendigkeit einer Koordinatenumrechnungsroutine. Darüber hinaus steigert das integrierte System von Yamaha den Durchsatz, indem es die Verzögerungen herkömmlicher Bildverarbeitungssysteme eliminiert, die durch die Übertragung der Kameradaten über einen separaten Bildprozessor an die Robotersteuerung entstehen.
Um die Systemeinrichtung zu beschleunigen, hilft ein einfacher Kalibrierungsprozess mithilfe eines Assistenten bei der schnellen Ausrichtung der Kamerakoordinaten. Ein grafisches Tool reduziert die Werkstückregistrierung auf drei einfache Schritte, indem es bei der Bildaufnahme, der Konturanpassung und der Registrierung der Erkennungsposition unterstützt. Insgesamt ist die Einrichtungszeit um ca. 80 Prozent kürzer als bei einem herkömmlichen Bildverarbeitungssystem (Abbildung 4).

Im Betrieb optimiert eine leistungsstarke Kantenerkennung die Teileerkennung. Das System erkennt Schrauben und Unterlegscheiben, die Teile fixieren, identifiziert Objekte in Verpackungen oder auf Leiterplatten, überprüft Bohrungen und zählt Objekte wie Flaschen auf einer Palette oder elektronische Bauteile. Über den DVI-I-Ausgang der Kamera können Benutzer den Suchstatus jederzeit analysieren und bis zu 254 zusätzliche benutzerdefinierte Teile zur automatischen Erkennung registrieren. Die RCXiVY2+-Kameras lassen sich fest über und/oder unter dem Werkstück oder am Roboter montieren. Bei Montage am Roboter werden die Kamerakoordinaten automatisch an Bewegungen angepasst.
Das RCXiVY2+-System nutzt zudem ein neues Bildverarbeitungsverfahren, die sogenannte „Blob-Erkennung“. Diese erkennt unregelmäßig geformte Objekte bis zu zehnmal schneller als herkömmliche Kantenerkennungsmethoden. Dies verbessert die Auswahl, die Anwesenheitserkennung und die Hochgeschwindigkeitszählung mehrerer Werkstücke und ist besonders effektiv bei Objekten wie Lebensmitteln und Kleidung. Dadurch erweitert sich das Anwendungsspektrum der Robotervision. Das System erkennt außerdem überlappende Teile und schließt diese vom Suchziel aus.

Fazit:
Konventionelle manuelle Montageprozesse bieten, selbst mit einfacher Automatisierung wie motorisierten Förderbändern, nur begrenztes Potenzial zur Steigerung von Durchsatz und Produktivität. Typische Ansätze zur Optimierung der Bearbeitungszeiten können oft den gegenteiligen Effekt auf die Produktivität haben, während der Einsatz zusätzlicher Mitarbeiter und Produktionslinien die Betriebskosten erhöht und mehr Produktionsfläche benötigt. Der Einstieg in die robotergestützte Prozessautomatisierung (RPA) kann einfach und reibungslos erfolgen, wenn er richtig angegangen wird, beispielsweise durch den Austausch unflexibler Förderbänder oder platzraubender Rundtische gegen programmierbare Linearroboter. Sobald sich bewährte Produktionslinien etabliert haben, kann die Automatisierung auf weitere Prozesse und Produktionslinien ausgeweitet und durch Upgrades wie Bildverarbeitungssysteme ergänzt werden, was zu einer stetig steigenden Rendite führt.

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