Roboter sorgen für Mikro-Montage in Hochgeschwindigkeit

Konstant hohe Taktung

Der Rundtakttisch ist auch bei hoher Geschwindigkeit in der Lage, bruchempfindliche Teile wie Glasröhrchen zuverlässig zu handhaben. (Fotos: Mitsubishi)

Mit einem neu entwickelten, indexierenden Rundtakttisch speziell für das Handling von Kleinstteilen in der Massenproduktion hat die Maschinenbausparte der Royal Philips Electronics, Philips Innovation Services (PInS), Sparte Industrialization, die maximale Geschwindigkeit eines solchen Rundlauftisches von 100 auf bis zu 180 Takte pro Minute erhöht. Dies ist ein anspruchsvolles Unterfangen in der Mikro-Montage. Denn hier ist eine erheblich höhere Genauigkeit gefordert. Deswegen kann eine höhere Geschwindigkeit könnte leicht zu Lasten von Qualität gehen. Bei diesem Projekt arbeitet PInS Aachen eng mit Mitsubishi Electric zusammen und vertraut dabei als Systempartner auf die Präzision der kompakten und leistungsstarken Mitsubishi Roboter und Steuerungen basierend auf der iQ Platform. Ein erstes Anlagenmodell wurde für die Motek im letzten Jahr gebaut und demonstriert exemplarisch die industrielle Inline-Qualitätskontrolle von Produkten und Verpackungen auf Leckdichtheit in Hochgeschwindigkeit. Das Konzept lässt sich auf viele andere Produktionsschritte der Mikro-Montage in einer modernen Produktionslinie übertragen.

Genauigkeit ist mehr als gefragt

Wie in fast allen Ingenieursdisziplinen sind auch im Maschinenbau eine intensive Forschung und kontinuierliche Suche nach Verbesserungspotenzial wesentlich für den Erfolg am Markt. Nach Möglichkeiten zur Optimierung ihrer Anlagenkonzepte sucht auch das Entwicklungsteam um Business Development-Manager Uwe Geick und Innovation-Manager Karl-Heinz Hohaus von der PInS-Industrialization Aachen. Aus dieser Suche ergab sich im Herbst 2011 ein Optimierungsprojekt mit dem ehrgeizigen Ziel, die Taktung eines Inline-Rundlauftisches für Mikro-Automatisierungsprozesse maßgeblich zu erhöhen, ohne an Qualität einzubüßen. Zu diesem Zweck entwickelte das Team zunächst exemplarisch ein Konzept für eine Rundtaktanlage, die Leckagetests durchführt. Der grundlegende Aufbau dieses Modells lässt sich auf viele weitere Prozessschritte der Mikro-Montage anwenden.

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Weniger Masse macht Tempo

Bei dem Projekt erwies sich die Massenreduktion als besondere Herausforderung. Denn nur eine Anlage mit wenig Masse ermöglicht eine hohe Taktgeschwindigkeit bei hoher Genauigkeit, als Basis für Produktivitätssteigerung bei erhöhter Wirtschaftlichkeit. Hinsichtlich Roboter und Steuerungen fiel die Wahl der Entwickler auf Mitsubishi Electric. "Die Komponenten von Mitsubishi Electric sind für ihre kompakte Größe besonders leistungsstark, also genau das, was wir suchten¿, so Karl-Heinz Hohaus. Peter Mischitz, Manager OEM Program Europe, Mitsubishi Electric Europe B.V., ergänzt: "Das Anlagenkonzept baut auf unserer iQ-Platform auf. Diese Einheitlichkeit ermöglicht eine besonders schnelle Synchronisation der Arbeitsvorgänge und trägt maßgeblich zur hohen Taktung bei. Das gilt für die erste Beispielanlage zum Leckagetest wie auch für alle weiteren Rundtakttische, die nach diesem Modell entwickelt werden."

Aus einer Hand

In dem neuen Konzept für Rundlauftische in der Mikro-Montage sind die Komponenten von Mitsubishi Electric für die Steuerung und Regelung der Anlage zuständig. Dabei steuert die SPS Melsec System Q CPU die gesamte Maschine, die beiden Roboter Melsec System Q CPUs sind für die Steuerung der Roboterbewegungen zuständig und die Motion Melsec System Q CPU übernimmt die Steuerung aller Motion-Bewegungen. "Mitsubishi Electric bietet von der Robotersteuerung bis zum GOT-Bedienpanel alles aus einer Hand, einheitlich basierend auf der iQ Platform. Die Produkte sind aufeinander abgestimmt. Für diese Maschine gibt es keinen anderen Hersteller, der ein solches Gesamtpaket liefern kann", so Uwe Geick. Alle vier Mitsubishi Electric CPUs sind auf den Baugruppenträger der iQ Platform montiert und kommunizieren über den Rückwandbus direkt miteinander, womit eine besonders schnelle Synchronisation möglich ist. "So konnten wir mehr Leistung und vor allem mehr Geschwindigkeit aus der Mechanik herausholen als bei einer Vernetzung der Komponenten über offenes Ethernet. Auf diese Weise konnten wir schließlich die Taktung maximieren", beschreibt Uwe Geick weiter. Peter Mischitz ergänzt: "Die Maschine ist komplett auf einem Motion-System aufgebaut. Die Anlage kann also stufenlos hoch- und runtergefahren werden, je nach geplantem Produktionsvolumen zum Beispiel von 180 auf 60 Takte. Das Motion-System synchronisiert die Abläufe automatisch, sodass ein Nachjustieren nicht nötig ist."

Mit hohem Tempo über Kopf

In der ersten exemplarischen Leckage-Testeinheit sind zwei Überkopf-SCARA-Roboter von Mitsubishi Electric verbaut. Die 4-Achs-Industrieroboter vom Typ RH-SQH verfügen über eine maximale Hebekraft von drei Kilogramm bei einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,01 Millimetern und einer Reichweite von 350 Millimetern. Die beiden SCARA Roboter regeln die Zu- und Abfuhr der zu prüfenden Produkte: Ein Roboter greift von außen einzeln die Stücke auf und legt sie in den Rundtakttisch, auf dem sie verschiedene Leckagetests durchlaufen. Anschließend entnimmt der zweite Roboter die geprüften, einwandfreien Teile aus der Haltevorrichtung und palettiert sie. "In diesem Geschwindigkeitsbereich gibt es nicht viele SCARA Roboter, die über Kopf eingebaut werden können. Die beiden Mitsubishi Geräte sind zudem besonders platzsparend integrierbar", erklärt Karl-Heinz Hohaus. "Ein weiterer Pluspunkt, der uns überzeugt hat: Die Roboter erlauben aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit eine konstant hohe Taktung." "Die universale SPS-CPU ist das Kernstück der iQ Platform und erlaubt einen besonders schnellen Datenzugriff. Die Motion-CPU liefert hochdynamische, flexible Servotechnik. Das in dieser Anlage integrierte System kann bis zu acht Servoachsen gleichzeitig steuern und verfügt über eine Schnittstelle zu SSCNET III", beschreibt Peter Mischitz die Komponenten. "Das 15 Zoll große HMI aus der GOT16-Serie ermöglicht die einfache Anlagenbedienung per TFT-Anzeige mit einer Darstellung von 1024 mal 768 Pixeln und 65.536 Farben. Sonderfunktionen wie ein großer Datenspeicher von 15 Megabyte und umfangreiche Netzwerkanschlüsse sind bereits integriert und können mit Optionskarten zusätzlich erweitert werden."

Geschwindigkeit synchron gehalten

Neben diesen auf der iQ Platform aufbauenden Komponenten verfügt der Rundtakttisch über eine Sicherheitssteuerung SPS Safety Controller CPU mit 255 Funktionsblöcken im Programmspeicher. Außerdem stammt die komplette Servotechnik von Mitsubishi Electric. Hierzu zählen zwei digitale AC-Servoverstärker vom Typ MR-J3-B für Motorenleistung bis 3.500 beziehungsweise 5.000 Watt. Sie sorgen dafür, dass die Trägerplatte in der Mitte des Tisches rundläuft und schließen den Kreislauf des Ein- und Aussetzens der Produkte. Dabei halten sie die Geschwindigkeit synchron. Die Schaltschränke sind als Einheit konzipiert und können einfach in die Fertigungslinie integriert werden. Die Anlage selbst lässt sich problemlos an eine marktübliche MES- oder ERP-Lösung anschließen.

Ein Konzept – viele Möglichkeiten

Der Rundlauftisch für Leckagetests wurde als erstes Beispielmodell des neuen Anlagenkonzeptes zunächst im letzten Herbst präsentiert. Das Konzept selbst ist auf unterschiedliche Prozessschritte wie Fügeaufgaben, Umformen, Beschichten oder weitere Messvorgänge in der Mikro-Montage anwendbar. Mit diesem Ansatz richtet sich PInS Industrialization Aachen an externe Kunden, die höchst zuverlässig Teile in großer Stückzahl herstellen, kontrollieren und messen müssen. Von den ersten Planungsschritten bis zur fertigen Anlage vergingen knapp zwölf Monate. Mithilfe von Mitsubishi Komponenten konnte die Geschwindigkeit im Vergleich zum Vorgängermodell je nach Anforderung um bis zu 80 Takte erhöht werden. Die beschriebene Leckage-Teststation ist in der Regel inline in eine komplette Fertigungslinie integriert. Der Durchmesser einer solchen Anlage kann von 120 bis zu maximal 300 Zentimetern reichen, je nach Größe der zu verarbeitenden Teile und nach Anzahl der Arbeitsstationen auf einem Tisch. Mit 210 Zentimetern hat das erste Modell ein mittleres Format.

Für verschiedene Branchen

Die exemplarische Leck-Testanlage kann in ganz verschiedenen Industrien im Rahmen der Prozesssicherheit eingesetzt werden, um Produkte in Hochgeschwindigkeit auf mögliche Leckage zu prüfen, zum Beispiel in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie, der pharmazeutischen Industrie, im Automobilsektor oder in der Feinmechanik wie der Medizintechnik. Karl-Heinz Hohaus erläutert: "Ziel ist es beispielsweise, die Haltbarkeit von in Schutzatmosphäre verpackten Lebensmitteln, die Sterilität von Ampullen und Spritzen oder die einwandfreie Funktionsweise sicherheitsrelevanter Fahrzeugkomponenten wie zum Beispiel Bremsbaugruppen zu gewährleisten. Der Rundtakttisch ist auch bei hoher Geschwindigkeit in der Lage, bruchempfindliche Teile wie Glasröhrchen zuverlässig zu handhaben. Aufbauend auf diesem Konzept lassen sich Rundtische für viele verschiedene hochpräzise Mikro-Montage- und Kontrollarbeiten in Hochgeschwindigkeit realisieren - beispielsweise bei der Fertigung von Xenon-Lampen anfallende Schweiß- und Laserprozesse, ultra-reine Gasprozesse, hochgenaue Dosierung und Zufuhr von Fest- und Flüssigstoffen, Beschichtungsvorgänge oder die optische Produktionskontrolle."

Mit Know-how zu ambitionierten Projekten

Als Teil des Geschäftsbereichs Philips Innovation Services befasst sich PInS Industrialization in Aachen schwerpunktmäßig mit der Konstruktion kompletter Fertigungslinien für interne wie externe Kunden, bestehend aus verschiedenen Arbeitszellen für unterschiedliche Bearbeitungs- und Montageaufgaben sowie aus verbindenden Förderelementen. Dabei verfügt PInS Aachen über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Umsetzung von Mikro-Automatisierungsprozessen und schöpft das dafür nötige Fachwissen unter anderem aus den traditionellen Aufgabenstellungen innerhalb des PHILIPS Konzerns, beispielsweise aus den Geschäftsbereichen "Lighting" und "Healthcare". Uwe Geick verdeutlicht: "Wir wickeln Turn-Key-Projekte in Größenordnungen von 100.000 Euro bis rund 40 Millionen Euro ab. Das bedeutet, wir entwickeln nach Kundenanforderung die komplette Produktionsanlage samt Intralogistik und stellen die einzelnen Fertigungsstationen inklusive der verbindenden Förderbänder auf. Der Kunde muss lediglich für die Anschlüsse an die notwendigen Medien wie Strom, Gas oder Wasser sorgen."

Mit Erfahrungen ans Werk gegangen

Bereits in früheren Projekten hat PInS Industrialization Aachen Roboter und Steuerungen von Mitsubishi Electric in Fertigungslinien verbaut, häufig in Anlagen zur Zu- und Abfuhr. "Mitsubishi Electric ist im Philips Konzern eine bekannte Größe insbesondere für Roboter- und Steuerungstechnik", erklärt Uwe Geick. "Unsere Zusammenarbeit basiert auf einer sehr ähnlichen Firmenphilosophie. Das mag auf den ersten Blick konträr wirken, da die beiden Unternehmen auf japanischen beziehungsweise niederländischen Wurzeln fußen. Aber in den grundlegenden Einstellungen sind sie nicht weit von einander entfernt. So leben beide die Überzeugung, dass man durch anwendungsorientierte Forschung und immer neue Zielsetzungen den Fortschritt vorantreiben und höchst ambitionierte Produkte entwickeln kann." Das nächste gemeinsame Projekt steht mit einer Anlage für spezielle Handling-Aufgaben bereits fest.bw

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