Wo befinden sich Teile im Werkstückträger, auf die ein Roboter zugreifen kann? Eine Frage, die vielerorts (noch) mit aufwändigen Kamerasystemen gelöst wird. Doch es geht effizienter: mit der Smart-Task-Funktionalität Load Mapping, die Sick für alle Produktfamilien smarter Optosensoren mit IO-Link entwickelt hat.

Die Umsetzung der Bestückungskontrolle durch smarte Sensoren mit Load-Mapping-Funktionalität hat entscheidende Vorteile. So ist sie im Vergleich zum Einsatz aufwendiger Bildverarbeitungssysteme oftmals integrationsfreundlicher und wirtschaftlicher. Gegenüber der Applikationslösung mit einem Sensor direkt am Greifelement ermöglicht das Load Mapping von Werkstückträgern eine bessere OEE (overall equipment efficiency) beispielsweise von Bestückungs- und Montageprozessen, weil nicht mehr jeder Steckplatz einzeln – und damit zeitintensiv – abgefragt werden muss. Dies zeigt 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.

Flexible Fertigung erfordert sichere Teilebereitstellung
Hier ist die vernetzte, smarte Fabrik mit autonomen digitalen Produktions- und Steuerungsprozessen schon Realität. Die Möglichkeit, in zwölf vollautomatisierten und vernetzten Produktions-Technologie-Modulen (PTM) unterschiedliche Produkte in individuellen Losgrößen zu fertigen, setzt 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. Trifft ein Produktionsauftrag über das Netzwerk ein, wird das 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 unterschiedlichste Füllungsgrade, Restmengen und Beladungsmuster aufweisen.

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 – unter Inkaufnahme eines hohen Anteils nicht wertschöpfender Prozesszeit, wodurch die Anlageneffizienz leidet. Oder durch ein Bildverarbeitungssystem, das in der Anschaffung, Integration und Auswertung relativ teuer und komplex ist.

Die Load-Mapping-Funktionalität steht nicht nur für die WTB4S-3 zur Verfügung, sondern für alle Produktfamilien smarter Sensoren mit IO-Link von Sick. © Sick

Im Gegensatz dazu stellt der Load-Mapping-Ansatz von Sick eine Optimierung der OEE sicher und spart gerade gegenüber einem Bildverarbeitungssystem Geld, da er lediglich aus „smarten“ Standardsensoren und einem IO-Link-Master besteht. Das Load Mapping ermöglicht damit eine effiziente, kostengünstige und fertigungsnahe Bestandsführung insbesondere in hoch autarken Anlagen wie denen der 4.0 Now Factory.

Belegung des Werkstückträgers als Bitmaske
Die Lichtschranken – in dieser Anwendung der Produktfamilie WTB4S-3 – mit integriertem Load Mapping sind über der Einlaufstrecke der Trays in den Arbeitsbereich des Roboters montiert. Jeder Sensor tastet beim Einfahren eine Steckplatzreihe ab und detektiert dabei nacheinander die einzelnen Elektronikkarten. Das dabei entstandene Detektionsmuster übersetzt die Smart Task im Sensor dynamisch in eine Bitmaske, welche die Bestückungssituation dieser Steckplatzreihe widerspiegelt– „0“ für einen leeren Steckplatz und „1“ für einen belegten, zugriffsgeeigneten Steckplatz.

Der Vorgang findet zeitgleich in allen 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 Lichtschranken die Informationen, an welchen Stellen E-Karten vorhanden sind und setzt diese 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.

Die Load-Mapping-Funktionalität steht nicht nur für die 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. Dadurch wird die Sensorintegration vereinfacht und gleichzeitig die Kommunikationslast reduziert – denn die Robotersteuerung kommuniziert dann nicht mit jedem Sensor einzeln, sondern fragt beispielsweise die erste bestückte und greiffähige Position im Tray in der SIM ab.

Die Bestückungskontrolle von Trays ist eine der ersten Applikationen der Load-Mapping-Funktionalität. 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 verschiedenen Ausprägungen. as