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Roboterautomatisierung für klein- und mittelständische Zerspaner

Roboterautomatisierung für klein- und mittelständische Zerspaner
Horst: zuverlässiger Helfer für KMU

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Solange der Span fliegt, setzt der klein- und mittelständische Zerspaner alles und schon immer auf vollumfänglich autonome Prozesse. Die NC-Maschine bietet hierfür das ganze Potenzial letztendlich nicht nur für die eigentliche Bearbeitung des Werkstücks, sondern darüber hinaus bis hin zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung. Ganz anders sobald das Werkstück die Maschine verlässt. Sehr häufig wird es dann manuell. Was behindert hier die Automatisierung und wie könnte das optimiert werden? Die Antwort ist: Horst!
Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. Siegfried Schmalzried HFU,Heiko Häsler COO Fruitcore Robotics GmbH

Industrieroboter sind eine Schlüsseltechnologie zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Fertigungsindustrie und eine Basis zur Steigerung von Wachstumspotenzialen. Die etwaigen Befürchtungen wie „Industrieroboter killen Jobs“ erweisen sich als wiederlegt. Unternehmen, die umfassend Industrieroboter einsetzen, erreichen im Vergleich eine deutlich höhere Produktivität. Selbst Firmen mit einer hohen Fertigungstiefe können Ihre Technologieführerschaft durch Roboterautomatisierung ausbauen. Ein Blick in die Vergangenheit zeigt beeindruckend die Entwicklung des Wachstumsmarktes der Industrieroboter (Abb. 1). Auch für die kommenden Jahre erwartet die International Federation of Robotics eine positive Entwicklung.

Verbunden mit diesem Wachstumsmarkt zeigt sich in Deutschland im globalen Vergleich eine sehr hohe Dichte an Industrierobotern im Verhältnis zu den Arbeitsplätzen (Abb. 2). Jedoch lohnt hier ein tieferer Blick in die Zahlen, um insbesondere das zukünftige Potenzial zu erkennen und die in Deutschland weit verbreitete Zerspanindustrie richtig einzuordnen. Dabei ist es bemerkenswert, dass laut Studie des Fraunhofer ISI z. B. die Länder Spanien, Frankreich und Schweiz die höchste Anzahl von Unternehmen mit Robotern in Europa vorweisen können. Nach Aktenlage werden in Deutschland pro Arbeitnehmer mehr Roboter eingesetzt, in Spanien, Frankreich und der Schweiz jedoch mehr Roboter pro Unternehmen. Dieser scheinbare Widerspruch löst sich bei näherer Betrachtung des branchenbezogenen Robotereinsatzes auf. Dabei zeigt sich insbesondere die in Deutschland stark vertretene Automobilindustrie mit ihrer hohen Anzahl an Arbeitnehmern in einer Vorreiterrolle.

Zurück zur Fraunhofer-Studie, ergibt sich nun des Rätsels Lösung. Gerade für Deutschland korreliert die Wahrscheinlichkeit für einen Industrierobotereinsatz sehr stark mit der Größe des Unternehmens. Diese Quote steigt nahezu linear mit der Unternehmensgröße. Nur ein Viertel der Betriebe mit 20 bis 49 Mitarbeitern sind Anwender von Industrierobotern, im Vergleich zu 38 % der Unternehmen mit 50 bis 249 Mitarbeitern, 54 % der Unternehmen mit 250 bis 999 Mitarbeiter und 70 % der Unternehmen mit 1000 und mehr Beschäftigten. Obwohl diese Zahlen aus dem Jahr 2012 stammen, lässt sich diese Verhältnismäßigkeit gut bis 2019 verfolgen. Begründet wird dies durch höhere finanzielle Ressourcen, fortschrittlichere Produktionstechnologien und die Nutzung von Skaleneffekten. Neben dieser eher akademischen Begründung stellt sich trotz alledem die Frage, warum gerade die als besonders innovativ geltenden Mittelständler im Bereich der Zerspanung beim Robotereinsatz hinterherhinken (Abb. 3). [1]

Herausforderung des Robotereinsatzes
für Zerspaner und KMU

Die praktische Antwort erschließt sich dem Kenner der Branche aus einer ganz anderen Richtung. Aufgrund der Komplexität von Produktionsprozessen stoßen vollautomatisierte Industrieroboter systembedingt an Grenzen. Besondere Herausforderungen sind dabei kleine Losgrößen und umfangreiche Produktvarianten. Gerade KMU verzichten darum zunächst auf Produktivität zugunsten der Flexibilität und führen diese Arbeiten evtl. sogar unter Qualitätseinbußen manuell durch. Um zukünftig jedoch Roboter in diesem Umfeld und in variantenreichen Produktionssystemen einsetzen zu können, muss deren Konfiguration deutlich erleichtert werden. Die Vereinfachung der klassischen Roboterprogrammierung zur intuitiven anwenderorientierten Programmierung bietet einen Ansatz für den wirtschaftlichen Einsatz in KMU, aber auch in der flexiblen Kleinserienfertigung. Es bedarf einfacher Programmiermethoden, um Bewegungsabläufe anlegen oder bereits angelernte Abläufe abändern zu können. Mit dem sinkenden Verhältnis von Programmieraufwand zu effektiver Fertigungszeit steigt die Wirtschaftlichkeit für die Produktion. Dieses wiederum ermöglicht es in der Folge den KMUs ohne Einsatz von speziell geschulten Fachkräften Roboterlösungen vielfältig umzusetzen. [2]

Der Newcomer vom See: Horst

Selbstverständlich ist diese Herausforderung gemeinhin bekannt und sämtliche Roboterhersteller beschäftigen sich mit der Entwicklung adäquater Lösungsansätze. Doch manchmal bedarf es einer gewissen Unbedarftheit, Freiheit von historischen Zwängen sowie jugendlichem Sturm und Drang, um der genialen Idee den Weg zu bereiten. So hat sich das Start-up-Unternehmen Fruitcore Robotics aus Konstanz dieser Herausforderung gestellt.

Sehr klar haben die jungen Ingenieure erkannt, warum KMU – gerade auch die Lohnzerspaner – häufig davor zurückscheuen, Roboter einzusetzen. Dabei sind Budget und Kapazität nur die kleineren Probleme. Vielmehr mangelt es an Erfahrung mit derartigen Systemen und am entsprechenden Bediener-Know-how. Demgegenüber steht ganz klar das riesige Potenzial, mit einem Roboter die Produktivität und die Qualität zu steigern und damit die Wettbewerbsfähigkeit und Gewinnmaximierung zu erhöhen. Analytisch hat man sich nun den Stand der Technik betrachtet und ein System geschaffen, welches die Defizite der konventionellen Roboter in Form der komplexen Bedienung bzw. Ansteuerung und die Defizite der Cobots bezüglich der langsamen Verfahrgeschwindigkeit und der begrenzten Einsatzmöglichkeiten eliminiert. Das Start-up führt die Vorteile dieser beiden unterschiedlichen Systeme in einem zusammen: flexible Anwendung bei kurzen Taktzeiten und einfache Bedienbarkeit.

Entstanden ist daraus Horst („Highly Optimized Robotic Systems Technology“). Beim kinematischen Aufbau wurde durch eine geschickte Mechanik darauf geachtet, die Kraftübertragung so zu gestalten, dass auf große und damit teure Elektromotoren und Getriebe mit hohen Übersetzungen verzichtet werden kann. Die daraus entstehenden Vorteile zeigen sich nicht nur durch die wesentlich geringeren Kosten für die Mechanik als bei vergleichbaren Systemen, sondern vielmehr technologisch. Die sogenannte Viergelenkkette dient einer hohen Kraftübertragung bei einem großen Übersetzungsverhältnis, wenn die Position des Roboters dies erfordert. Interessanterweise kehrt sich durch die Viergelenkkette das Übersetzungsverhältnis um, sobald hohe Geschwindigkeiten bei geringen Kräften gefordert sind. Darüber hinaus leiten die Stäbe der Gelenkketten die Kräfte auf die Struktur ab. Dies bedeutet hohe Systemsteifigkeit bei gleichzeitig geringer Masse.

Das Ergebnis daraus: Bei gleichen Leistungsdaten in Bezug auf Traglast, Reichweite und Dynamik wie konventionelle Roboter wird der Geldbeutel des Anwenders deutlich geschont.

Eine Lösung für den klein- und
mittelständischen Zerspaner

Damit wird bereits in der Anschaffung ein deutliches wirtschaftliches Signal gesetzt. Aber das ist noch nicht alles. Die dauerhafte Wirtschaftlichkeit zeigt sich vollends beim Einsatz und Betrieb von Horst. Zugrunde liegt hier die einfach bedienbare Steuerung. Die Programmierung erfolgt mit der Fruitcore-Software Horst-FX. Damit kann praktisch jeder Produktionsmitarbeiter sowohl einfache wie auch komplexe Anwendungen ohne Fachkenntnisse schnell und einfach programmieren. Die grafische Oberfläche ist intuitiv aufgebaut und erinnert an die Bedienung eines Smartphones. Programme können entweder live oder mittels Simulation erstellt werden. Die visuelle Abbildung der Bewegungen verhindert Fehler und Kollisionen. Bediener können einmal erstellte Programme jederzeit einfach bearbeiten und einzelne Bausteine verschieben oder löschen. Zusätzlich ist es möglich, Daten für weitere Werkzeuge und 3D-Objekte zu importieren. Der Übergang zur Programmierung komplexer Prozesse ist fließend.
Beispielsweise können grafisch programmierte Abläufe mit einem Klick in Programmcodes konvertiert werden. Horst-FX eignet sich für Einsteiger genauso wie für Experten und sorgt durch intelligente Features für Transparenz und Digitalisierung in der Produktion.

Auch externe Maschinen werden über die grafische Programmierung anhand der in der Industrie gängigen Schnittstellen unkompliziert angesteuert. Die Steuerung basiert auf einem schnellen Prozessor, der die Regelung der sechs Achsgelenke in Echtzeit übernimmt. Für eine hohe Positioniergenauigkeit im Bereich von ± 0,05 mm kommen optische Inkrementalgeber zum Einsatz. Zudem bietet die eigenentwickelte Sicherheitssteuerung sichere Ein- und Ausgänge zur Kommunikation mit Sicherheitssystemen wie beispielsweise Lichtschranken oder Sicherheitsscannern.

Gerade der Zerspaner bzw. KMU können umfänglich von Horst profitieren. Die Forderungen in Richtung robuste zuverlässige Prozesse, geringere Ausschussraten, Prozessüberwachung, 24/7-Einsätze bei hoher Maschinenauslastung und hohe Maschinenverfügbarkeiten, Senkung der Lohnstückkosten, Flexibilität und kürzere Lieferzeiten werden durch den Einsatz von Robotern nicht nur erfüllt, sondern vielleicht gerade dadurch erst ermöglicht. Horst kann während sich Werkstücke in der Bearbeitung befinden hauptzeitparallele Aufgaben durchführen wie:

  • Automatisiertes Be- und Entladen von Werkstücken
  • Palettieren, Speichern und Puffern von Werkstücken
  • Reinigen von Werkstücken
  • Entgraten, Nacharbeiten
  • Messen und Prüfen von Werkstücken
  • Regelkreis mit der Maschine

Jetzt können die wertvollen und in geringer Zahl zur Verfügung stehenden Produktionsmitarbeiter sich auf ihre Kernkompetenzen besonders in ihren Fokusgebieten, nämlich Einrichten und Optimieren des Produktionsprozesses, konzentrieren. Dabei hält sich die Investition in Grenzen. Schon für weniger als 20 000 Euro bekommen Unternehmen aller relevanten Branchen und Größenordnungen einen zuverlässigen, qualitativ hochwertigen und präzisen Industrieroboter inkl. Software und Steuerung. Durch seinen kurzen Return-on-Invest spielt die Auslastungslage keine große Rolle. Im Gegensatz zu einem Mitarbeiter kostet Horst bei Leerlaufzeiten tatsächlich kein Geld und kann damit helfen, Kapazitätsschwankungen effizient auszugleichen.

Fazit und Zusammenfassung

Unaufhaltsam bahnt sich der Industrieroboter seinen Weg in die Produktionstechnik. Für Großserien und Betriebe mit mehr als 1000 Beschäftigten werden sie vermehrt für wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Produktionsprozesse eingesetzt. Der Mittelstand und Kleinbetriebe, insbesondere in Deutschland, hinken aus nachvollziehbaren Gründen der globalen Entwicklung beim Einsatz von Industrierobotern hinterher. Ursächlich dafür ist die komplexe Programmierung und die vergleichsweise hohen Investitionskosten. Mit dem Robotersystem Horst steht nun ein kostengünstiges wirtschaftliches Roboterkonzept zur Verfügung. Die Programmierung von Horst erfordert nicht mehr Fertigkeiten als die Bedienung eines Smartphones. Ohne spezielle Vorkenntnisse können einfache und komplexe Bewegungsabläufe programmiert werden. Vor diesem Hintergrund stellt diese intuitive Mensch-Roboter-Interaktion eine Schlüsseltechnologie zukünftiger Produktionsumgebungen in KMU dar. Damit können insbesondere auch Lohnzerspaner und kleinere Betriebe, die bisher nicht über Kompetenzen zur Roboterprogrammierung verfügten, für Tätigkeiten wie Palettieren, Prüfen, Entgraten etc. auf Industrieroboter bzw. Automatisierung setzten, um auch außerhalb der Maschine zuverlässige, produktive und qualitativ hochwertige Prozesse zu realisieren.

Fruitcore Robotics GmbH
www.fruitcore.de

Fruitcore Robotics GmbH
Macairestraße 3
D-78467 Konstanz
Telefon: +49 (0)7531 94599 20
E-Mail: Horst@fruitcore.de
Internet: www.fruitcore.de


Literaturverweis

[1] Jäger, A.; Moll, C.; Lerch, C.: Analysis of the impact of robotic systems on employment in the European Union – Update Luxembourg, Publications Office of the European Union 2016

[2] Jäger, A.; Moll, C.: Nutzung von Industrierobotern und deren Auswirkung auf Betriebsebene; Konferenz Zukunftsprojekt Arbeitswelt 4.0; Stuttgart 2016

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