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Maschinenbestückung mit Robotern

Aus der Praxis für die Praxis
Maschinenbestückung mit Robotern

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Die automatisierte Bestückung von Werkzeugmaschinen mit Robotern ist zweifellos eine komplexe Angelegenheit. Umso wichtiger ist es, schon im Vorfeld die richtigen Entscheidungen zu treffen. Doch welche Entscheidungen sind dies? Und welche Kriterien sind dabei zu beachten?

Bei der automatisierten Bestückung von Werkzeugmaschinen ist die Auswahl des geeigneten Roboteraufbaus, des Manipulators, ein wesentlicher Baustein im Planungsprozess. Aber eben nur einer von mehreren. Denn ebenso wichtig wie der richtige Roboter sind das optimale Ansteuerungskonzept und die dazu passende Softwarestruktur. Für den Anlagenplaner ergeben sich daraus konkret folgende drei Fragestellungen:

Welcher Steuerungstyp ist für die spezifische Automatisierungsaufgabe am besten geeignet?
Auf welchem Weg sollen Roboter und Maschinensteuerung kommunizieren?
Welche Roboter-Hardware erfüllt die anwendungsspezifischen Anforderungen optimal?
Die Voraussetzung für die optimale, anwendungsspezifische Umsetzung kompletter Systemlösungen ist ein sehr breit gefächertes Produkt- und Lösungsspektrum, wie es Yaskawa im Bereich der Robotik und darüber hinaus anbietet. Im Einzelnen umfasst die Robotik-Welt neben dem eigentlichen Roboter einen Controller, also die Robotersteuerung, sowie ein Programmierhandgerät (PHG) zur Programmierung des Roboters, die so genannte Teachbox. Die zweite Ebene einer automatisierten Anlage bildet die Maschinen-Welt: Sie besteht in den meisten Fällen aus einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem PC, aus einer Bedienoberfläche (Human Machine Interface, HMI) und gegebenenfalls aus zusätzlichen Baugruppen wie Sensoren, Kameras etc.
Auswahl des Steuerungstyps
Die Planung eines Anlagenkonzepts zur roboterbasierten Bestückung von Werkzeugmaschinen setzt in der Robotikwelt an. Und zwar nicht beim Roboter, sondern zuallererst bei der Steuerung. Yaskawa zum Beispiel stellt aktuell zwei Steuerungstypen zur Auswahl: die Hochleistungsteuerung DX100 und die Kompaktsteuerung FS100. Die Hochleistungssteuerung hat zweifellos ihre Vorteile: Über eine einzige DX100-Steuerung lassen sich bis zu 8 Roboter bzw. insgesamt bis zu 72 Achsen vollsynchron programmieren. Daraus ergeben sich einzigartige Möglichkeiten zur Ausführung unterschiedlicher Aufgaben und für eine synchrone Koordination. Allerdings ist eine solche Hochleistungssteuerung für die meisten Bestückungsaufgaben, wie sie besonders CNC-Maschinen stellen, überdimensioniert und damit nicht die ideale Lösung.
Hier, bei der Bestückung von Werkzeugmaschinen, kann die Kompaktsteuerung FS100 ihre Vorteile voll ausspielen: Sie ist nicht nur viel kleiner als eine DX100, sondern auch schnell und offen konzipiert. Das bedeutet: Mit ihren handlichen Abmessungen passt sie in ein Standard-19-Zoll-Gehäuse. Und durch offene Programmier- und I/O-Schnittstellen lässt sie sich hervorragend in übergeordnete Anlagensteuerungen integrieren. Gerade für Roboter mit kleineren Traglasten bis etwa 20 kg ermöglicht die FS100 hochgenaue Bahnbewegungen und sehr schnelle Interpolationszeiten mit einem IPO-Takt von nur 4 ms. Das patentierte Advanced-Robot-Motion-System (ARM) berechnet dynamisch das Drehmoment und die Belastung der Roboterachsen. Unterstützt durch die Vibrationskontrolle und eine hochsensible Kollisionserkennung sind extrem wiederholgenaue und schnelle Roboterbewegungen möglich.
Auswahl der Kommunikationsart
Steht der Steuerungstyp fest, muss im nächsten Schritt über die Einbindung der Robotersteuerung (Controller) in die übrige Anlagenumgebung entschieden werden. Generell ist dabei die Verknüpfung von allen Einzelkomponenten denkbar und technisch möglich. Im einfachsten Fall nutzt die Robotersteuerung ihr internes SPS-Programm, um mit den Peripheriegeräten zu kommunizieren. Über das Softwaretool IF Panel, das ausschließlich auf der Teachbox läuft, können einfache Bedienvisualisierungen realisiert werden. Im Normalfall ist aber eine Verknüpfung mit der SPS gefragt. Damit stellt sich die Frage: Auf welche Art, in welcher Sprache sprechen Robotik- und SPS-Welt miteinander?
Standardmäßig kommunizieren Controller und SPS direkt auf einem von drei Wegen: über I/O-Bausteine, per System-Kommunikation oder über Feldbusse wie beispielsweise Profibus oder Profinet. Ein direkter Zugriff vom Bedienfeld (HMI) auf den Controller ist als Sonderfall ebenfalls möglich, nämlich über eine Modbus TCP-Schnittstelle im Controller bzw. über eine Softwareapplikation im HMI. Das Softwaretool Moto Plus ermöglicht es in diesem Zusammenhang, in der Robotersteuerung kundenspezifische Sonderfunktionen in Form von Apps zu erzeugen. Diese Apps bieten die Lösung für alle denkbaren Anforderungen. Insbesondere erlaubt sie den Zugriff auf diverse Baugruppen wie Kameras, Sensoren etc. Nur als ein Beispiel führt der Roboter dann eine spezielle Aktion aus, sobald ein vordefinierter Sensorwert erreicht wird.
Als zweites Kommunikations-Szenario kann aber auch die komplette Programmierung der Robotersteuerung direkt in der SPS erfolgen. Möglich macht es die Schnittstelle Motoman Sync. Sie verknüpft die offen konzipierte Robotersteuerung FS100 per Ethernet/IP oder Profinet mit der SPS. Dabei werden keine Daten übertragen wie bei einer üblichen Ein-/Ausgangskommunikation. Die Programmierung wird vielmehr direkt im PC oder der SPS durchgeführt. Von dort gehen die Bewegungsbefehle in Echtzeit an den Roboter. Das von Yaskawa in Japan entwickelte Protokoll unterstützt dabei verschiedene SPS-Marken sowie den Anschluss an einen PC.
Zur Integration von Motoman-Robotern in SPS-gesteuerte Anlagen waren mit MotomanSync schon bisher keine speziellen Robotik-Kenntnisse notwendig. Denn die Programmierung kann komplett in der bekannten SPS-Programmiersprache erfolgen. Speziell für die Einbettung der FS100 in eine Vipa CPU mit Speed 7-Technologie oder eine Siemens-S7-Steuerung hat Yaskawa Europe die Schnittstelle um eine neue Bibliothek erweitert: die MotomanSync PLC Profinet.
Die neue Bibliothek enthält alle notwendigen Befehle, um einen Motoman-Roboter in eine S7-Umgebung zu integrieren. Programmiert sind diese Befehle als Multi-Instanz-fähige Funktionsbausteine (Function Blocks, FB). Sie lassen sich flexibel und projektkonform umbenennen. Die Steuerung von Motoman-Industrierobotern direkt über eine S7-SPS wird damit noch einfacher. Sinnvoll ist diese Lösung vor allem für große Unternehmen mit vielen SPS-geschulten Servicetechnikern.
Auswahl der Roboter-Hardware
Bleibt – im letzten Schritt – die Auswahl der geeigneten Roboter-Hardware. Die aktuelle Entwicklung ist dabei bestimmt von neuartigen Kinematiken in Form von menschenähnlichen Ein- und Doppelarmrobotern. Gegenüber herkömmlichen Industrierobotern verfügen diese über eine enorme Bewegungsfreiheit und sind damit ideal für Handlings- und Montagetätigkeiten. Konkret stehen dabei zum einen die 7-Achs-Roboter der Motoman SIA-Serie zur Verfügung, zum anderen die Doppelarm-Roboter der Motoman SDA-Serie mit 15 Achsen.
Yaskawa Europe GmbH www.yaskawa.eu.com

Der Autor
Matthias Trenner, Product Manager, Robotics Division, Yaskawa Europe GmbH
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