Robotergestützte Montage in Industrie-4.0-Umgebung

Vom Industrie-4.0-Trend, der den Sensorikmarkt enorm beflügelt, profitiert auch der Spezialist für smarte Sensortechnologien Wenglor. Rund 300 MitarbeiterInnen beschäftigt das Unternehmen allein am Standort Tettnang und der Bedarf an qualifiziertem Personal ist kaum zu decken. Unter diesen Gegebenheiten genießen effiziente, hochautomatisierte Produktionskonzepte oberste Priorität. Wie solche Lösungen in der Praxis aussehen, zeigt eine Roboterzelle, in der Optikmodule für unterschiedliche optoelektronische Sensorbaureihen schnell und präzise montiert werden. Zu den Schlüsselkomponenten der Zelle gehören ein Stäubli-TX60L-6-Achs-Roboter, eine Beckhoff-TwinCAT3-Soft-SPS sowie ein .NET-Hostprogramm.

Die Besonderheit der Zelle bringt Michael Martin, Softwareentwickler bei Wenglor, auf den Punkt: „Das Roboterprogramm unterstützt beliebige Anforderungen, die Ausführungsschritte in der SPS sind frei konfigurierbar, die Ausstattung der Zelle hochflexibel – das gibt uns jede Menge Freiheit. Die Anlage kann deshalb nicht nur Linsen justieren, sondern beherrscht auch ein breites Spektrum an Montageapplikationen.“

Derzeit werden in der Zelle ausschließlich Optikmodule für diverse modular konzipierte Sensorbaureihen montiert: Die Variantenvielfalt geht hier nahezu gegen unendlich. Typische Losgrößen liegen bei 100 bis 2.000 Optikmodulen. Analog dazu stehen bis zu fünf Umrüstungen pro Tag an. Aufgrund der Flexibilität der Anlage und der steuerungstechnischen Voraussetzungen mit dem Hostprogramm, aus dem die entsprechenden Prozessabläufe nur abgerufen werden müssen, lässt sich die komplette Zelle in wenigen Minuten umrüsten.

Einen Großteil der Handhabungsprozesse der drei Einzelteile Optikmodul, Sende- und Empfangslinse, die über Trays bevorratet werden, übernimmt der Stäubli-6-Achser vom Typ TX60L. Das L steht für die Langarmvariante, die dem Roboter eine Reichweite von 920 mm verleiht und so das problemlose Anfahren aller Stationen innerhalb der Zelle ermöglicht. Der Prozessablauf beginnt mit dem Aufnehmen eines unbestückten Optikmoduls. Der TX60L ist dazu mit einem Greifer ausgestattet, der über IO-Link konfiguriert und angesteuert wird. Da die Lage der Module im Tray nicht exakt definiert ist, fährt der Roboter zunächst zu einer Station, an der die Position des Bauteils über die Smartkamera WeQube erfasst wird. Nur so lässt sich das Modul später mit der geforderten Genauigkeit an der Montageposition ablegen.

Direkt im Anschluss steuert der Roboter eine Station an, die für die Benetzung der Linsenaufnahmen des Moduls mit Klebstoff zuständig ist. Jetzt muss der TX60L das Bauteil nur noch exakt in seiner Aufnahme ablegen und fertig ist Teil eins des Handhabungsprozesses. An seiner Endposition wird das Optikmodul gespannt, kontaktiert und über IO-Link konfiguriert. „Das Positionieren des Moduls in seiner Aufnahme verlangt vom Roboter hohe Präzision. Wir arbeiten hier im Toleranzbereich von wenigen Hundertstel Millimetern. Der Stäubli-Roboter bewerkstelligt diese Genauigkeitsanforderungen mühelos und erledigt die Positionierung schnell und zuverlässig“, so Martin.

Anschließend macht sich der Roboter an die Handhabung von Sende- und Empfangslinse. Die Arbeitsschritte sind dabei identisch: Der TX60L holt jeweils eine Linse ab, fährt zur Smartkamera-Vermessungsstation, die die Lage des Objekts im Greifer ermittelt und legt die Linse an einer Übergabeposition ab. An dieser Station übernimmt ein hochpräzises Linearsystem die Handhabung und Justage der Linsen im Optikmodul. Trotz der vorbildlichen Präzision des Stäubli-Roboters ließ sich diese Aufgabenstellung nicht mit dem 6-Achser lösen. Dazu Martin: „Sende- und Empfangslinse müssen im Optikhalter auf wenige Mikrometer genau justiert werden, was nur mit einem ultrapräzisen Linearsystem möglich ist.

Die Justage der Sende- und Empfangslinse ist der wichtigste Schritt innerhalb des Montageprozesses.“ Bei der Positionierung der Linsen setzt der Anbieter auf ein optisches Feedback-System bestehend aus der Wenglor-Smartkamera, der SPS, dem Linearsystem und einem 3D-Regelalgorithmus. Befindet sich der Lichtfleck in Größe und Position im vorgegebenen Toleranzfenster, wird der Justage-Algorithmus beendet und der Klebstoff ausgehärtet. Im letzten Schritt nimmt der Stäubli-Roboter das Optikmodul und legt es im Tray ab.

Mit dieser innovativen Produktionstechnologie ist es möglich geworden, dass alle Sensoren der optoelektronischen PNG//smart-Baureihe identische optische Eigenschaften haben. Um die Taktzeiten zu verkürzen, ist die Justagestation doppelt ausgeführt. Dank seiner hohen Dynamik kann der Stäubli-Roboter die beiden identischen Stationen im Wechsel bedienen. Die komplette Kommunikation zwischen allen Teilnehmern in der Zelle läuft über EtherCAT. Für die Auswahl des Roboters war die EtherCAT-Option deshalb ein Ausschlusskriterium.

Während man vielerorts noch von Industrie 4.0 spricht, haben die Entwicklungsingenieure von Wenglor die entsprechenden Standards in ihrer Zelle bereits umgesetzt: „Wir stellen die auszuführenden Prozesse quasi über ‚atomare‘ Schritte zusammen, die wir beliebig konfigurieren können. Die Anzahl der einzelnen Schritte kann dabei stark variieren und reicht von 1.000 bei der Linsenjustage bis hin zu 30.000 bei komplexeren Aufgaben. Zu jedem Schritt sind alle Parameter abgespeichert, sodass sich der Prozessablauf bis ins kleinste Detail nachvollziehen lässt“, betont Martin.