Roboterzelle der Zimmer Group produziert Möbel in Losgröße 1

Die Zimmer Group aus Rheinau forciert ihre Dienstleistungs-, Software- und Cloud-Aktivitäten. Als Proof of Concept einerseits und neues Geschäftsmodell andererseits hat Zimmer nun eine komplette Roboterzelle entwickelt, in der Möbelteile bearbeitet werden. In der Zelle werden viele Zimmer-Komponenten eingesetzt, etwa Greifer oder Multifunktionswerkzeuge, aber auch auf das Automatisierungs- und Robotik-Know-how im Unternehmen wurde zurückgegriffen. Ein digitaler Zwilling sorgt für Flexibilität im Engineering. Hinzu kommen neu entwickelte Komponenten wie ein Shuttle-Transportsystem, mit dem die Werkstücke sehr flexibel von einer Bearbeitungsstation zur nächsten gebracht werden. Das Ergebnis ist beeindruckend: Im fliegenden Wechsel kann die Anlage im einen Moment eine meterlange Schrankwand bearbeiten, und im nächsten Moment, in einem Abstand von unter zwei Sekunden, die gut handtellergroße Tür einer Kommode. Dass zugleich die Wartungszeit reduziert und die Verfügbarkeit erhöht wurde, ist mehr als ein Nebeneffekt.

Wenn man etwas lernen will, ist es sinnvoll, das nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch zu tun. Um den Weg vom Hersteller reiner Greif- und Dämpfungskomponenten zum vollwertigen Automatisierungssystemanbieter schneller gehen zu können, hat die Zimmer Group nun eine komplette Roboterzelle zur Holzbearbeitung entwickelt. Serienreif.

Es ist schon beeindruckend, was man in einer unscheinbaren Fabrikhalle im badischen Rheinau zu sehen bekommt: Fünf ausgewachsene ABB-Roboter in einer Reihe, verbunden durch ein flexibel agierendes Shuttle-System. In enger Taktung mit Werkstückabständen von unter zwei Sekunden sollen hier Möbelteile mit Löchern, Fräsungen und Beschlagteilen versehen werden. Und das im fliegenden Wechsel in Losgröße 1. Sprich: auf eine drei Meter lange Schrankwand kann unmittelbar die Tür einer Kommode mit nur 15 x 20 Zentimetern folgen. Ohne Rüstzeit.

„Als wir unsere Pläne erstmals diskutiert haben, hieß es schnell: Lasst es bleiben, mit Robotern lässt sich das nicht in ausreichender Präzision erledigen“, erinnert sich Achim Gauß, bei Zimmer verantwortlich für die Bereiche Technik und Vertrieb. „Und das war zunächst auch so. Wir mussten sehr viel in Hardware, in Software investieren. Heute sind wir, so glaube ich, der Einzige, der wirklich Möbelteile mit einer Genauigkeit von zwei Zehntel Millimetern in Stückzahl eins am Roboter endbearbeiten kann.“

Doch warum kommt man überhaupt auf die Idee, Holzplatten mit Robotern zu bearbeiten? „Wir hatten die Anfrage eines Kunden, der eine Anlage wollte, die nach Möglichkeit eine 100%-Verfügbarkeit hat, sprich deren Wartung nicht zum kompletten Maschinenstillstand führen muss. Das geht nur mit einem modularen System. Hinzu kam der Wunsch nach Flexibilität, Erweiterbarkeit und Stückzahl-1-Fertigung“, erklärt Gauß. Dafür sei die Robotertechnik am geeignetsten.

Die geforderte Flexibilität ist wirklich sehr hoch. Der Kunde möchte Bauteile von 200 x 120 mm bis 3.000 x 1.600 mm auf der Anlage fahren können – im wilden Wechsel, Stückzahl 1 eben. Neue Produkte sollen auch später noch schnell eingelernt werden können. „Um so eine komplexe Anlage während der Planung, aber auch später im Betrieb zuverlässig organisieren zu können, braucht man eine hundertprozentige Echtzeitsimulation“, führt Achim Gauß aus. „Ein solcher digitaler Zwilling macht die Anlage hochflexibel, aber auch spannend für die Arbeitsvorbereitung, für die Planung beim Kunden.“ Denn über den digitalen Zwilling lassen sich die Roboter vollautomatisch programmieren.Der Kunde liefert die Möbelteilebeschreibung, über die klar erkenntlich ist, wo welche Arten von Bearbeitungen notwendig sind. In der Simulation werden nicht nur die passenden Programme geschrieben, es werden auch gleich die Prozessdaten simuliert, um zu prüfen, ob es zu Kollisionen kommen würde, weil etwas vergessen wurde, weil in einer Datenbank ein Fehler war oder schlicht, weil dieses Teilespektrum noch nie da war. „Es war eine riesen Herausforderung für uns, diesen digitalen Echtzeit-Zwilling in Verbindung mit fünf Robotern bei einer minimalen Bearbeitungszeit von sieben Sekunden für das kleinste Teil zu entwickeln“, erzählt Gauß. „Wir mussten hier vom MES über die SPS bis hin zur CNC einiges entwickeln.“

Um derartige Themen voranzutreiben, hat Zimmer „digitalZ“ ins Leben gerufen. „Unter diesem Markennamen haben wir unsere Dienstleistungen rund um Industrie 4.0 und mechatronische Produkte zusammengefasst“, erklärt Gauß. „Ein Teil davon ist sehr konventionell: Service. Das war in der Vergangenheit für uns ein eher klein geschriebenes Wort, weil unsere Produkte bei 30 Millionen garantierten Zyklen meist erst ausgefallen wären, wenn der Kunde die Maschine schon längst eingemottet hat.“ Aber bei mechatronischen Produkten mit unterschiedlichen Feldbus-Systemen sei das anders, hier hätten Beratung und auch Inbetriebnahmeservice einen deutlich höheren Stellenwert.

Für den digitalen Zwilling bedeutet die Strategie, dass für jeden Anlagenteil Software-Module erstellt werden mussten. „Wenn ich für jede Anlage, die ich neu konzipiere und für die ich einen digitalen Zwilling brauche, immer bei Null anfangen würde, wäre das unbezahlbar“, so Achim Gauß. „Das heißt ich brauche einen modularen Baukasten. Wir haben in diesem Projekt sehr viel gelernt und haben dieses Know-How mit dem digitalen Zwilling auf all unsere Komponenten übertragen können.“

Auf der anderen Seite besteht so eine Anlage natürlich nicht nur aus Software und Simulation. Es braucht auch leistungsfähige Hardware. Bei den Robotern wählte Zimmer ABB, weil deren Modelle die Voraussetzung großer Steifigkeit erfüllten. Durch die geometrische Anordnung und die Beschränkung der großen Roboter auf einen vergleichsweise kleinen Arbeitsraum konnte die nötige Präzision erreicht werden. Zudem wurden an der Hauptbearbeitungsstation gleich zwei Roboter parallel eingesetzt – schließlich sind Möbelteile meist symmetrisch aufgebaut, sodass die Anlage immer zwei Ecken gleichzeitig bearbeiten kann, was die Durchlaufzeit glatt halbiert.

Zur Zimmer-Kernkompetenz gehören wiederum die am Roboter montierten Werkzeuge. Hierbei handelt es sich um Multifunktionseinheiten, die bis zu 48 Werkzeuge in einer Einheit enthalten, in diesem Fall Bohrköpfe, Frässpindeln sowie Aufsätze zum Sägen und Nuten. Das hat zum einen den Vorteil, dass der Roboter für unterschiedliche Bohrungen bei wechselnden Werkstücken keinen Werkzeugwechsel samt Neupositionierung der Achsen durchführen muss.

Wenn der Multifunktionskopf dennoch gewechselt werden soll, etwa zu Wartungszwecken, dann geht das sehr schnell, wahlweise nach dem Lösen von vier Schrauben von Hand oder auf Wunsch auch selbsttätig mit Schnellwechselplatte und automatisiertem Werkzeugwechsler. Die Maschine läuft dann mit einer nur minimalen Verzögerung weiter. „Denken Sie an herkömmliche Maschinen: Da reden wir von Verkleidung demontieren, alles zugänglich machen, alle Kabel lösen, Aggregate wegschrauben, da steht die Maschine eine ganze Zeit lang“, vergleicht Achim Gauß. „Weil wir das alles selbst entwickeln sind das überschaubare Kosten, für den Kunden finanzierbar, und er erhält damit eine deutlich höhere Verfügbarkeit.“

Neben der Bearbeitung ist die Logistik ein wichtiger Punkt der Anlage. „Wir haben nichts gefunden, womit wir in Stückzahl 1 so unterschiedliche Werkstücke – sehr kleine und große im Wechsel –  gleichzeitig flexibel handhaben können. Deshalb haben wir unser eigenes Shuttle-Transportklemmen-Greifsystem entwickelt“, so Gauß. Das System basiert auf einem im Grunde beliebig erweiterbaren Schienensystem mit Schleifkontakten, auf dem die Shuttles mit den integrierten Greifsystemen fahren. Alternativ ließen sich auch pneumatische Vakuumsysteme installieren. Bei sehr kleinen Werkstücken kommt nur ein Shuttle zum Einsatz, bei größeren zwei bis fünf. Die Shuttles agieren dabei nach dem Master-Slave-Prinzip, das vordere Shuttle führt, die nachfolgenden folgen in festem Abstand. Nach der Rückführung in der Anlage wird dann gegebenenfalls ein anderes Shuttle flexibel zum Master.

Dieses Konzept macht die Anlage sehr fehlertolerant, wie Achim Gauß ausführt: „Würde ein Shuttle ausfallen, dann fährt es aus dem System und geht zur Wartung. Die Anlage fährt trotzdem weiter. Sind auf der Anlage vorher 20 Shuttles, so fährt die Anlage dann eben mit 19 Greifern. Solange das nicht in die maximale Engpasskapazität geht, spüren Betreiber oder Programmierer davon gar nichts.“ Entsprechend ließe sich das System, ausreichend Raum vorausgesetzt, auch beliebig erweitern, etwa von normal 20 auf 24 Shuttles.

Die Roboterzelle ist für Zimmer mehr als eine Versuchsanlage. „Die Anlage wie Sie sie hier sehen, dürfen wir für den Kunden dreimal bauen, und zwar mit der gesamten Logistik drumherum. Das heißt Antransport mit fahrerlosem Transportsystem, automatisierte Beschickung und Abtransport“, freut sich Gauß. Die Vorteile für den Kunden liegen auf der Hand: höhere Verfügbarkeit durch reduzierte Wartungszeiten und schnellere Taktung. Die Zeit zwischen zwei Bauteilen konnte von herkömmlich über zwanzig Sekunden auf unter zwei gedrückt werden.