Roboterzelle für plattenförmige Werkstücke

Die Zimmer Group baute den Spannungsbogen ihrer neuesten Entwicklung bis zur Motek auf. Zur Messe im Oktober gab der Komponentenhersteller für Automatisierungs- und Maschinenlösungen bekannt, dass er eine ganzheitliche Systemlösung entwickelt und bereits ausgeliefert hat. Frei nach dem berühmten englischen Freibeuter Sir Francis Drake, der das Zitat „sic parvis magna“ prägte, folgte auch Zimmer mit der Multi ProcessCell somit der deutschen Übersetzung, „Großes aus kleinen Dingen“ zu schaffen. Bei der Multi ProcessCell handelt es sich um eine multifunktionale Roboterbearbeitungszelle, die für die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken aus Holz, holzbasierten Werkstoffen, Composit-Werkstoffen oder Aluminium konzipiert wurde – Werkstücke, wie sie typischerweise in der Möbelindustrie eingesetzt werden. Sie ist Teil von Zimmers Modular Transport System.

Die zum Patent angemeldete Zelle eignet sich für kleine Stückzahlen bis zur Losgröße eins. Sie besteht aus zwei zentralen Einheiten: einem hochflexiblen Transportmodul (Transport Module) und einem Bearbeitungsmodul mit zwei Industrierobotern. Das Transportmodul sorgt für den Werkstücktransport in der Zelle und verknüpft die Be- und Entladestationen mit den Bearbeitungs- und Messstationen. Individuell gesteuerte Transporteinheiten (Shuttles) können je nach Anforderung als Master oder Slave eingesetzt werden. Dabei agieren sie entweder einzeln oder im Verbund. Dadurch entfällt eine starre Kopplung des Transports zum Beispiel über ein durchgehendes Transportband.

Das zentrale Bearbeitungsmodul besteht aus zwei Industrierobotern, die jeweils mit einer Multibearbeitungseinheit ausgerüstet sind. Die beiden kooperierenden Roboter arbeiten in einem räumlich begrenzten Bereich. Hier wird das Werkstück innerhalb eines ansonsten fließenden Prozesses kurzzeitig angehalten. Der eng begrenzte Bearbeitungsraum ermöglicht dabei eine Minimierung der Bearbeitungstoleranzen. Die Lösung ist skalierbar, schnell und extrem flexibel, zudem kann die Zelle direkt an ein MES-System angebunden werden. Einzelne Werkstücke werden durch einen Barcode von der Maschinensteuerung eindeutig identifiziert. Damit will Zimmer eine umfassende Fertigungskontrolle und eine hohe Produktionsqualität sicherstellen.

Die Multi ProcessCell zeichnet sich durch die Kombination von anpassungsfähigen, modular aufgebauten Transporteinheiten mit flexiblen Roboterbearbeitungs-, Mess- und Handlingseinheiten aus. Die Roboterbearbeitungseinheit ist mit einem multifunktionalen Bearbeitungskopf für Bohr-, Fräs- und Sägearbeiten ausgestattet. Durch ein optisches Einmessen und eine 3D-Kompensation der Roboternachgiebigkeiten erreicht das System eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Mithilfe einer zusätzlichen radarbasierten Nachgiebigkeitskompensation kann der Anwender die Bearbeitungsgenauigkeit insbesondere bei höheren Prozesskräften weiter steigern.

Zudem hat der Anwender die Möglichkeit, die Steuerung der Bearbeitungseinheiten in die Gesamtanlagensteuerung zu integrieren und damit die Bewegungen der Bearbeitungseinheit und des Transportmoduls zu synchronisieren. Die Produktion erfolgt vernetzt, denn alle Prozesse sind direkt an ein übergeordnetes MES-System angebunden. Mehrere Sensoren zeichnen aktuelle Zustandsinformationen in Echtzeit (Condition Monitoring) auf, die der Bediener jederzeit abrufen kann. Darüber hinaus besitzt das System eine Cloudanbindung.

Der kreative Ansatz des Systems kombiniert ein flexibles Bearbeitungskonzept mit einem dynamischen Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden – entweder als Master oder als Slave, wahlweise einzeln oder im Verbund. Der Bearbeitungsbereich besteht aus Robotern und Multibearbeitungsaggregaten, die sich einen eng begrenzten Arbeitsbereich teilen, um damit kurze Bearbeitungszeiten und flexible Bearbeitungsmöglichkeiten zu garantieren.

Die Multi ProcessCell beinhaltet außerdem eine 48-V-Akkuzwischenkreispufferung. In Kombination mit der Rekuperationsfunktion der Transporteinheiten reduziert sie die Laststromspitzen um circa 85 Prozent und somit den Energieverbrauch der Anlage um mehr als acht Prozent.

Eine Bearbeitungszelle vereint einen oder mehrere Roboter in einem geschlossenen Fertigungsmodul. Der Roboter kann nicht nur das Be- und Entladen der Werkstücke übernehmen, sondern ist auch für weitere Bearbeitungsaufgaben ausgelegt. Jede Zelle kann um weitere Bearbeitungs- und Qualitätssicherungsmodule erweitert werden. Der Anwender kann viele Produktionsschritte aneinanderreihen - ein flexibler Transport ohne starre Taktung. Er wählt die Geschwindigkeit jedes einzelnen Shuttles beziehungsweise Shuttle-Verbunds frei. Die Roboter arbeiten im Bearbeitungsprozess präzise und wiederholgenau. Eine Nachbearbeitung der Werkstücke ist damit nicht mehr erforderlich.

Ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Maschinen ist die hohe Anlagenverfügbarkeit der Roboterbearbeitungszelle. Das Transportsystem ist so konzipiert, dass die Shuttles bei Bedarf im Betrieb einzeln ausgeschleust und ausgetauscht werden können. Auch alle anderen Anlagenkomponenten sind so ausgelegt, dass im Servicefall oder bei Wartungsarbeiten keine unnötigen Demontagen erforderlich sind. Das System kann die unterschiedlichen Werkstückabmessungen in Losgröße 1 verarbeiten. Da es flexibel um weitere Module erweitert werden kann, ist es beliebig skalierbar. Durch die direkte Anbindung der Steuerung an ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) wird eine volle Vernetzung der Produktion erreicht. Mithilfe eines digitalen Zwillings im HILS-System ist es möglich, die Zelle virtuell aufzubauen. So kann die Anlagenleistung und Funktionalität schon vor der Realisierung überprüfen werden.

Die Roboterbearbeitungszelle der Zimmer Group ermöglicht auch der Möbelindustrie eine kostengünstige Produktion – und das bei Losgröße 1. Sie leistet damit einen Beitrag, um individualisierte Produkte auch für eine breite Industriesparte erschwinglich zu machen. Die kostengünstige Produktionstechnologie trägt überdies dazu bei, auch am Standort Deutschland zu wettbewerbsfähigen Kosten produzieren zu können.

Durch die Nutzung von Industrierobotern anstelle von klassischen Bearbeitungsmaschinen und den einfacheren Aufbau ergeben sich geringere Investitionskosten. Das Transportsystem mit den umlaufenden Shuttles ermöglicht in Verbindung mit den Bearbeitungsstationen eine höhere Produktionseffizienz als bei herkömmlich getakteten Maschinen. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet, bietet das neue Maschinenkonzept darüber hinaus auch noch Investitionssicherheit, da der modulare Aufbau spätere Erweiterungen durch neue Bearbeitungsmodule ermöglicht. Die Roboterbearbeitungszelle ist seit Mitte des Jahres 2018 zur Bohrbearbeitung bei einem großen Hersteller von Küchenmöbeln im Einsatz. Sie ist Teil einer Fertigungslinie, mit der komplette Küchenausstattungen in Losgröße 1 gefertigt werden. Durch den modularen Aufbau der Anlage kann der Einsatzbereich weiter ausgebaut werden – zum Beispiel auch beim Setzen von Möbelbeschlägen.