Kleine Losgrößen in einer Zelle produzieren

Mit einer Montagezelle zeigt der Sensorhersteller Wenglor, wie sich sowohl Produktivität als auch Flexibilität mit moderner Steuerungstechnik und hochperformanten Robotern verbessern lassen. Ein Sechsachsroboter fertigt darin Optikmodule für unterschiedliche Baureihen.

Bild: Stäubli Tec-Systems GmbH

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Sensorhersteller müssen innovativ sein, wenn sie die Schlüsselrolle ausfüllen wollen, die ihnen in einer Welt zu digital vernetzen Prozessen zugeschrieben wird. Wenglor in Tettnang am Bodensee zeigt mit einer intelligent konzipierten Montagezelle, dass nicht nur die Endprodukte von Sensorherstellern wegweisend sein können, sondern auch deren Produktion.

Personalmangel

Rund 300 Mitarbeiter beschäftigt Wenglor allein am Standort Tettnang und der Bedarf an qualifiziertem Personal ist kaum zu decken. Daher spielen hochautomatisierte Produktionskonzepte für den Produzenten eine besondere Rolle. Wie eine solche Lösung in der Praxis aussieht, zeigt eine Roboterzelle, in der Optikmodule für unterschiedliche optoelektronische Sensorbaureihen montiert werden. Zu den Schlüsselkomponenten der Zelle gehören ein Stäubli TX60L Sechsachs-Roboter, eine Beckhoff TwinCAT3 Soft-SPS sowie ein .NET-Hostprogramm. "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", sagt Michael Martin, Softwareentwickler bei Wenglor.

Typische Losgröße bis 2.000

Derzeit werden in der Zelle ausschließlich Optikmodule für unterschiedliche modular konzipierte Sensorbaureihen montiert. Die Variantenvielfalt ist groß, die typischen 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.

Große Reichweite

Einen Großteil der Handhabungsprozesse der drei Einzelteile Optikmodul, Sende- und Empfangslinse, die über Trays bevorratet werden, übernimmt der Roboter. Da es sich dabei um die Langarmvariante handelt, steht dem Roboter eine Reichweite von 920mm zur Verfügung, sodass alle Stationen innerhalb der Zelle angefahren werden können.

Kamera erfasst Position

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 eine smarte Kamera erfasst wird. Nur so lässt sich das Modul später mit der geforderten Genauigkeit an der Montageposition ablegen. 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 Millimeter. Der Roboter bewerkstelligt diese Genauigkeitsanforderungen mühelos und erledigt die Positionierung schnell und zuverlässig", so Martin.

Linearsystem übernimmt

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 Justierung der Linsen im Optikmodul. Diese Aufgabenstellung ließ sich nicht mit dem Sechsarm-Roboter lösen. "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", sagt Martin.

Verkürzte Taktzeiten

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. Die Produktionstechnologie ermöglichte es, dass alle Sensoren der optoelektronischen PNG//Smart-Baureihe identische optische Eigenschaften haben. Um die Taktzeiten zu verkürzen, ist die Justage-Station doppelt ausgeführt. Der Roboter kann dabei beide 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.

Digitalisierung schafft bis

dato unerreichte Flexibilität

Mit der Lösung haben die Entwicklungsingenieure bei Wengler bereits Industrie 4.0-Standards 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, so dass sich der Prozessablauf bis ins kleinste Detail nachvollziehen lässt", betont Martin.