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Sensormontage Wenn eine Roboterzelle hochflexibel montiert

| Autor / Redakteur: Ralf Högel / Karin Pfeiffer

Wenglor zeigt mit einer intelligent konzipierten Montagezelle, dass nicht nur die Endprodukte wegweisend sein können, sondern auch deren Produktion.

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Aufs Mü genau: Die Ausrichtung der Linsen im Optikmodul ist Aufgabe eines hochpräzisen Linearsystems.
Aufs Mü genau: Die Ausrichtung der Linsen im Optikmodul ist Aufgabe eines hochpräzisen Linearsystems.
(Bild: Stäubli)

Sensorhersteller sind innovativ. Müssen sie auch, kommt doch der Leistungsfähigkeit der Sensorik in digital vernetzen Prozessen eine Schlüsselrolle zu. Die Frage nach dem Geschäftsverlauf in den zurückliegenden Jahren erübrigt sich bei Wenglor in Tettnang am Bodensee bereits auf dem Weg vom Parkplatz ins Gebäude. Auf dem Gelände der Firmenzentrale zeugen zahlreiche Neubauten von erheblichen Investitionen in der jüngeren Vergangenheit.

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Am positiven Geschäftsverlauf hat sich auch aktuell nichts geändert, wie Michael Martin, Softwareentwickler bei Wenglor, ver­sichert: „Unser Business boomt weiterhin. Wir planen bereits den nächsten Neubau, um die immense Nachfrage nach smarten Sensortechnologien decken zu können. Tatsächlich profitieren wir stark vom Industrie-4.0-Trend, der den Sensorikmarkt enorm beflügelt.“

Rund 300 Mitarbeiter beschäftigt Wenglor allein am Standort Tettnang, und der Bedarf an qualifiziertem Personal ist kaum zu decken. Unter diesen Gegebenheiten genießen effiziente, hochautomatisierte Produktionskonzepte mit höchster Performance hinsichtlich Output und Qualität naturgemäß 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 Sechsachs-Roboter, eine Beckhoff Twincat3 Soft-SPS sowie ein .NET-Hostprogramm.

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Das Buch Industrieroboter ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Es werden die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik vermittelt und Methoden erläutert, wie bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotereinsatz automatisieren lässt.

„Das Roboterprogramm unterstützt beliebige Anforderungen, die Ausführungsschritte in der SPS sind frei konfigurierbar, die Ausstattung der Zelle hochflexibel. Das gibt uns jede Menge Freiheit", skizziert Martin das Konzept der Zelle. „Die Anlage kann deshalb nicht nur Linsen justieren, sondern beherrscht auch ein breites Spektrum an Montageapplikationen.“

Montageprozess: Bis zu fünf Umrüstungen pro Tag

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 Sechsachser vom Typ TX60L. Das L steht für die Langarmvariante, die dem Roboter eine Reichweite von 920 mm verleiht und so das Anfahren aller Stationen innerhalb der Zelle ermöglicht.

Greifer wird über IO-Link konfiguriert und angesteuert

Der Prozessablauf beginnt mit dem Aufnehmen eines unbestückten Optikmoduls. Dafür ist der TX60L 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 Wenglor Smartkamera We Qube 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“, so Martin.

Präzisionsarbeit: Das Justieren der Linsen

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 Präzision des Stäubli Roboters ließ sich diese Aufgabenstellung nicht mit dem Sechsachser lösen. Dazu Martin: „Sende- und Empfangslinse müssen im Optikhalter auf wenige µm 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, das aus der Wenglor-Smartkamera, SPS, Linearsystem und einem 3D-Regelalgorithmus besteht. Befindet sich der Lichtfleck in Größe und Position im vorgegebenen Toleranzfenster, wird der Justage-Algorithmus beendet und der Klebstoff ausgehärtet. Zum Schluss nimmt der Stäubli-Roboter das Optikmodul und legt es im Tray ab. Diese Produktionstechnologie ermöglicht es, dass alle Wenglor-Sensoren der optoelektronischen PNG//Smart-Baureihe identische optische Eigenschaften haben.

Roboterzelle schafft von 1.000 bis hin zu 30.000 Schritte

Um die Taktzeiten zu verkürzen, ist die Justage-Station doppelt ausgeführt. Mit seiner 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“, sagt Martin.

Mit dieser Montagezelle zeigt Wenglor, wie sich Produktivität und Flexibilität mit moderner Steuerungstechnik und Robotik auf die Spitze treiben lassen. Die Anlage arbeitet mit maximaler Verfügbarkeit. Heute bei der Linsenjustage, übermorgen vielleicht bei der Montage von Steckern.

* Rolf Högel, freier Journalist

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