Robotik Wie Roboter autonom Kabelbäume herstellen

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Die Montage von Kabelbäumen für die Automobilindustrie war bislang ausschließlich manuell möglich. Ein junges Unternehmen hat nun eine modulare Anlage entwickelt, bei der die Kabelbaummontage voll automatisiert von Robotern übernommen wird. Dabei spielt die Machine-Vision-Software MVTec Merlic eine entscheidende Rolle.

Die Herstellung von Leitungssätzen ist eine der letzten großen Herausforderungen der industriellen Automatisierung. Während Roboter in vielen Branchen längst vielfältige Aufgaben übernehmen, blieb die Montage komplexer Kabelbäume bislang eine Domäne der Handarbeit. Die Gründe dafür liegen in der Natur der Sache: Kabel sind biegeschlaffe, forminstabile Bauteile, die sich schwer handhaben lassen. Deshalb werden Kabelbäume nach wie vor ausschließlich per Handarbeit gefertigt. 

Aus diesen Gründen ist die Kabelbaumfertigung eine klassische „Wanderbranche“, die in Länder mit niedrigen Lohnkosten zieht. Doch mit steigenden Anforderungen, dem Wunsch nach stärkerer Resilienz innerhalb der Lieferketten und dem Ziel, die Produktion wieder nach Deutschland zu holen, wächst auch der Wunsch, diese Tätigkeit automatisieren zu können.

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Die Cellios GmbH, die aus dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart hervorging und im Jahr 2024 gegründet wurde, hat sich auf die Herstellung von roboterbasierten Automatisierungsanlagen für die Kabelkonfektion spezialisiert. Das Kernstück des Portfolios bilden modulare Roboterzellen, die den manuellen Prozess der Kabelkonfektion digitalisieren und automatisieren.

Erstmalig durchgängiger, voll automatisierter Leitungssatz

Nun hat Cellios weltweit erstmalig einen Leitungssatz voll automatisiert hergestellt. Projektpartner bei der Entwicklung der Automatisierungslösung ist das Unternehmen TE Connectivity. „Bisherige Lösungen deckten bislang oft nur Teilschritte der Kabelbearbeitung ab, sodass vorkonfektionierte Kabel händisch weiterverarbeitet werden mussten. Das Ziel bei dem Projekt mit TE Connectivity war es also, den gesamten Prozess bis hin zur elektrischen Prüfung vollständig zu automatisieren“, erklärt Dr. Frank Nägele, CTO bei Cellios.

Dafür sind zahlreiche Herausforderungen zu meistern. Beispielsweise müssen die kontaktierten Kabelenden, die sogenannten Crimps, die nur wenige Millimeter breit sind, in die entsprechenden Steckverbinder eingeführt werden können. Die größte Herausforderung stellt jedoch das Kabel selbst dar. Da Kabel keine starre Form aufweisen, verändert sich die Position des Crimps am Greifer bei jedem Handling-Prozess. Um den Crimp sicher in die winzige Kammer eines Steckverbinders zu führen, bedarf es einer Genauigkeit von mindestens einem Zehntelmillimeter.

Bildverarbeitung

So gut wie der menschliche Prüfer

Komplett manuellen Prozess automatisieren

„Neben den technischen Thematiken gibt es auch komplexe Prozessfragen. Schließlich geht es darum, einen komplett manuellen Prozess zu automatisieren. Teile wie Stecker, Kabelbearbeitungsmaschinen und so weiter sind für die Anwendung durch Menschen gemacht, nicht aber für Roboter. Hinzu kommt eine enorm große Variantenvielfalt von Kabelbäumen, die wir durch unseren flexiblen Aufbau der Montagezellen abdecken wollen“, erklärt Dr. Nägele.

Die Antwort von Cellios auf diese Herausforderungen besteht aus einem modularen System. Dabei bildet das Unternehmen verschiedene Prozessschritte der Kabelbaummontage in unterschiedlichen Modulen ab. Die einzelnen Prozessschritte umfassen die Steckervereinzelung, die Kabelvorbereitung, das Crimpen, das Verlegen der Kabel (Routing), das Herstellen von Splice-Verbindungen mit einem Ultraschallschweißgerät, das Taping und schließlich das End-of-line Testing.

Routing mit anschließendem Kontaktieren

Die bislang kniffligste Aufgabe für die Automatisierung ist das Routing mit anschließendem Kontaktieren. Wie bereits beschrieben muss der Roboter dabei die wenige Millimeter großen Crimps in die Steckverbinder stecken. Diese Aufgabe wurde direkt auf dem Verlegebrett bislang ausschließlich manuell erledigt und erforderte vom Werker höchste Konzentration, Sehkraft und Fingerspitzengefühl.

In der neu entwickelten Roboterzelle fährt der Roboter mit dem gegriffenen Bauteil zu einer 2D-Kamera. Dort wird die Position bzw. Orientierung des Crimps ermittelt und als Korrektur für die Montage an den Roboter gesendet. Mit Hilfe einer zweiten Kamera wird die Zielposition eingemessen. Der Roboter ist somit in der Lage, durch präzise Korrekturbewegungen seine Zielposition zu erreichen und den Crimp zuverlässig in den Steckverbinder zu fügen. Die Feinfühligkeit wird durch Kraftregelung und Kraftüberwachung erreicht: Ein Kraft-Momenten-Sensor am Roboter misst während des Steckens die Kräfte und regelt sie so, dass der Crimp optimal eingeführt wird. Die Genauigkeit wird durch Machine Vision sichergestellt.

Bildverarbeitung

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„Ohne eine präzise ‚Sehkraft‘ wäre der Roboter buchstäblich blind und unfähig, die notwendigen Korrekturen zuverlässig in Eigenregie vorzunehmen“, erklärt Dr. Nägele. Um diese Herausforderungen zu meistern, setzte Cellios auf Machine Vision. Denn Sensoren allein reichten nicht aus, um die exakte Position (X-Y) und Orientierung (Z-Winkel) des Crimps zu bestimmen.

Machine Vision unterstützt den Roboter dabei, die zu fügende Bauteile zu erkennen und Abweichungen zu ermitteln, die sich durch die vorgelagerten Prozessschritte ergeben, etwa das Crimpen des Kabels – oder durch die unberechenbare Natur der Kabel. „Ohne die genaue Vermessung könnten wir nicht auf 0,1 mm genau fügen, was wir benötigen, um den Stecker mit dem Crimp zu treffen“, so Dr. Nägele.

Unterschiedliche Komponenten arbeiten zusammen

Die Roboterzelle ist mit einer Reihe unterschiedlicher Hardwarekomponenten ausgestattet, um diese Herausforderungen zu meistern. Zum Einsatz kommen neben einem Roboter auch Roboter-Applikatoren zum Taping, Kraftmomentsensoren, Hilfsmittel zum exakten Greifen der Steckverbinder sowie ein Fördersystem. Für die Bildverarbeitung setzt Cellios auf zwei 2D-Kameras. Softwareseitig kommen die Cellios-Software und MVTec Merlic zum Einsatz. Merlic des Münchner Unternehmen MVTec Software ermöglicht es, schnell und auch ohne entsprechende Programmierkenntnisse komplexe Anwendungen zu automatisieren.

Cellios entschied sich aufgrund des praktikablen Low-Code-Ansatzes für Merlin: Anhand der übersichtlichen Konfigurationsoberfläche lassen sich alle benötigten Werkzeuge komfortabel per Drag and Drop auswählen. Die Software ermöglicht dank der intuitiven Benutzerführung einen schnellen Einstieg in die Entwicklung einer Machine-Vision-Anwendung und erfordert dabei keine tiefgreifenden Kenntnisse in Programmierung oder Bildverarbeitung. 

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„Für innovative Unternehmen wie Cellios ist die Zeit bis zur Marktreife entscheidend. Merlic bietet hier den perfekten Hebel: Mittels grafischer Benutzeroberfläche lassen sich komplexe Machine-Vision-Anwendungen wie das präzise Matching von Kleinstteilen schnell und effizient konfigurieren, ohne auf die Performance bewährter Algorithmen verzichten zu müssen“, erklärt Ulf Schulmeyer, Produktmanager Merlic bei MVTec.

Nahtlose Integration ins Gesamtsystem

In der von Cellios entwickelten Anwendung unterstützt Merlic auf mehrfache Weise: Im Rahmen der Bildverarbeitung ermöglichen leistungsstarke Matching-Technologien die Bestimmung der exakten Position und Orientierung der Crimps. Ferner sorgen MQTT- und REST-Schnittstellen für die nahtlose Integration in das Gesamtsystem, eine Hilfestellung, die sogar über die eigentliche Aufgabe als Machine-Vision-Software hinausgeht.

Besonders vorteilhaft erwiesen sich der geringe Setup-Aufwand und die einfache Handhabung von Merlic: Zwei Mitarbeiter von Cellios haben die Applikation allein mithilfe von Videos und Beispielanwendungen ohne zusätzliche Schulungen implementiert. „Die Zusammenarbeit mit Cellios zeigt eindrucksvoll, wie Machine Vision die Grenzen des Machbaren in der Robotik verschiebt. Wenn Roboter lernen, mit derselben Präzision und Flexibilität wie ein Mensch zu sehen, werden selbst hochkomplexe Prozesse automatisierbar. Merlic fungiert dabei als die Intelligenz, die Bilddaten in präzise Handlungsanweisungen für den Roboter übersetzt“, sagt Ulf Schulmeyer.

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Fertigung in Hochlohnländern wirtschaftlich attraktiver machen

Die Entwicklungen von Cellios und dem Projektpartner TE Connectivity sind wegweisend. Der Demonstrator wurde im November 2025 präsentiert, die offizielle Markteinführung ist für Anfang 2027 geplant. Dabei gehen die Vorteile der Lösung weit über eine reine Produktivitätssteigerung hinaus: Durch die Automatisierung wird die Fertigung von Leitungssätzen in Hochlohnländern wie Deutschland wieder wirtschaftlich attraktiv. Auch reduzieren kürzere Transportwege den CO₂-Fußabdruck der Produktion erheblich und setzen so neue Standards in puncto Nachhaltigkeit. Zudem verbessert die digitale Überwachung jedes Steckvorgangs die Qualität und ermöglicht die lückenlose Rückverfolgbarkeit der Kabelsätze.

Aufgrund erster Rückmeldungen und Kundengespräche plant Cellios bereits, die Automatisierung auf weitere Varianten von Kabelbäumen und neue Bereiche wie die Schaltschrankverdrahtung auszuweiten. Zukünftige Bildverarbeitungssysteme sollen zudem für Self-Healing-Prozesse und erweiterte Qualitätskontrollen eingesetzt werden.