Design für die Robotermontage

Wenn man einem SCARA-Roboter dabei zusieht, wie er schnell mehrere kleine Kunststoffteile zusammensetzt, fällt es schwer, ihn nicht als einen Menschen zu betrachten – einen schnellen, präzisen, unermüdlichen Menschen, aber dennoch einen Menschen.

In Wirklichkeit ist es riskant, die Fähigkeiten von Robotern und menschlichen Monteuren gleichzusetzen. Was für einen menschlichen Monteur einfach ist, kann für einen Roboter schwierig oder unmöglich sein und umgekehrt. Um den Erfolg der Robotermontage sicherzustellen, müssen Ingenieure ihre Teile, Produkte und Prozesse an die besonderen Anforderungen des Roboters anpassen.

Idealerweise sollten sich Ingenieure frühzeitig im Designprozess mit den Problemen im Zusammenhang mit der Robotermontage befassen. Laut Thierry Dumont, Leiter Vertrieb und Produktmanagement bei Bosch Rexroth Corp. in Schwieberdingen, Deutschland, ist der Bau einer Roboter-Arbeitszelle für ein Produkt, das ursprünglich manuell montiert wurde, schwieriger als für ein Produkt, das für die automatische Montage konzipiert wurde.

„Es kann schwierig sein, weil die Teile nicht für die Automatisierung ausgelegt sind“, sagt er. „Wenn wir mit dem Kunden zusammenarbeiten können, während er das Produkt entwirft, können wir Funktionen einbauen, die dem Produkt selbst zwar nichts hinzufügen, aber die Montage erheblich verbessern können.“

Tom Reek, Vizepräsident für Automatisierung beim Greiferhersteller SCHUNK, stimmt dem zu. Er sagt, dass die besten Automatisierungsprojekte solche mit klar definierten Teilen und Prozessen sind. Das Teiledesign wurde fertiggestellt und der Weg des Roboters von der Aufnahme des Teils bis zur Abgabe festgelegt.

„Probleme entstehen, wenn Unbekanntes ins Spiel kommt“, sagt er. „Wenn wir zum Beispiel einen Greifer für die Handhabung eines Teils konstruieren, dann ändert sich das Design. Plötzlich gibt es ein Spielproblem oder ein Merkmal auf der Oberfläche, das es uns nicht ermöglicht, das Teil richtig zu greifen.

„Oder wir könnten einen Greifer konstruieren, der das Teil in einer Ausrichtung aufnimmt, aber es kommt in einer anderen Ausrichtung aus dem Feeder, sodass wir nicht die Bereiche greifen können, die wir ursprünglich vorgesehen hatten.

„Wir wollen auch wissen, wohin das Teil geht. Wenn der Roboter gerade ein Teil aus einer Spritzgießmaschine entnimmt und in einen Behälter wirft, ist die Freigabe des Teils keine große Sache. Wenn der Roboter aber beispielsweise einen Stecker in eine Baugruppe einfügt, müssen wir wissen, welche Oberflächen wir greifen können und wie tief die Baugruppe ist.“

Um den Erfolg der Robotermontage sicherzustellen, müssen Ingenieure ihre Teile, Produkte und Prozesse an die besonderen Anforderungen des Roboters anpassen. Foto mit freundlicher Genehmigung der Robert Bosch GmbH

Viele der Designrichtlinien zur Verbesserung manueller und maschineller Montageprozesse gelten auch für die Robotermontage. Wenn Sie beispielsweise die Anzahl der Teile in einem Produkt reduzieren, werden die Kosten gesenkt und die Prozesssicherheit erhöht, unabhängig von der Art der Ausrüstung, die für die Montage verwendet wird.

Andere Richtlinien beziehen sich eher auf Roboter. Im Gegensatz zu menschlichen Monteuren können die meisten Roboter beispielsweise nicht in der einen Hand ein Teil und in der anderen ein Werkzeug halten. Stattdessen sind SCARA- und kartesische Roboter „einhändig“ und können sich nur entlang dreier oder vier Achsen bewegen. Daher sollten Produkte so konzipiert sein, dass sie von unten nach oben schichtweise zusammengesetzt werden können.

„Wenn das Produkt nicht für die Robotermontage konzipiert ist, muss oft von mehreren Seiten darauf zugegriffen werden“, sagt Dumont. „Man möchte, dass alles von oben zugänglich ist.“

Die Neuausrichtung einer Baugruppe verlängert die Zykluszeit, ohne einen Mehrwert zu schaffen. Es erhöht auch die Kosten für die Vorrichtungen. Und statt eines SCARA- oder kartesischen Roboters benötigen Monteure möglicherweise einen teureren Sechs-Achsen-Roboter.

Aus ähnlichen Gründen sollten Teile so gestaltet sein, dass sie nach der Installation durch den Roboter an ihrem Platz bleiben. Besser noch: Teile können mit Schnappverbindungen konstruiert werden, sodass späteres Befestigen, Schweißen oder Kleben nicht mehr erforderlich ist. Da sich Roboter außerdem nicht mit der gleichen Wiederholgenauigkeit bewegen können wie eine dedizierte „harte“ Automatisierung, sollten Teile über selbstausrichtende Merkmale wie Lippen oder Fasen verfügen, um dem Roboter das Einsetzen zu erleichtern.

„Eines der ersten Dinge, die Sie beim Entwerfen einer Baugruppe berücksichtigen sollten, ist: Wollen die Komponenten zusammenpassen?“, sagt Phil Baratti, Manager für Anwendungstechnik bei Epson Robots. „Wenn Sie Teile mit Gewalt zusammenpassen müssen, obwohl sie eigentlich zusammenpassen sollten, kann es bei der automatisierten Montage zu Problemen kommen.“

Robotergreifer sind nicht so flink wie menschliche Hände und einige Teile sind für Roboter einfacher zu greifen als andere. Ein Teil mit zwei parallelen Flächen kann mit einem Zweifingergreifer gehandhabt werden. Ein kreisförmiges Teil kann an seinen Außenkanten oder, wenn es ein Loch in der Mitte hat, an seinen Innenkanten angefasst werden. Das Anbringen einer kleinen Lippe an einem Teil kann dazu beitragen, dass ein Greifer das Teil zuverlässig manipuliert und die Effizienz des Systems erhöht. Wenn der Roboter mehr als einen Teiletyp handhaben soll, sollten die Teile so konstruiert sein, dass sie alle mit demselben Greifer gehandhabt werden können. Auch hier könnte ein servoangetriebener Greifer Abhilfe schaffen, da Ingenieure Hublänge und Greifkraft programmieren können.

Roboter sind flexibel, aber das bedeutet nicht unbedingt, dass sie inkonsistente Teile ausgleichen können. Foto mit freundlicher Genehmigung von Cadcamatic

Der Erfolg eines Roboterautomatisierungsprojekts hängt oft von der Kreativität und dem Können des Werkzeugkonstrukteurs ab, fügt Reek hinzu. Er erinnert sich an die Zusammenarbeit mit einem Kunden, der einen Roboter zum Aufnehmen von Glasflaschen benötigte.

„Der Kunde wollte die Flaschen am Hals greifen, aber jede Flasche hatte ihr eigenes, einzigartiges Profil. Man könnte einen Greifer herstellen, der eine Flasche greifen könnte, aber nicht einen Greifer, der alle Flaschen greifen könnte.

„Wir haben über den Einsatz eines Werkzeugwechslers nachgedacht, aber die Zykluszeit war zu schnell. Eine andere Möglichkeit wäre gewesen, Schaumgummi oder ein anderes nachgiebiges Material in den Greiffinger einzuarbeiten, aber das funktioniert nicht immer.

„Letztendlich haben wir ein Design entwickelt, das die Arbeit mit nur einem Fingersatz erledigen konnte. In jeden Finger wurden mehrere Profile eingearbeitet – eines für jeden Flaschentyp. Für eine erfolgreiche Automatisierung müssen Sie in der Lage sein, ein Teil zu 100 Prozent richtig zu greifen und loszulassen. Sogar ein Fehlschlag von 100 Gelegenheiten ist ein Misserfolg.“

Auch das Teilematerial kann bei der Robotermontage ein Problem darstellen. Flexible Teile sind für die Roboterhandhabung weniger attraktiv, da sie spezielle Vorrichtungen und Greifer erfordern. Auch flexible Teile sind schwieriger zuzuführen. Teile mit kosmetischen Oberflächen oder Teile aus zerbrechlichen Materialien können durch Greifer beschädigt werden.

Auch die Qualität der Teile kann ein Problem sein. „Roboter sind flexibel. Sie können geändert werden, um verschiedene Produkte zusammenzustellen. Das heißt aber nicht unbedingt, dass sie inkonsistente Teile ausgleichen können“, betont Baratti. „Wenn Sie ein Teil haben, das mit einer Toleranz von 0,01 Zoll hergestellt wird, und ein anderes Teil, das mit einer Toleranz von 0,005 Zoll hergestellt wird, werden Sie Probleme haben, dieses Produkt zusammenzubauen.“

Eine weitere Überlegung ist, wie die Teile dem Roboter zugeführt und präsentiert werden. Auch hier gelten die Designrichtlinien zur Verbesserung jedes automatisierten Montageprozesses auch für Roboterprozesse. Von Vibrationsförderern zuzuführende Teile sollten so konstruiert sein, dass sie sich nicht verheddern oder überlappen. Sobald sich die Teile in der Ausgabeschiene befinden, soll der Roboter in der Lage sein, ohne weitere Manipulation ein Teil aufzunehmen und einzulegen.

Werden Teile in Trays angeliefert, sollten die Teile in einer gleichmäßigen, stabilen Position in den Taschen liegen. Die Taschen sollen Freiraum für die Finger des Greifers bieten und der Roboter soll, wie bei Wendelförderern, ohne weitere Manipulation ein Teil aufnehmen und einlegen können. Durch die Ausstattung des Roboters mit einem selbstzentrierenden Greifer können Ingenieure weniger präzise Tabletts oder Vorrichtungen verwenden.

Ein Vorteil der Robotermontage besteht natürlich darin, dass möglicherweise nicht einmal Zuführungen mit festem Werkzeug erforderlich sind. Stattdessen können Teile lose auf einem Förderband an den Roboter geliefert werden. Ein über dem Förderband oder am Roboterarm montiertes Bildverarbeitungssystem teilt dem Roboter mit, wo sich die Teile befinden und welche sich in der richtigen Ausrichtung befinden.

Wenn jedoch eine visuelle Führung zum Einsatz kommt, sollten Ingenieure darauf achten, dass die Teile ein einheitliches optisches Erscheinungsbild haben, rät Baratti. Beispielsweise könnten Ingenieure einem doppelseitigen Teil einen Vorsprung oder ein anderes Merkmal hinzufügen, um einem Bildverarbeitungssystem dabei zu helfen, eine Seite von der anderen zu unterscheiden.

Welche Zuführmethode Sie wählen – zufällige Teile auf einem Förderband oder fest montierte Teile in einer Schiene oder einem Tablett –, hängt von der Anwendung ab. Das Förderverfahren ist sinnvoll, wenn die meisten Teile einer Stichprobe natürlich und in der richtigen Ausrichtung auf dem Band liegen. „Normalerweise ist es einfacher, die Teile zu montieren, aber das bedeutet nicht, dass es am Ende weniger teuer ist“, sagt Dumont.

Der Erfolg eines Roboterautomatisierungsprojekts hängt oft von der Kreativität und dem Können des Werkzeugkonstrukteurs ab. Foto mit freundlicher Genehmigung von SCHUNK

Bei manuellen Montagelinien ist es am besten, die Anzahl der Vorgänge zu begrenzen, die jeder Monteur ausführt. Das Gleiche gilt für Roboterarbeitszellen. Theoretisch könnte ein Roboter alle erforderlichen Aufgaben erledigen, um ein kleines Produkt von oben bis unten zusammenzubauen. In der Praxis ist es jedoch nahezu unmöglich. Mit zunehmender Anzahl der vom Roboter durchgeführten Operationen steigen die Kosten der Zelle und ihre Zuverlässigkeit sinkt.

„Man möchte Aufgaben so gruppieren, dass sie für den Montageprozess und den Roboter sinnvoll sind“, sagt Dumont.

Wenn beispielsweise ein Teilesatz mit einem Vakuumsauger und ein anderer Teilesatz mit einem Greifer gehandhabt werden kann, ist es in der Regel besser, zwei Roboter zu verwenden – einen für jeden Teilesatz – als einen einzelnen Roboter mit zwei Greifern und ein Werkzeugwechsler. Die Zeit, die für den Wechsel der Greifer aufgewendet wird, ist die Zeit, die nicht für die Montage des Produkts aufgewendet wird.

„Wenn die Montage das Einsetzen von zwei verschiedenen Stiften erfordert, sind die Werkzeuge und Vorrichtungen zur Handhabung dieser Stifte ähnlich, sodass es für den Roboter keine große Herausforderung ist, beide Teile zu handhaben“, sagt Baratti. „Wenn jedoch für ein Teil ein Vakuumsauger und für ein anderes ein Greifer erforderlich ist, möchte der Roboter nicht beides handhaben. Je mehr man den Roboter mit ganz anderen Aufgaben belastet, desto weniger Zuverlässigkeit bringt die Maschine mit sich.“

Bei der Spezifikation des Roboters sollten Ingenieure bedenken, dass die Nutzlast der Maschine das Gewicht der Teile sowie des Greifers und der Werkzeuge umfasst.

„Oft berücksichtigen Hersteller das Gewicht des Greifers und der Werkzeuge nicht, wenn sie über die Nutzlast des Roboters nachdenken“, sagt Reek. „Sie halten es für in Ordnung, ein 5-Kilogramm-Teil mit einem Roboter zu bewegen, der eine Nutzlastkapazität von 7 Kilogramm hat, aber sie wissen nicht, dass der Greifer mehr als 2 Kilogramm wiegen könnte.“

Die besten Automatisierungsprojekte sind solche mit klar definierten Teilen und Prozessen. Das Teiledesign wurde fertiggestellt und der Weg des Roboters von der Aufnahme des Teils bis zur Abgabe festgelegt. Foto mit freundlicher Genehmigung der Kuka AG

Weitere Informationen zum Design für die Montage finden Sie unter www.assemblymag.com, wo Sie die folgenden Artikel lesen können: Zehn Tipps für die automatisierte Montage medizinischer Geräte. DFMA senkt Kosten. An erster Stelle steht das Design, dann Lean: Eine Fallstudie