Mit digitalem Zwilling kann der CNC-Roboter mehr 

Robotik-Integration und Edge-Computing für Bestandsmaschinen

Das Siemens Motorenwerk Bad Neustadt hat ein Fräszentrum mit CNC-gesteuertem Roboter und Edge-Computing  aufgerüstet. Der Clou: Ein Digitaler Zwilling des Roboters für Inbetriebsetzung und Arbeitsvorbereitung – sogar das Teach-in neuer Werkstücke gelingt in der virtuellen Welt.

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Ein Roboter - nur für das Handling? Da geht mehr!  

Der Roboter entnimmt ein Rohteil aus einer Blisterpalette, legt es auf eine Ausrichtstation, eine Kamera prüft Lage. Dann greift es der Roboter erneut – nun korrekt ausgerichtet – und wechselt im Arbeitsraum des Fräszentrums das fertige Werkstück gegen das neue Rohteil. Soweit eine typische Handling-Aufgabe für Roboter – und schon oft gesehen.

 

„Ein solcher Automatisierungsgrad hätte uns nicht zufrieden gestellt. Wir wollten eine Automatisierung des gesamten Prozesses – inklusive Wechsel der Spannvorrichtungen, dem Entgraten als Nachbearbeitung und eine prozessbegleitende 100-%-Qualitätskontrolle für wechselnde Werkstücke.  Und wir wollten, dass unsere CNC-Programmierer auch die Roboter-Programme selbst erstellen, anpassen und optimieren können“, so Torsten Franz, Senior Key Expert für Digitalisierung in der Metallbearbeitung und Leiter des innovativen Robotik-Projekts in Bad Neustadt. 

Systembrüche der klassischen Robotik vermieden

„Klassische Roboterprogrammierung und Fremdcontroller hätten die Prozessketten der Arbeitsvorbereitung verändert, und wir hätten die Automatisierung von Maschine und Roboter auf zwei unterschiedliche ‚Beine‘ gestellt“, so Johannes Schunk, Leiter der Arbeitsvorbereitung in Bad Neustadt. Um dies zu vermeiden, entschied man sich für die Integration eines Roboters der Firma Comau über Run MyRobot /Direct Control. Damit lassen sich alle Roboteraktionen direkt mit Sinumerik programmieren und steuern – mit vertrauten Zyklen, präzise, und ohne Umweg über eine Fremdsteuerung.

SINUMERIK Run MyRobot und der digitale Zwilling: mehr Flexibilität, kurze Projektlaufzeit 

Grundsätzlich kann die Sinumerik-CNC eines Fräszentrums den Roboter direkt steuern. In diesem Fall erhielt der Roboter eine eigene Sinumerik 840D sl, um die Produktionsunterbrechung durch das Projekt so kurz als möglich zu halten. 

 

Einen weiteren Ansatz zum Verkürzen der Projektlaufzeit bietet das CAD/CAM-System NX. Es erlaubt die Simulation von Maschine und Roboter mit digitalen Zwillingen. Das erleichterte das Programmieren der komplexen Prozesse enorm – insbesondere die Synchronisation zwischen Roboter und Werkzeugmaschine. Selbst das Anlernen der KI-Modelle für die Werkstückerkennung per Kamera konnte das Siemens-Team anhand der CAD-Modelle der Werkstücke erledigen. Dabei half die Edge-App "Protect MyMachine /Setup". 

Eine virtuelle Inbetriebnahme anhand des Digitalen Zwillings erlaubte, das Bearbeitungszentrum für deutlich kürzere Zeit aus der Produktion zu nehmen als bei einer klassischen Inbetriebnahme. „Eine virtuelle Inbetriebnahme reduziert eben nicht nur Projektrisiken und -laufzeiten, sondern wirkt gerade bei Brown-Field-Projekten direkt auf den Return-on-Investment des Gesamtprojekts “, erläutert Jakob Brottrager von Heitec. Die Firma war der Team-Partner für das automatisierte Umrüsten. „Ohne digitalen Zwilling hätte sich das Projekt nicht in dieser kurzen Zeit und mit derart reduzierten Produktionsunterbrechungen realisieren lassen.“

Eine virtuelle Inbetriebnahme reduziert eben nicht nur Projektrisiken und -laufzeiten, sondern wirkt gerade bei Brown-Field-Projekten direkt auf den Return-on-Investment des Gesamtprojekts!
Jakob Brottrager, Firma Heitec

Vertraute Programmierung, vertraute Prozessketten: minimaler Schulungsbedarf

Für das Siemens-Werk hat die CNC-Robotik weitere Vorteile: Die mit CNC-Programmierung vertraute Belegschaft kann Änderungen und Optimierungen der Programmierung ohne fremde Hilfe oder Zusatzausbildung vornehmen. Der Roboter lässt sich auf gewohnte Weise mit Zyklen programmieren, und Safety-Features sind direkt integriert. Und jeder Bruch der Tool- und Prozessketten im Werk wurde vermieden. 

Prozessbegleitende Qualitätskontrolle und Monitoring

Roboter und Werkzeugmaschine sind jeweils über Sinumerik Edge an die Cloud MindSphere angebunden. Die Auswertung der Echtzeitdaten findet dabei auf der Edge-CPU statt – ohne die CNC zu belasten.

 

Das erschließt völlig neue Möglichkeiten – beispielsweise in der Qualitätsüberwachung. So werden die Prozessdaten der Werkzeugmaschine über die App „Analyze MyWorkpiece /Monitor“ visualisiert. Durch den Vergleich mit einem hier hinterlegten Soll-Prozess können relevante Abweichungen schon während der Bearbeitung erkannt und betroffene Werkstücke vom Roboter gesondert zur Nachkontrolle oder -bearbeitung abgelegt werden.

 

Der Vorteil: 100 Prozent aller Werkstücke werden kontrolliert – ohne zusätzlichen Prozessschritt für die Qualitätssicherung. In der MindSphere visualisieren Apps wie Manage MyMachines zudem die von Maschinen und Roboter übertragenen Daten auf Auslastung, Ausbringung und andere Kennziffern – überall und jederzeit, auch fernab der Produktion. So lassen sich weitere Optimierungspotenziale erkennen und erschließen.

Roboter wechselt Werkstücke, Spannsysteme, stapelt Paletten – und entgratet 

Und so leistet der CNC-gesteuerte Roboter an dem Chiron-Fräszentrum in Bad Neustadt heute deutlich mehr als ein üblicher Handling-Roboter: Die Edge-App „Protect MyMachine /Setup“ erkennt anhand der Kamerabilder, welche Rohteile – aktuell sind es 13 verschiedene – in der Blisterpalette liegen und veranlasst die Ausführung der entsprechenden CNC-Programme für Roboter und Werkzeugmaschine.

 

Indem der Roboter parallel zur laufenden Fräs-Bearbeitung das vorangehende Werkstück entgratet, verkürzt er die Durchlaufzeit jedes Werkstücks. Dazu führt „Robbi“ die zu entgratenden Kanten über zwei Schleifspindeln.

 

Erfordern die neuen Werkstücke einen Wechsel der Spannvorrichtung, rüstet der Roboter die Maschine um.

 

Ist die Blisterpalette mit den Rohteilen leer oder die mit den Fertigteilen voll, dann übernimmt der Roboter auch das Umstapeln der Paletten. Die Zelle kann so vollautomatisiert und mannlos 24/7 fertigen – Daten zur Qualität und zu den Key-Performance-Indikatoren (KPI) werden permanent über Sinumerik Edge erfasst und aus der Ferne kontrolliert. 

Benchmark für die CNC-Robotik

„Im Werk Bad Neustadt zeigen wir, wie Digitalisierung und Automatisierung die Produktivität auf dem Shopfloor steigern lassen und wie mit unserer Hard- und Software umfassende Robotik-Lösungen entstehen, die vom Personal sofort genutzt werden können. Be- und Entladen, Umrüsten, Nachbearbeitung, Qualitätskontrolle, Monitoring – alles komplett automatisiert. Gemeinsam mit Partnern wie Heitec haben unsere Teams hier ein Leuchtturmprojekt für die CNC-Robotik realisiert – und die Produktivität unseres Werks weiter erhöht“, fasst Werksleiter Peter Deml das erfolgreiche Robotik-Projekt in Bad Neustadt zusammen. “Ich kann Fertiger und CNC-Fachleute nur ermutigen: Besuchen Sie unsere Arena der Digitalisierung hier im Werk Bad Neustadt. Wir zeigen hier, was bei Automatisierung und Digitalisierung wirklich geht. Und: Sie sprechen hier mit erfahrenen Praktikern, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen wie Sie selbst.“

Besuchen Sie unsere Arena der Digitalisierung hier im Werk Bad Neustadt! Wir zeigen hier, was bei Automatisierung und Digitalisierung wirklich geht. Sie sprechen hier mit erfahrenen Praktikern, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen wie Sie selbst.
Peter Deml, Werksleiter im Siemens-Motorenwerk Bad Neustadt

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