Die Zukunft der Fertigung: Gemeinsame Sprache für Roboter und Maschine

CNC-Werkzeugmaschine und Roboter – bisher waren das zwei Welten. Vor allem die Steuerungen passten nicht zusammen. Mit der Lösung „Run MyRobot“ schlägt Siemens nun die Brücke: Es integriert Roboter in die Sinumerik-CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine.

Sie sind aus modernen Fabriken nicht wegzudenken: Werkzeugmaschinen mit CNC-Steuerung. Dank „Computerized Numerical Control“ bohren, fräsen, schleifen sie komplex geformte Werkstücke mit hoher Präzision. Besucht man neuerdings Fabriken, fällt auf: Immer häufiger steht in oder an der Maschine ein Roboter, der ihr Teile zuführt und entnimmt. Diese Kombination aus Werkzeugmaschine und Roboter soll Prozesse beschleunigen. Und in der Tat: Pro Jahr wächst die Zahl der Handhabungsroboter an Werkzeugmaschinen um 15 Prozent, meldet die International Federation of Robotics.

Mehr Präzision für Roboter

Doch die Sache hat einen Haken: Werkzeugmaschine und Roboter sind getrennte Einheiten, sie werden auch getrennt programmiert – die Maschine mit einer CNC-Steuerung wie Sinumerik von Siemens, der Roboter mit der Steuerung des Roboter-Herstellers. Eine wirklich nahtlose Integration der Prozesse ist so nicht möglich, zudem erfordert die Roboterprogrammierung einiges an Know-how. Ideal wäre aber, wenn der Zerspanungstechniker, der das Programmieren der Sinumerik-Steuerung an der Werkzeugmaschine aus dem Effeff beherrscht, damit auch gleich den Roboter programmieren könnte.

Roboter und Werkzeugmaschine: viele Facetten der Integration

Genau dieses Ziel hat sich das Team um Rainer Adolf von der Siemens Division Digitale Fabrik in Erlangen auf die Fahnen geschrieben. Es hat mit Run MyRobot eine Erweiterung von Sinumerik auf den Markt gebracht, die nahtlos auch Roboter in die Steuerung der CNC-Maschine einbezieht. Dadurch wird die Programmierung des Roboters deutlich erleichtert, die Maschinenbediener müssen sich kein zusätzliches Know-how aneignen. Und die Bewegungen des Roboters passen sich besser seinem Arbeitsumfeld an und werden somit viel präziser. Die Steuerungen der Roboter-Hersteller sind nämlich auf das schnellstmögliche Abfahren immer gleicher Wege hin optimiert, etwa beim Schweißen in der Automobilindustrie. Sollen sie dagegen frei gestaltete und häufiger wechselnde Bewegungen ausführen, sind die Steuerungen nicht präzise genug.

 

„Das liegt an einer vereinfachten und auf Schnelligkeit ausgerichteten Mathematik in den Steuerungsalgorithmen“, erläutert Adolf. Sinumerik dagegen habe eine komplexere Mathematik „im Bauch“. In der Werkzeugmaschine optimieren ausgefeilte Algorithmen dabei automatisch Parameter wie Bearbeitungsgeschwindigkeit oder Dämpfung in Abhängigkeit von Reibung und Kontur des Werkstücks – und dies im Voraus, bevor das Werkstück überhaupt bewegt wurde. Diese Algorithmen erhöhen die Präzision auch bei der Steuerung eines Roboters. Weitere Vorteile von Sinumerik sind die große Verbreitung als umfassende Digitalisierungslösung in Industrie-4.0-Szenarien und die trotz komplexer Funktionalität einfache Bedienung.

 

Run MyRobot erleichtert deutlich die Programmierung des Roboters, die Maschinenbediener müssen sich kein zusätzliches Know-how aneignen.

Präzision im Flugzeugbau – bis auf einen zehntel Millimeter

Zum ersten Mal auf das Präzisionsproblem aufmerksam wurde der Siemens-Experte bei einem Projekt für die Flugzeugindustrie. Airbus und Boeing bauen die Rümpfe ihrer Jets aus Kohlefaser, um Gewicht zu sparen. Dazu fährt eine Maschine in der Größe eines Krans am Rumpf entlang und legt das klebrige Gewebeband auf. Die Maschine ist eine Spezialkonstruktion, deren Kosten sich auf einen zweistelligen Millionenbetrag belaufen. Ein auf Schienen montierter Standardroboter würde nur einen Bruchteil kosten und wäre obendrein flexibler. Doch erste Versuche der Anlagenhersteller scheiterten, weil der Roboter mitunter Zentimeter vom Weg abkam. Im Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Stade ist man da bereits weiter: Ein Universalroboter arbeitet dort beim Belegen der Rümpfe mit Kohlefasergeweben auf einen zehntel Millimeter genau – dank Sinumerik Run MyRobot und einer ausgeklügelten Laserkalibrierung des Roboters.

Vom Handlanger zum Partner

Vom Handlanger zum Partner

Bisher beschränkten sich Roboter an CNC-Werkzeugmaschinen auf einfache Handling-Dienste wie das Be- und Entladen von Werkstücken. Run MyRobot eröffnet ganz neue Möglichkeiten in der Produktion, nämlich die hybride Bearbeitung. Ein Beispiel: Eine Werkzeugmaschine hat ein Metallstück gefräst, das allerdings noch entgratet und poliert werden muss. Der Roboter greift sich das Teil und übernimmt die Nachbearbeitung mit einem eingebauten Schleifwerkzeug. Währenddessen kann die Maschine bereits das nächste Teil fräsen.

 

Auch hier ist die hohe Präzision der Sinumerik-Steuerung der entscheidende Vorteil. Mit den Steuerungen der Roboter-Hersteller könnten Bohrungen von Löchern oder feine Schleifarbeiten niemals auf Millimeterbruchteile genau erfolgen – mit Sinumerik hingegen schon. Roboter können sogar drucken – mit einem 3D-Druckkopf, der in die Werkzeugaufnahme gespannt wird. Damit druckt der Roboter faserverstärkte Kunststoffteile. Ein Demonstrator läuft bereits bei Siemens in Erlangen. Zehn Prozent Produktivitätsgewinn seien durchaus möglich, so Rainer Adolf. In einer Branche, deren Produktivitätssteigerungen normalerweise im unteren Prozentbereich liegen, ist das eine beachtliche Größenordnung. „Die Kunden rennen uns gerade die Türen ein mit immer neuen Wünschen“, sagt Rainer Adolf.

Mit der Integration von Robotern in Sinumerik werden diese Teil eines noch größeren Ganzen: der digitalen Fabrik.

Für alle Roboter-Typen

Für die oben geschilderten Anwendungen in der hybriden Fertigung ist es erforderlich, dass Run MyRobot direkten Zugriff auf die Elektrik und Mechanik des Roboters bekommt. Das ist bei den Robotern von Comau der Fall. Der italienische Hersteller industrieller Automatisierungslösungen bietet vollen Zugriff auf die Mechanik seiner Roboter und damit ideale Voraussetzungen für Sinumerik, das den Roboter direkt mit seinen CNC-Algorithmen steuert. Der Lohn: einfache Bedienung und höchste Genauigkeit.

 

Andere Roboterhersteller bieten nur Systeme mit integrierter Steuerelektronik an – aber auch hier öffnet Sinumerik seine Schnittstellen für neue Konzepte. Bei der einfachsten Variante, Run MyRobot Handling, nutzt Sinumerik die Befehle aus den standardisierten Bibliotheken beispielsweise vom Roboterspezialisten Kuka. Bei Run MyRobot Machining dockt Sinumerik über ein spezielles Digital-Interface an die Robotersteuerung an. Diese Angebote ermöglichen es dem Anwender, frei zu wählen, welche Roboter er sich anschafft und mit welchen Werkzeugmaschinen er sie zusammen betreibt. Nicht alles aus einer Hand, aber alles aus einem Guss, lautet das Siemens-Motto.

Teil des digitalen Zwillings

Mit der Integration von Robotern in Sinumerik werden diese Teil eines noch größeren Ganzen: der digitalen Fabrik und des digitalen Unternehmens. Die ganze Wertschöpfungskette inklusive Produktionsanlagen wird künftig in einem durchgängigen digitalen Zwilling abgebildet, simuliert und optimiert, bevor die erste Maschine tatsächlich in Betrieb geht. Dazu hat Sinumerik zum Beispiel seit Jahren etablierte Schnittstellen zu CAD-Programmen und bietet einen komplett virtuellen CNC-Kernel an. Aus den Konstruktionsdaten leitet ein CAM-Postprozessor die passenden Bearbeitungsprozesse ab.

 

Anpassungen werden zunächst im Modell durchgespielt, das beschleunigt das Engineering und die Zusammenarbeit erheblich – vor allem über Kontinente hinweg. Dabei werden sogar realistische Parameter wie Rechenzeiten und Eigenheiten des Algorithmus simuliert. So lassen sich noch einmal deutliche Einsparungen erzielen, denn die Projektierung und Inbetriebnahme eines Roboters schlägt mit der Hälfte der Gesamtkosten zu Buche. „Durch die Simulation von Robotern und Handlingsystemen mit Hilfe des digitalen Zwillings können neue Fertigungsprozesse in Fabriken viel schneller geplant und eingeführt werden. Zusätzlich reduzieren digitale Lösungen die Komplexität der Abläufe: Weil Sinumerik die Steuerung des Roboters übernehmen kann, sind weniger Steuerungssysteme nötig“, sagt Klaus Helmrich, im Siemens-Vorstand verantwortlich für das Thema digitale Fabrik. „So eröffnet die Digitalisierung neue Möglichkeiten hinsichtlich Flexibilität, Effizienz und Qualität in der Produktion.“

 

20.06.2018

Bernd Müller

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