Aufbau und Optimierung IT-gestützter Produktionsprozesse + Industrie 4.0 + Internet der Dinge
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Die Zusammenführung von Robotik und CNC-Technologie bringt klare Wettbewerbsvorteile für Maschinenbauer und OEMs bei der Konstruktion von CNC- Bearbeitungszentren. Und mit der Entwicklung einer einheitlichen Programmierumgebung schafft Mitsubishi Electric eine direkte Robotersteuerung, mit der die Roboterprogrammierung über G-Codes direkt im CNC-Bearbeitungszentrum erfolgen kann.
Die Robotik und CNC-Bearbeitung sind zwei gute Beispiele für die sinkende Halbwertszeit von State-of-the-Art-Technologie. Während die CNC-(Computer Numerical Control)-Technologie auf die Programmierung von Maschinen mit Lochkarten in den 1950er Jahren zurückgeht, kann man mit den CNC-Maschinen der Gegenwart mehrachsig, vollautomatisch und mit Robotersteuerung Bearbeiten und Fräsen.
Erste Industrieroboter wurden in den späten 1950er Jahren entwickelt. Der Unimate von Unimation war 1961 der erste kommerzielle Industrieroboter, der heiße Metallteile an einem Fließband von General Motors in New Jersey, USA, anhob und stapelte. 1969 stellte die Stanford University den ersten vollelektrischen 6-Achsen-Gelenkroboter vor.
Die 1970er waren die Geburtsstunde der Roboterarme: Die nur mit Drehgelenken ausgestatteten Puma-Arme (Programmable Universal Machine for Assembly) erhöhten die Beweglichkeit des Arms. Parallel kam es zur Einführung der elementaren Datenverarbeitung zur Steuerung der Armposition.
Einen neuen Ansatz brachten die 1980er Jahre in der Robotik: Die Universität Yamanashi in Japan leistete mit der Robotertechnologie Scara (Selective Compliance Articulated Robot) Pionierarbeit. Ein Arm mit nur vier Gelenken, der sich nur in den drei Richtungen X, Y und Z bewegt. Auch wenn er damit als „selektiv nachgiebig“ gilt, bietet er doch Vorteile in Sachen Geschwindigkeit, Platzbedarf und Preis gegenüber den komplexeren 6-Achsen-Roboterarmen. Mitsubishi Electric war eines der Unternehmen, die diese Technologie auf den Markt brachten. Kurz darauf folgte ein kompakter 6-Achs-Roboter, der mehr Flexibilität in komplexen Montageprozessen bot.
Mitsubishi Electric hat in den letzten 40 Jahren 14 Generationen Roboterarme weiterentwickelt. Einen großen Fortschritt brachte die Verkürzung der Roboter-Zykluszeiten. Ein heutiger Roboter ist sechsmal schneller als ein Modell von 1998.
Nicht nur die Grundgeschwindigkeit der Roboterarme hat sich verbessert, die intelligente Robotersteuerung gestattet zudem sanfte Bewegungen und hohe Beschleunigungen. Die Zykluszeiten verbessern sich damit drastisch.
Die Anzahl der Robotermodelle von Mitsubishi Electric ist von weniger als zehn auf heute über 160 gestiegen – für jede Branche verschiedene Versionen mit speziellen Merkmalen und Modulen.
Auch bei der Sicherheit hat sich viel getan. Ursprünglich benötigten Industrieroboter feste Schutzvorrichtungen. Heute sind sie mit Sicherheitsschnittstellen ausgestattet, die das nicht mehr erfordern. Als Cobots können sie sogar eng mit dem Menschen zusammenarbeiten. Der neue Melfa Assista setzt hier Maßstäbe im modernen Fertigungsprozess.
Der Einzug der Computer machte die CNC-Maschinen leistungsfähiger, und die Fortschritte bei der Roboterprogrammierung veränderten die Applikationen von Robotern. Frühe Konstruktionen basierten auf digitalen Signalen als Schnittstelle zwischen Roboter- und Maschinensteuerung. Heute lassen sich Robotersteuerung und speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Maschine in eine Plattform integrieren. Das erhöht die Menge der zu übertragenden Daten sowie die Geschwindigkeit der Datenübertragung.
Diese Datenverfügbarkeit eröffnet neue Möglichkeiten, um die Produktivität und Rendite von Anlagen zu erhöhen. Informationen über Leistung und Laufzeit einzelner Komponenten innerhalb des Roboters lassen sich für die vorausschauende Wartung nutzen. Dadurch kann man Maschinenstillstände vermeiden und Ausfallzeiten reduzieren. Überträgt man die Daten in eine Cloud, lassen sich Roboter an unterschiedlichen Standorten verwalten oder vergleichen. So können Anwender sehen, wie sie sich verhalten.
Auch periphere Technologien wurden weiterentwickelt. So erkennen Sensoren am Ende eines Roboterarms die ausgeübte Kraft und geben Rückmeldung an die Robotersteuerung, wenn zum Beispiel ein Roboter ein Teil in ein anderes einführt. Die Steuerung der optimalen Kraft verbessert die Qualität der Werkstücke. Auch Sensoren zur Bildverarbeitung sind in Industrierobotern alltäglich geworden. Über sie lässt sich der Roboter an die gewünschte Position führen. Wichtig ist, dass sich solche Sensoren oder Kameras einfach und praktisch integrieren und programmieren lassen.
Die vielleicht wichtigste Entwicklung betrifft die Programmierung. Software-Tools vereinfachen den Prozess der Roboterprogrammierung selbst bei hochkomplexen Aufgaben. Denn sie gestatten die vollständige Simulation der Systeme. Hardware-Fehlkäufe lassen sich so bereits im Vorfeld sicher ausschließen. Das gibt Entwicklern und Kunden die Garantie, dass ein System wie geplant funktioniert. Die Oberfläche wird immer bedienerfreundlicher, wie bei der Drag & Drop-Software zur Roboter-Programmierung RT-Visualbox.
Und Software ist das Herzstück der jüngsten Innovation: Selbstgesteuerte Roboter scannen mittels Sensorik ihre Umgebung und planen ihre Bewegung, um Hindernissen auszuweichen – und zwar in Echtzeit. Selbst wenn mehrere Menschen und Roboter wie Cobots im selben Raum arbeiten, können Roboter ohne Überwachung tätig sein.
Um den Gesamtdurchsatz signifikant zu steigern, hat man in den letzten Jahren die Robotertechnik verstärkt in der Maschinenbeschickung zur effizienten Be- und Entladung von Bearbeitungszentren eingesetzt. Dies verkürzt die Zykluszeiten und steigert die Effizienz des gesamten Produktionsprozesses. So können größere Chargen eigenständig über Nacht laufen. Bisher gab es allerdings eine große Herausforderung: Die Programmiersprache moderner Roboter unterscheidet sich stark von der Programmiersprache G-Code, die bei der Programmierung von CNC-Steuerungen angewandt wird. Zwar ließ sich über die Programmierung mit G-Code ein Bearbeitungszentrum schnell einrichten, doch ging dieser Geschwindigkeitsvorteil verloren, wenn der Maschinenbediener zusätzlich die skriptbasierte Programmiersprache für Roboter lernen musste. Mit der neuen Robotersteuerung Direct Robot Control hat Mitsubishi Electric die bisher getrennten Automatisierungstechnologien für seine Melfa-Roboterfamilie zusammengeführt. Robotersteuerung und SPS der CNC-Maschine werden hier nicht mehr separat programmiert. Vielmehr lässt sich der Roboter über G-Codes im CNC-Bearbeitungszentrum selbst programmieren und ist Teil des Bearbeitungsauftrags.
Durch die neue Robotersteuerung können Erstausrüster die Robotik leichter in ihre-CNC Maschine einbinden.
Und die Entwicklung geht weiter. Technologien wie KI werden in die Automatisierungskomponenten Einzug halten, und maschinelles Lernen sorgt dafür, dass das robotergestützte Bearbeitungszentrum effizienter wird. Auch hier ist Mitsubishi Electric mit seiner unternehmenseigenen KI-Technologie Maisart (Mitsubishi Electric‘s AI creates the State-of-the-Art in technology) federführend.
Der Autor Barry Weller ist Produktmanager bei Mitsubishi Electric.
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