Interview mit Dr. Thomas Cord, Lenze Automation
Warum Roboterkinematiken im Maschinenbau wichtiger werden und wie Lenze ihren Einsatz vereinfacht
Die Marktuntersuchung von Quest TechnoMarketing zum Robotereinsatz im deutschen Maschinenbau bis 2018 haben mehrere Automatisierungs- und Roboterhersteller unterstützt. Zu ihnen gehörte Lenze, Aerzen. Thomas Quest sprach mit Dr. Thomas Cord, Geschäftsführer der Lenze Automation, über Trends im Robotereinsatz.
Dr. Cord wurde 2017 Geschäftsführer der Loesch Verpackungstechnik GmbH. Dr. Cord starb im Oktober 2019.
Herr Dr. Cord, mit Blick auf den Robotereinsatz bis 2018 schälen sich zwei Gruppen von Maschinenbauern heraus.
Da ist die Gruppe derer, die bereits Roboter einsetzen. Sie umfasst derzeit fast die Hälfte der Maschinenbauer und wird bis 2018 auf 51% anwachsen. Diese Maschinenbauer wollen die Anzahl ihrer Maschinen mit Robotern künftig um 46% steigern. Der Robotereinsatz hat also die Erwartungen erfüllt.
Gleichzeitig aber erhöht sich die Zahl von neuen Anwendern von Robotern nur zögerlich mit 8%.
Es stehen sich also zwei gleich große Gruppen gegenüber. Die eine Hälfte der Maschinenbauer besteht aus zufriedenen Roboter-Anwendern, die andere Hälfte findet auch bis 2018 keinen Zugang zum Robotereinsatz. Verstehen die Nicht-Anwender unter Roboter große, komplexe Anwendungen, die für ihre Maschinen ungeeignet sind?
„…neben den klassischen Roboterarten gibt es sehr viele Roboterkinematiken“
Als es bei Lenze um die Weiterentwicklung unserer Application Software Toolbox FAST für den Robotereinsatz ging, haben wir lange überlegt, was die richtige Definition eines Roboters ist.
Wir stellten fest, dass es neben den klassischen Roboterarten sehr viele Roboterkinematiken gibt, die auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten und zu einem Konstruktionselement im Maschinenbau geworden sind.
Deshalb definieren wir Roboter als eine seriell oder parallel verkettete Kinematik mit mehreren Bewegungsachsen für komplexe Bewegungen im Raum. So verstanden ist ein Roboter die flexibelste und modularste Funktionseinheit einer Maschine.
Und wie das Interview mit Uhlmann Pac Systeme bestätigt hat, ist die Flexibilität auf Basis modularer Maschinen für die Maschinenbauer entscheidend geworden.
Was bedeutet Flexibilität im Zusammenhang mit dem Robotereinsatz?
Der Trend in der Produktion zu immer kleineren Losgrößen führt zu spezielleren Roboterkinematiken
Der Standard-Roboter wird immer sein Einsatzgebiet haben, beispielsweise zum Stapeln von Bierkisten auf Europaletten. Dort, wo genügend Platz und relativ viel Zeit zur Verfügung stehen.
Aber schon beim Sortieren von Pralinen in Trays oder beim Ablegen von Ampullen in Blister, wie bei Uhlmann, spielen Geschwindigkeit und vor allem das Handling unterschiedlichster Formate die entscheidende Rolle. Die Individualisierung der Produkte führt zwangsläufig zur Steigerung der Flexibilität einer Maschine bis hin zur Losgröße 1. Das wiederum erfordert entsprechend flexible Maschinenmodule.
Beim Roboter führt der ständige Formatwechsel bei kleinen Losgrößen zu spezifischen Kinematiken. Nur wenn diese gezielt auf die jeweilige Aufgabe angepasst sind, können höchste Taktraten erreicht werden.
Die Maschinenbauer stehen vor der Aufgabe, die Mechanik ihrer Maschinen immer weiter zu standardisieren. Das Ziel dabei ist, mit einer überschaubaren Anzahl von Modulen alle Anwendungen abzudecken. Auch die Hersteller von Greifern für Roboter gehen diesen Weg und bieten einen Baukasten standardisierter Einheiten an, die aus einem Katalog ausgewählt werden können.
Als Automatisierungshersteller sind wir selbst ja auch Maschinenbauer und mussten lernen, unser Portfolio zu standardisieren und mit unseren mechatronischen Systemen trotzdem eine sehr große Vielfalt an Anwendungen abzudecken. Der Lenze Smart Motor ist ein gutes Beispiel dafür, wie mit einer geringen Anzahl von Hardware-Varianten ein breiter Anwendungsbereich erschlossen werden kann.
Diese Entwicklung wird auch der Roboter an der Maschine nehmen. Der Maschinenbauer, der keinen Kaufroboter einsetzen kann oder will, entwickelt Roboterkinematiken für seine Anwendungen in den Maschinen. Die scheinbar in Widerspruch stehenden Anforderungen nach Flexibilität und Geschwindigkeit lassen sich so unter einen Hut bringen.
Durch die Anpassung der Roboterkinematik an die Handhabungsaufgabe können selbst spezielle Produkte flexibel bearbeitet werden. Es ist möglich, den Bewegungsbereich des Roboters ganz gezielt auf die spezifischen Bedingungen des Maschinenbauers anzupassen und das bei geringem Platzbedarf. Roboter werden ganz eng in das Maschinenkonzept integriert, der Roboter ist kein Fremdkörper mehr.
Lenze-Steuerungen bieten neben Logic und Motion Control auch die Funktionen einer Robotersteuerung
Einige unserer Kunden haben heute schon hervorragende Spezialroboter für unterschiedliche Aufgaben entwickelt, beispielsweise Knickarm-, Portal- oder auch Delta-Roboter. Doch ein breiter Durchbruch der Roboterlösungen scheitert häufig an der aufwändigen Programmierung. Das muss aber nicht sein.
Für die Steuerung der Kinematiken haben wir unsere Application Software Toolbox FAST um eine komplette Robotik-Lösung mit vollwertigem Robotik-Kern erweitert. Sie bietet alles, was der Maschinenbauer für schnelle und flexible Handhabungstechnik braucht.
Der Robotik-Kern trennt ganz konsequent das Kinematik-Modell von der Bahnsteuerung. So kann der Anwender die Bewegungsbahn in Form von kartesischen Koordinaten im Arbeitsraum vorgeben und die mechanischen Parameter der Roboter-Kinematik separat beschreiben. So können Roboter ganz einfach projektiert werden - ganz ohne Roboter-Knowhow.
Können Sie uns dafür Anwendungsbeispiele geben?
Wie eine Eigenlösung bei Holzbearbeitungsmittelmaschinen durch FAST flexibilisiert wurde
Bei Schelling Anlagenbau in Österreich erfolgte die Kommissionierung von Holzplatten in einem Sägezentrum für die Möbelindustrie bisher über Portalachsen, die einzeln angesteuert wurden. Diese Anwendung war eine Eigenlösung.
Für die Herstellung von Küchen nach den individuellen Vorgaben der Käufer sind jedoch Massenfertigung und Stapelverarbeitung passé. Jedes Teil muss individuell bearbeitet und doch vollautomatisch produziert werden. Für jedes Werkstück müssen neue Verfahrwege berechnet und dabei auch mögliche Kollisionen erkannt werden. Insbesondere lange Platten müssen vom Portalroboter aufwändig um Störkonturen herummanövriert werden. Eine solche Anwendung quasi von Hand zu programmieren ist mit vertretbarem Aufwand nicht mehr möglich.
Unser FAST-Modul „Pick & Place“ erledigt diese Aufgabe ohne aufwändige Programmierung. Lediglich die Parameter der Applikation und die Koordinaten des Start- und Endpunktes der Roboterbahn müssen vorgegeben werden.
Hier hat sich also die Anwendung zu einer Einzelfertigung mit Seriencharakter weiterentwickelt und damit den Änderungsgrund geschaffen, die Automatisierung auf eine höhere Stufe zu heben – ohne Verlust der Gesamtkompetenz des Maschinenbauers über die Maschine und ihre Automatisierung.
Im Gegenteil! FAST als Werkzeugkasten nimmt nicht Kompetenz vom Maschinenbauer weg, sondern erweitert dessen Kompetenz, indem es das Feld anwendungsspezifischer Lösungen durch den Maschinenbauer erweitert.
FAST flexibilisiert Nahrungsmittelmaschinen
Ich greife noch ein weiteres Beispiel aus dem Bereich der Süßwarenindustrie heraus. Auch dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine spezielle Applikationslösung eines Maschinenbauers.
Ein Roboter nimmt eine Praline mit einem Zwei-Finger-Greifer auf, beschleunigt und legt sie in einem Tray ab. Im Laufe der Zeit hatte sich nun die Anzahl der Produktvarianten erhöht, gleichzeitig die Packungsgröße verkleinert, so dass der Greifer immer stärker beschleunigen musste – bis sich die Fälle häuften, bei denen Pralinen beim Beschleunigen aus dem Greifer fielen.
Was tun? Beschleunigung begrenzen oder Greifer um 90 Grad gegen die Beschleunigungsrichtung drehen? Die letztere Alternative war optimal, aber von Hand in vertretbarem Aufwand nicht zu programmieren.
FAST hat auch hier eine Lösung auf technologisch höherer Stufe ermöglicht und gleichzeitig die Anforderungen an das Engineering dieser Lösung gesenkt. Die Drehung des Greifers um 90 Grad relativ zur Bewegungsbahn braucht jetzt nur mehr parametriert zu werden.
Natürlich funktioniert das am wirkungsvollsten beim Einsatz eines integrierten Lenze-Gesamtsystems mit Steuerung, Umrichtern, Motoren und Getrieben. Das wesentliche Kriterium für die Systemauswahl sind jedoch die Software-Funktionalitäten.
Flexibilisierung der Maschinenkonzepte für kleinste Losgrößen steht auch in anderen Branchen an
Diese hier aufgezeigten Beispiele sind auch für andere Branchen relevant. Im Mittelpunkt der künftigen Entwicklung steht dabei, wie schon erwähnt, eine hohe Flexibilisierung bis hin zu Losgröße 1.
Die Kunststoffmaschinen-Branche nutzt schon die Vorteile von Robotern beim Zu- und Abführen von Teilen. Die Maschinenhersteller dieser Branche bieten bereits hochgradig spezielle Roboter mit anwendungsspezifischen Kinematiken an. Diese Kinematiken sind darauf optimiert, unterschiedliche Massen schnell unter der Bedingung eines häufigen Formatwechsels zu bewegen.
Die Variantenvielfalt der Werkstücke bis Losgröße 1 wird in fast allen Bereichen zunehmen. So werden neben den genannten Branchen beispielsweise auch in der Montagetechnik, der Blechbearbeitung oder auch der Glasindustrie mehr und mehr Roboter aufgrund ihrer Flexibilität zum Einsatz kommen. Welche spezifischen Kinematiken diese Maschinenbauer dann benötigen, können sie selbst am besten beurteilen – ohne das Rad neu erfinden und ohne die spezifischen Kinematiken selbst programmieren zu müssen.
Lenze strebt eine immer größere Fokussierung auf bestimmte Applikationen im Maschinenbau an, um das Engineering seiner Kunden zu vereinfachen. Denn heute geht es in erster Linie darum, eine Maschine schnell und effizient auf den Markt zu bringen – und zwar bei steigender technischer Komplexität. Das macht Lenze mit seinen Lösungen möglich.
Herr Dr. Cord, vielen Dank für das Interview.
