FlexLean Roboter im Wettbewerb mit Niedriglohnarbeit Bernard Negre, Fabrice Legeleux Die Automobilindustrie gilt gemeinhin als Wegbereiter für den Einsatz von Robotern in großem Maßstab. Die Anforderung, identische Autos in großen Stückzahlen zu produzieren, machte sie zum idealen Einsatzgebiet für diese unermüdlichen, zuverlässigen Arbeiter. Heute stehen Automobilhersteller zunehmend unter dem Druck, ihren Kunden mehr Auswahl zu bieten und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken. Um diese scheinbar gegensätzlichen Anforderungen zu erfüllen, muss eine einzige Fertigungslinie in der Lage sein, verschiedene Modelle parallel zu fertigen und die Herstellung neuer Modelle zu «erlernen», ohne dass dazu die gesamte Ausrüstung neu konstruiert werden muss und idealerweise sogar ohne die Produktion zu stoppen. Angesichts dieser Anforderungen hat sich ABB die Aufgabe gestellt, Roboter zellen anpassungsfähiger, leichter installierbar und platzsparender zu gestalten. Die neue Generation von Zellen ist in der Lage, mit der manuellen Fertigung in Niedriglohnländern zu konkurrieren und stellt damit für Hersteller nicht nur eine Alternative zur Auslagerung der Produktion dar, sondern trägt gleichzeitig zur Steigerung der an die lokalen Märkte gelieferten Qualität bei. Eine moderne Fertigungslinie für Kleinwagen stellt alle 45 Sekunden ein Fahrzeug fertig Tag für Tag, rund um die Uhr. Die nackte Karosserie eines Autos, die so genannte Rohkarosserie (Body in White, BIW) wird typischerweise aus 200 bis 400 Teilen (einschließlich der Teile für Unterbaugruppen) zusammengesetzt. Demnach wird in einer BIW-Linie (einschließlich der Linien für die Unterbaugruppen) alle 45 Sekunden diese Anzahl von Teilen benötigt. Dazu müssen nicht nur die Roboter wie ein Uhrwerk funktionieren, es ist auch eine komplexe Logistik erforderlich, um die Linie am Laufen zu halten. Eine weitere Anforderung solcher Produktionslinien ist die Wiederverwendbarkeit von Ausrüstungen. Früher wurde eine Fertigungslinie eigens für ein bestimmtes Fahrzeugmodell konstruiert. Bei Einführung eines neuen Modells musste eine neue Linie ent wickelt und gebaut werden, was mit erheblichen Investitionen und langen Vorlaufzeiten verbunden war. Als Roboterlieferant und Systemintegrator war sich ABB stets der Bedeutung eines möglichst reibungslosen und einfachen Ablaufs solcher «Umstellungen» bewusst. Ein wichtiges 6 ABB Technik 4/2006
Element dabei ist die Kosteneinsparung durch Wiederverwendung möglichst vieler Einrichtungen. Obwohl die Umstellung einzelner Roboter und anderer Komponenten relativ einfach sein mag, müssen sie am Ende doch die gleichen Konfigurations- und Testläufe absolvieren wie eine neue Ausrüstung. Um eine größere Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten und den Konfigurationsprozess zu vereinfachen, hat ABB das FlexiBase-Konzept entwickelt. FlexiBase ist eine modulare Roboterzelle, in der Roboter, Controller und Verkabelung auf einer Plattform vormontiert sind. Die Zelle wird bei ABB eingerichtet und getestet und dem Kunden als betriebsbereites Modul geliefert. Nach minimalem Konfigurationsaufwand kann sie mit der Produktion beginnen. Die dadurch erzielten Einsparungen wiederholen sich, wenn die Zelle wiederverwendet wird. So ist aus dem Wunsch der Wiederverwendbarkeit von Anlagen ein Leitmotiv geworden. Mehrere kürzlich eingeführte Fahrzeugmodelle werden auf älteren Fertigungslinien produziert. Für Integratoren stellt die Umstellung solcher Anlagen eine echte Herausforderung dar, insbesondere wenn das neue Modell auf einer bereits laufenden Linie gefertigt werden soll. In diesem Fall darf das Anlaufen des neuen Modells die Produktion der anderen Modelle nicht verlangsamen oder zum Stillstand bringen. Neben der Umstellung einer Linie von einem alten auf ein neues Modell ermöglicht diese Flexibilität auch die Fertigung verschiedener Modelle auf ein und derselben Linie. Dabei sinken die Kosten zur Vorbereitung der Linie auf ein neues Modell ebenso drastisch wie das Risiko für den Hersteller, wenn sich ein neues Modell nicht so gut verkauft wie erwartet. Der Blick nach Fernost Auf dem wachsenden asiatischen Markt ist die manuelle Fertigung noch immer die Norm. Roboter werden in erster Linie eingesetzt, wenn schwere Lasten mit großer Präzision bewegt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist der FlexFramer von ABB, eine Karos serieaufbaustation, in der zwei Roboter die 500 kg schweren Werkzeuge handhaben, mit denen die Karos serie eingespannt wird, um die korrekte Geometrie sicherzustellen. Bezogen auf die gesamte Linie sind dafür jedoch nicht viele Roboter erforderlich. Jetzt bietet ABB eine kostengünstige Standardlösung, die es mit den Betriebskosten einer manuellen Rohkarosseriefertigung aufnimmt: FlexLean. FlexLean bietet dem Kunden die Flexibilität und Zuverlässigkeit einer robotergestützten Anlage zu einem konkurrenzfähigen Preis im Vergleich zu einer manuellen Fertigungslinie. Darüber hinaus benötigt diese kompakte, modulare Lösung 1 bis zu 40 % weniger Platz, was einen bedeutenden Vorteil hinsichtlich der Qualität und Logistik (Versorgung mit Teilen) darstellt. Ein weiterer Vorteil ist ihre Skalierbarkeit, die bei der Einführung zukünftiger Modelle zum Tragen kommt. FlexLean Das Grundprinzip von FlexLean ist sehr einfach. Es basiert auf dem Flexi- Base-Prinzip, ist aber noch anpassungsfähiger. Der Namensteil «Lean» steht für die Einfachheit, den Grad der Standardisierung und die daraus resultierenden möglichen Kostensenkungen. So tritt es in Niedriglohnländern in Wettbewerb mit manuellen Arbeits kräften und ermöglicht in Hochlohnländern Einsparungen gegenüber anderen Roboterlösungen. Zentraler Aspekt des Konzepts ist die Erkennt nis, dass kundenspezifische Lösungen, mehrere technische Spezifikationen und dedizierte Software eine Hauptursache für Kosten und 3 Ein auf einem hohlen Sockel montierter Roboter. Die IRC5-Steuerung ist platzsparend im Sockel untergebracht und es gibt keine Kabel oder Leitungen auf dem Boden. 1 Eine hohe Roboterdichte: Neben der Platzersparnis vereinfacht diese Anordnung auch die Logistik (Versorgung mit Teilen). 2 Eine Montagezelle und drei Ausschweißzellen. Diese Zellen sind Standardprodukte und können mit verschiedenen Prozesspaketen ausgestattet ABB Technik 4/2006 7
Infobox Die Bestandteile von FlexLean FlexLean beinhaltet eine Vielzahl von neuen Roboterprodukten. IRC5-Steuereinheit FlexPLP polare Ausführung FlexPLP lineare Ausführung Mit dieser Robotersteuerung (in die auch die MultiMove-Funktionalität integriert ist) können mehrere Manipulatoren und externe Achsen gesteuert und koordiniert Sie ist die ideale Plattform zur Steuerung neuer Roboterprodukte wie FlexPLP und FlexGrip. IRB 6620-Roboter Eine Studie über die jüngsten OEM-Projekte mit ABB-Robotern hat gezeigt, dass die Werteffizienz um 20 % gesteigert werden kann. Der IRB 6600 ist ein sehr guter Vielzweckroboter, dessen Tragfähigkeit für Punktschweißanwendungen allerdings mehr als ausreichend ist. Aus diesem Grund entschied sich ABB, in enger Zusammenarbeit mit ABB Robotics in Schweden einen speziellen, kosten- und leistungsmäßig für diese Aufgabe optimierten Punktschweißroboter zu entwickeln. Dies war die Geburtsstunde des IRB 6620. Er hat einen Arbeitsbereich von 2,2 m und eine Tragfähigkeit von 150 kg genug, um eine Punktschweißzange zu tragen. Die Optimierung der Armkonstruktion ging so weit, dass der neue Roboter nur noch halb so viel wiegt wie der IRB 6600. Seine kompakte Bauweise ermöglicht eine höhere Roboterdichte in einer Zelle, und trotz der vereinfachten Konstruktion (z. B. fiel der Gewichtsausgleichsmechanismus weg) hat die Optimierung keinen Einfluss auf seine Bewegungsleistung: Der neue IRB 6620 besitzt die gleiche Schnelligkeit und Wiederholgenauigkeit wie die Roboter der IRB 6600-Familie. FlexPLP (Flexible Programmable Lean Positioner) ist ein kleiner Roboter mit drei Positionierachsen, der zum Halten von Autokarosserien oder Werkstücken eingesetzt wird. Früher wurden hierfür Spannvorrichtungen verwendet, doch da bei der Herstellung verschiedener Fahrzeugmodelle auf ein und derselben Fertigungslinie für jedes Modell eine andere Spannvorrichtung erforderlich ist, liegt der Vorteil einer verstellbaren Lösung auf der Hand. Während des Arbeitsgangs kann die Karosserie bzw. das Werkstück von vier oder mehr FlexPLPs gestützt FlexPLPs sind in polarer und linearer Ausführung erhältlich. Die polare Ausführung benötigt drei Motoren, von denen jeder zwei Aktuatoren antreibt. Die Zielposition wird am besten in polaren Koordinaten angegeben. Bei der einfacheren linearen Ausführung sind die drei Achsen auf die X-, Y- und Z- Koordinaten der Zielposition ausgerichtet. Lineare Positioniervorrichtungen dieser Art sind nicht neu. Verschiedene Modelle sind auf dem Markt erhältlich, doch diese Ausführung besitzt einige besondere Merkmale. Die Einheit ist modular aufgebaut, sodass bei Bedarf jede Achse als eigenständiges FlexGrip FlexPLP ist eine gute Lösung, wenn es um Werkzeugflexibilität geht. Es bleibt jedoch das Problem, die verschiedenen Teile mithilfe von Robotern in die Fertigungs linie hinein und wieder heraus zu befördern. Hierfür sind normalerweise mehrere End effektoren mit Werkzeugwechslern erforderlich. In diesem Produkt verwendet werden kann. Außerdem ist sie äußerst kompakt, und der Motor ist zum Schutz gekapselt. Die Prozesskabel, mit denen die Aktuatoren versorgt und Informationen von den Sensoren übermittelt werden, verlaufen im Inneren der drei Achsen. Die besondere Herausforderung dieser Konstruktion bestand darin, das Innere der Verfahrachse vor den in einer BIW-Linie typischen Verschmutzungen durch Staub, Rauch, Schweißspritzer usw. zu schützen. Die herkömmlichen Lösungen zum Schutz einer solchen linearen Verfahrachse beeinflussen den Hub und schränken die Bewegungsfreiheit der Einheit ein. Also musste der Schutz in die Konstruktion integriert Die Form des beweglichen Abschnitts erlaubt es, eine Kabelabdeckung hindurch laufen zu lassen. Dies bietet ausreichenden Schutz, ohne dass anfällige und platzraubende Bälge benötigt Für den Kunden bietet diese neue Technologie erhebliche Vorteile: Bei der Integration eines neuen Fahrzeugmodells in die Linie müssen lediglich die neuen Koordinaten für die Positionierer programmiert Dies kann offline mithilfe von Simulationssoftware (z. B. ABB RobotStudio) erfolgen, sodass nur eine kurze Unterbrechung der Produktion zur Feinabstimmung erforderlich ist. Fall legt der Roboter sein Greifwerkzeug ab und nimmt ein anderes auf. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch eine größere Stell fläche und eine längere Zykluszeit. Mit FlexGrip sind keine Werkzeugwechsler mehr erforderlich. Stattdessen verfügt das System über einstellbare Greifer, die vom Prinzip her dem linearen FlexPLP ähneln. Es ist leicht und die kritischen Massen (Motoren) sind um die Schnittstelle mit dem Träger roboter herum angeordnet. Mehrere solcher Einheiten, die vom IRC5-Controller gesteuert werden, können am Endeffektor eines Roboters eingesetzt werden, um einen programmierbaren «Greifer» zu bilden. 8 ABB Technik 4/2006
FlexTrack Mit steigenden Anforderungen seitens der Kunden an die Flexibilität beim Karosseriebau ergibt sich ein weiteres Problem: Wie können Unterbaugruppen oder sogar ganze Karosserien durch die Fertigungslinie bewegt werden, ohne die Flexibilität einzuschränken? Derzeit werden die Teile auf den Transportbändern mithilfe von modellspezifischen Paletten oder Werkzeugen bewegt. Diese Paletten müssen zum Schluss wieder an den Anfang der Linie zurücktransportiert Das ist umständlich und erfordert häufig ein teures Beförderungssystem an einem Zwischengeschoss über der Fertigungslinie. Außerdem sind bei mehreren parallel gefertigten Modellen auch mehrere Arten von Paletten nötig, die unterschiedlich behandelt werden müssen. Unter diesen Umständen wird bereits die Fertigung von zwei Modellen auf einer Fertigungslinie zu einem logistischen Alptraum. Die Lösung liegt auch hier in flexiblen Werkzeugen in Verbindung mit dreiachsigen Robotern zur Ausrichtung der Positionierwerkzeuge. Diese programmierbare Spannvorrichtung wird auf einer linearen Verfahrachse bewegt, die ebenso wie die Roboter von der IRC5 gesteuert wird. FlexTrack wurde für Anwendungen entwickelt, bei denen es auf Kompaktheit, Schutz und Kosteneffizienz ankommt. Die geringe Breite des Systems ermöglicht optimierte Konfigurationen, bei denen die ortsfesten FlexPLPs nahe an der linearen Verfahrachse stehen. Alle internen Führungen und Getriebekomponenten sind gegen Verschmutzung durch Schweißrückstände geschützt. FlexTrack kann auch für Roboter in verschiedenen anderen Prozessen wie Kleben oder Palettieren eingesetzt Eine weitere Stärke einer solchen linearen Verfahreinrichtung gegenüber einem herkömmlichen Transportbandsystem besteht in der Tatsache, dass jede Karosserie einzeln mit größter Präzision und Wiederholgenauigkeit bewegt wird. Dadurch können bestimmte Schritte erheblich vereinfacht Und die Transferzeit verkürzt sich drastisch auf unter 5 Sekunden für 6 Meter. Unsicherheiten beim Engineering darstellen. Die Antwort liegt in der Robotertechnik und der Standardisierung: Die Zellen sind in zwei Ausführungen erhältlich 2 eine für die geometrische Montage und eine für das Ausschweißen 1). Für beide steht eine Reihe vordefinierter Konfigurationen zur Wahl. Für die Montagezelle sind mehrere Prozesspakete (zum Punktschweißen, Kleben oder Rollfalzen) verfügbar. Die Zahl der Roboter in der Ausschweißzelle ist von zwei bis sechs skalierbar. Alle Ausrüstungen einer FlexLean- Zelle einschließlich der Controller sind auf einer FlexiBase (einer Stahlrahmenbasis) untergebracht. Diese Basis enthält alle Leitungen und Kabel, sodass eine frei begehbare Oberfläche ohne Stolperfallen entsteht. Neu entwickelte hohle Sockel 3, mit denen die IRC5-Steuereinheiten direkt unter dem Roboter platziert werden können, tragen zusätzlich zur Kompaktheit des Systems bei. Nach der Inbetrieb nahme im ABB-Werk wird jede Zelle von der Stromversorgung und benachbarten Zellen getrennt und per Lkw zum Kunden gebracht, wo die Linie innerhalb weniger Stunden wieder aufgebaut werden kann. FlexGrip in Aktion der variable Greifer hat vier lineare Positionierer, die so koordiniert werden, dass sie wie ein kompakter «Greifer» fungieren. Eine von FlexPLPs gestützte Karosserie links ist die polare und rechts die lineare Ausführung zu sehen. Die Bestandteile von FlexLean werden in der Infobox beschrieben. Flexibilität bei der Einrichtung In einer FlexLean-Fertigungslinie stellt jede Zelle ein eigenständiges System dar. Während der Inbetriebnahme kann das Personal an isolierten Zellen arbeiten, da jede Zelle von einem vollständigen Satz von Automatisierungsmodulen einschließlich einer SPS und einer Mensch-Maschine- Schnittstelle gesteuert wird 4. Diese Module kommunizieren über ein Bussystem auf drei Ebenen miteinander: FieldBus für Echtzeitprozesse SafetyBus für kritische E/As Ethernet für allgemeine Informationen Fußnote 1) Beim Ausschweißen werden die Schweißpunkte vervollständigt, die im ersten Schweißvorgang nur dazu gedient haben, die Teile zusammenzuhalten. Die Standardisierung der in der Zelle verwendeten Produkte hilft nicht nur, die Kosten zu senken, sondern bietet auch Vorteile für das Steue- ABB Technik 4/2006 9
rungssystem. Eine komplexe SPS-Programmierung ist nicht mehr erforderlich, denn jede Komponente der Zelle ist bekannt, und der notwendige SPS- Code muss nur einmal geschrieben Doch der Teil der Automatisierung, der sich auf den eigentlichen Fertigungsprozess bezieht, bleibt variabel. Hier liegt der wohl innovativste Aspekt der Lösung: Anstatt einen bestimmten Prozess von Hand zu programmieren, bietet FlexControl einen integrierten konfigurierbaren Sequencer 5a. Das herkömmliche zeitaufwändige Programmieren, Kompilieren und Übertragen auf die SPS sowie das abschließende Debugging des erstellten Codes entfallen. Stattdessen muss der Bediener lediglich die Abfolge der Arbeitsgänge für jeden Aktuator (Roboter, FlexPLP, Klemmen 5b usw.) durch Auswahl der Arbeitgänge aus einer Liste konfigurieren 5c. Daraufhin kann der Betriebsartenschalter auf «Auto» gestellt und die Produktion begonnen Dies ist so einfach, dass die Prozessschritte ohne die Hilfe eines SPS-Programmierers modifiziert werden können. Die Person, die das Programm einrichtet, muss lediglich wissen, was FlexLean für sie erledigen soll. Im Fertigungsmodus zeigt der Sequencer den Prozessstatus mithilfe von Farbcodes an 5d. Fertigung neu definiert Heutzutage sind Fertigungslinien im Einsatz, die bis zu vier Modelle parallel herstellen können. In Zukunft 5 Der konfigurierbare Sequencer vereinfacht die Roboterprogrammierung erheblich. a Der Sequencer b Werkzeugparameter im Sequencer c Beispiel einer Programmierung es muss lediglich die gewünschte Aktion ausgewählt kann sich diese Zahl sogar verdoppeln. Allerdings ist die Zahl der Modelle, die von einer einzigen Linie bewältigt werden kann, durch die Logistik der Teileversorgung begrenzt. Zum einen ist eine komplexere Lagerhaltung erforderlich, und zum anderen nimmt die Beschickung der Zelle mit einer größeren Zahl verschiedener Teile auch mehr Platz um die Zelle herum in Anspruch. Und der ist bereits knapp. Neben der parallelen Fertigung verschiedener Modelle können durch Individualisierung weitere Varianten realisiert Jedes Fahrzeug wird vor Beginn der Fertigung definiert, und diese Informationen werden zur passenden Zeit an die Steuerungen der entsprechenden Zellen übermittelt. So lassen sich um Beispiel zu sätzliche Löcher oder Befestigungen für individuelles Zubehör anbringen und teure nachträgliche Änderungen vermeiden. Damit ist der Traum, die Serienfertigung mit kundenspezifischer Individualisierung zu verbinden, einen Schritt näher gerückt. Innovationen in der Robotertechnik sorgen dafür, dass die Einrichtung, die Bedienung und die Wiederverwendung von Robotern weiter vereinfacht wird. Gleichzeitig sinkt der Platzbedarf, und Zeitverluste während des Betriebs werden reduziert. Dank dieser Vorteile finden Roboter zunehmend den Weg in immer anspruchvollere Anwendungen. 4 Eine Roboterzelle verfügt über eine Vielzahl von Controllern. Alle werden mit FlexControl zentral konfiguriert und koordiniert. d Im Fertigungsmodus zeigt die Ablaufsteuerung den Prozessstatus mithilfe von Farbcodes an. Bernard Negre ABB Manufacturing Automation Auburn Hills, USA bernard.negre@us.abb.com Fabrice Legeleux ABB Manufacturing Automation Beauchamp, Frankreich fabrice.legeleux@fr.abb.com 10 ABB Technik 4/2006