Universal Robots UR5: So einfach zu bedienen, wie PlayStation spielen

Die Übergabe zwischen den beiden UR5-Robotern ist überraschend einfach zu programmieren.

Adam Hessling
Automatisierungsexperte bei Task Force Tips.

„An der Universal Robots Steuerung gefällt mir vor allem, dass man innerhalb weniger Minuten nach der Erstinbetriebnahme bereits grundlegende Wegpunkte und ein Basis-Programm erstellen kann.“

Das US-amerikanische Unternehmen aus Valparaiso im Bundesstaat Indiana legt als Hersteller von Feuerwehrequipment besonderen Wert auf die hohe Qualität seiner Produkte. Mit Blick auf diese Anforderungen werden bei Task Force Tips vier Roboterarme von Universal Robots in der Fertigung von Schlauchventilen eingesetzt. Diese Anschaffung hat es ermöglicht, die Fertigungsabläufe erheblich zu optimieren und die Qualität der Produkte zu verbessern.

Darüber hinaus war Task Force Tips durch die neuen kollaborierenden Roboterkollegen in der Lage, jenes Personal, das vorher an den Fertigungszellen im Einsatz war, in anspruchsvolleren, komplexeren Aufgaben effektiver einzusetzen – und das bei gleichbleibender Spindelzeit in der Produktion. Durch die effizientere Verteilung menschlicher und automatisierter Arbeitskraft konnte das Unternehmen so viel Ressourcen einsparen, dass sich die Anschaffung der Roboter innerhalb von nur 34 Tagen bezahlt machte.

Darüber hinaus weiß Cory Mack, Produktionsleiter bei Task Force Tips, noch zu berichten: „Die Roboter von Universal Robots sind nicht nur leicht zu bedienen – ihre Steuerung ist gleichzeitig so übersichtlich, dass unsere Programmierer sofort anfingen, sich mit der neuen Maschine vertraut zu machen. Das war ein bisschen wie bei einem PlayStation-Spiel, bei dem man auch einfach den Controller in die Hand nimmt und anfängt zu spielen, ohne vorher lang das Handbuch zu lesen.“

Aufgrund ihres eingebauten Sicherheitssystems der Roboterarme benötigen die UR-Roboter bei Task Force Tips keine Schutzumhausung. Deshalb können Sie in direkter Nähe zu den Mitarbeitern arbeiten und von einer Aufgabe zur nächsten bewegt werden.

Paradigmenwandel durch flexible Roboter

Bei Task Force Tips bedienen nun ein UR10- und zwei UR5-Roboterarme die CNC-Maschinen. Ein weiterer UR5 ist auf einem rollbaren Tisch montiert und somit an verschiedenen Stellen und in unterschiedlichen Aufgaben innerhalb der Produktion der Feuerwehrschlauchventile einsetzbar. Dank ihres eingebauten, patentierten Sicherheitssystems, das sie sofort stoppen lässt, wenn sie in ihrem Bewegungsablauf nur leicht mit einem Hindernis in Berührung kommen, können die UR-Roboter unmittelbar neben ihren menschlichen Kollegen bei Task Force Tips arbeiten.

Stewart McMillan, Geschäftsführer von Task Force Tips: „Der Einsatz der kollaborierenden Roboter stellt einen fundamentalen Paradigmenwandel für uns dar. Eine der größten Behinderungen in der Arbeit mit Robotern war für uns bislang, dass die Industrieroboter eine sperrige Schutzumhausung benötigten. Das Schöne an den UR-Robotern ist, dass sie ohne diese Vorsichtsmaßnahme auskommen. Unseren mobilen UR können wir auf seinem Tisch z. B. direkt vor eine Maschine rollen und ihm innerhalb weniger Minuten beibringen, an dieser mit anzupacken. Dort arbeitet er dann Hand in Hand mit einem Mitarbeiter, der unmittelbar neben ihm steht und ihm Teile reicht oder abnimmt.“

Die Roboterarme von Universal Robots haben bei Task Force Tips die Fertigungsabläufe erheblich optimiert und die Qualität der Produkte verbessert.

Aus sieben mach drei

Bei Task Force Tips wurden die unterschiedlichen Fertigungszellen der Produktionslinie nach einem innovativen Format aufgebaut. Dabei bedienen Mitarbeiter rund um die Uhr gleichzeitig mehrere Maschinen. Cory Mack erklärt, wie die UR-Roboter den Personalbedarf von sieben auf drei Mitarbeiter reduziert haben: „Heute benötigen unsere Mitarbeiter nur noch eine Stunde pro Schicht, um den Roboter zu bedienen. Dazu zählt auch, Werkstücke für den Roboter bereitzustellen und diesen auszurichten. Das bedeutet, dass der Roboter täglich 21 Stunden lang ohne Aufsicht arbeiten kann, sodass wir Zeitersparnisse erzielen, dank derer der Roboter in knapp 34 Tage abbezahlt werden konnte. Pro Acht-Stunden-Schicht und pro Mitarbeiter, der dadurch andere, produktive Aufgaben wahrnehmen kann, sparen wir sieben Stunden.“

Zwei UR5-Roboter arbeiten Hand in Hand

Den stationären und den mobilen UR5-Roboter Hand in Hand arbeiten zu lassen, hat zusätzlich dazu beigetragen, die Produktion von Task Force Tips zu optimieren: Sobald z. B. ein Rohteil auf einem eingehenden Förderband ankommt, identifiziert der erste UR5 mittels Bildverarbeitungssystem das Werkstück und nimmt es auf. Anschließend platziert er es in der ersten CNC-Maschine. Daraufhin entnimmt der UR5 an anderer Stelle ein halb fertiges Produkt, das bereits in der Drehmaschine bearbeitet wurde und übergibt es dem zweiten UR5. Dieser zweite Roboterarm platziert dieses Teil für die Weiterverarbeitung in einer zweiten Maschine, entnimmt das vollendete Werkstück und platziert es abschließend auf einem ausgehenden Förderband. Von dort legt ein Mitarbeiter die Teile auf eloxierten Regalen ab, womit der Arbeitsschritt abgeschlossen ist.

Laut Adam Hessling, Automatisierungsexperte bei Task Force Tips, sieht dieser Prozess beeindruckend aus, ist jedoch überraschend einfach zu programmieren: "Mein beruflicher Hintergrund liegt ausschließlich in der CNC-Programmierung. Doch bereits auf der Universal Robots Support Website habe ich eine Menge sehr guter Informationen erhalten und konnte schließlich unsere Zerspanungs-Zelle mit zwei UR-Robotern installieren, die nun ohne externe Hilfe die Schlauchkupplungen herstellt. Ein Grundverständnis für einfaches logisches Denken reicht aus, um unglaublich viel mit den Universal Robots umsetzen zu können.“

Skriptfreies Bildverarbeitungssystem für reibungslose Abläufe

Damit die Roboterarme reibungslos Hand in Hand arbeiten können, verwendet sowohl der Übergabeprozess der Roboter als auch das Bildverarbeitungssystem die sogenannten MODBUS Kommunikationsprotokoll-Verzeichnisse innerhalb der Robotersteuerung.

„Mittels MODBUS können wir die beiden Roboter sehr leicht miteinander kommunizieren lassen. Auf dem Touchscreen, der zusammen mit dem Roboter geliefert wird, haben wir einfach die Wegpunkte festgelegt, die von den Armen jeweils angefahren werden sollten. Die beiden Roboter bestätigen sich anschließend in gegenseitigem Wechsel, sodass sie sich auch dort befinden, wo sie sein sollen“, erklärt Hessling und beschreibt das Bildverarbeitungssystem detailliert: „Man kann schlichte Ein- und Ausgaben verwenden, wie auch bei einer normalen speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC) – oder man verwendet vorprogrammierte Werte aus dem Register. Nach diesem Prinzip lassen sich die Koordinaten für die Kamera einfach erstellen. MODBUS registriert selbstständig, wenn eine Ausgabe möglich ist. Wir „füttern“ die entsprechenden Koordinaten dann einfach in den MODBUS-Eingang in der Robotersteuerung, von der daraufhin die Wegpunkte zu den ausgabefertigen Teilen erstellt werden und die den Roboter dorthin führt. Ein Skript war für diese Programmierung gar nicht notwendig“, erklärt der Automationsexperte und hält das System für eine sehr einfache und saubere Lösung: „Die gesamte Kommunikation erfolgt über unser Netzwerk, nichts ist analog mit Kabeln verbunden.“

Krafterkennung identifiziert Produktmängel

Die kollaborierenden Roboterarme leisten aber auch einen unmittelbaren Beitrag zur Qualitätskontrolle. So registriert z. B. die Krafterkennung des UR5, wenn er ein unbearbeitetes Werkstück in die Zerspanungsmaschine legt, ob das Teil Unregelmäßigkeiten aufweist, nach dem Sägeschnitt entgratet wurde, oder ob Späne in den Spannbacken hängen.

„Schon beim Anfahren des Wegpunkts, der für die Ablage des Werkstücks vorgesehen ist, erkennt der Roboter, wenn etwas nicht stimmt oder ein Hindernis im Weg ist, das die einwirkende Kraft am Ende des Arms 50 Newton übersteigen lässt. Diese Grenze habe ich so festgelegt“, erklärt Hessling, der den Roboter dahingehend programmiert hat, dass er in diesem Fall mit einem Luftgebläse die hinderlichen Reste entfernt. In einem solchen Fall führt der Roboter das Werkstück mehrere Male durch das Gebläse. Sollte er immer noch nicht in der Lage sein, das Teil abzulegen, veranlasst er die CNC-Maschine, einen Backenreinigungsvorgang auszuführen. Dieser setzt das Hochdruck-Kühlungssystem der Maschine ein, um mögliche Reste von den Spannbacken des Schlauchventils zu entfernen.

Sollte das Werkstück nach der Kühlmittel-Wäsche weiterhin nicht geladen werden, erscheint ein Fenster auf dem Touchscreen des Roboters, das den Maschinenbediener auffordert, jegliche verbliebenen Reste von den Spannbacken zu entfernen und auf „Weiter“ zu drücken. Tritt das Problem weiter auf, erscheint wieder ein Fenster, das einen kompletten Maschinenstopp veranlasst. Der Bediener kann nun das Problem diagnostizieren, lösen und die Produktion neu starten.

„Ich schätze, dass der Roboter die Fehlermeldung „Laden fehlgeschlagen“ drei oder vier Mal pro Stunde selbst löst. Das hat uns deutlich dabei geholfen, Stillstandzeiten zu vermeiden. Der Maschinenbediener muss nur noch ca. einmal pro Schicht einschreiten – manchmal gar nicht mehr. Das ist kein Fehler von Seiten des Roboters, sondern der Beschaffenheit des Aluminiums geschuldet, das wir bearbeiten, und der Art von Spänen, die dabei entstehen“, erklärt Hessling.

Mensch und Roboter gemeinsam für gesteigerte Produktqualität

Die Freisetzung von Personal, das vor der Anschaffung der kollaborierenden UR-Roboter an die Maschinenbedienung gebunden war, hat bei Task Force Tips deutlich dazu beigetragen, die Produktqualität zu steigern.

„Da unsere Mitarbeiter nicht dauernd dadurch gebunden sind, eine Maschine durchgehend am Laufen zu halten, können sie ihre Zeit vermehrt darin investieren, die fertigen Teile visuell genau zu inspizieren. Unsere Teilequalität hat dank der UR-Roboter einen neuen Level erreicht. Gleichzeitig können unsere Mitarbeiter neue Ideen entwickeln und Verbesserungsvorschläge machen, um unsere Produktion noch weiter zu optimieren“, fasst Cory Mack zusammen. Und McMillan ergänzt: „Bei Besichtigungen habe ich unseren mobilen Roboter schon an ganz unterschiedlichen Stellen in der Werkstatt gesehen, die mich jedes Mal aufs Neue überrascht haben. Ich kann keine Grenzen erkennen, die eine Verwendung der Roboter einschränken würden.“

Zukünftige Anwendungen

Die nächste UR-Roboter-Anwendung bei Task Force Tips wird wahrscheinlich bei einer Entgratungsstation innerhalb der Fräszelle stattfinden. Cory Mack und sein Team testen eifrig mögliche Anwendungen: „Derzeit muss ein Mitarbeiter ein Werkstück immer und immer wieder per Hand mit Schleifvlies bearbeiten oder entgraten. Deshalb testen wir Konzepte, wie wir die Roboter zur Entgratung verwenden können. Außerdem befassen wir uns mit der Verpackung und dem Versand von Teilen und überlegen, den Roboter an unserer Laser-Maschine einzusetzen. Mit dem Preis eines Roboterarms von Universal Robots im Hinterkopf und wenn man weiß, dass man einen schnellen ROI daraus generieren kann, investiert man gerne in diese Dinge.“