YuMi beschleunigt die Produktion von Frequenzumrichtern

Ein in den rechten Arm des Roboters integriertes Vision-System startet den Post-Test-Prozess, indem der Barcode auf dem Frequenzumrichter gescannt wird.

Frequenzumrichter von ABB kommen in industriellen und kommerziellen Anwendungen zum Einsatz, um die Produktivität und Energieeffizienz mechanischer Systeme zu verbessern, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Wurden vor Kurzem in den Vereinigten Staaten nur zehn Prozent der Elektromotoren durch Frequenzumrichter gesteuert, nimmt diese Zahl rapide zu. Demzufolge stellt das ABB-Werk für Antriebstechnik in New Berlin, Wisconsin, seit gut einem Jahr fast monatlich einen neuen Produktionsrekord auf. Angesichts steigender Produktionsanforderungen sollten Automatisierungslösungen das Fertigungspersonal bei der Montage von Frequenzumrichtern unterstützen.

„Dabei war es uns wichtig, dass sich die Lösung ohne Unterbrechung der Lieferkette implementieren lässt“, sagt Kyle Chadek, Leiter der Fertigungsabteilung im ABB-Werk New Berlin. Chadek und sein Team entschieden sich, die robotergestützte Automatisierung dort einzusetzen, wo die Frequenzumrichter nach abschließenden Funktionstests verarbeitet werden. Diese stets wiederkehrende, monotone, aber dennoch detailorientierte Aufgabe erforderte von einem Mitarbeiter, das Frequenzumrichtermodell aufzunehmen, 27 Schrauben auf einer Testplatine zu lösen und alle Testdaten zu protokollieren. Beim Lösen der Schrauben konnte es zu Beschädigungen der wiederverwendbaren Testplatinen kommen.

Zudem kam es regelmäßig zu Engpässen, da der Mitarbeiter mehrere Stationen gleichzeitig bedienen musste. Die Folge: Ein Produktstau an getesteten Umrichtern, die nur mit einiger Verzögerung zum nächsten Schritt in der Produktionslinie geschickt wurden. Mit Implementierung der Automatisierungslösung sollte zum einen der Warenfluss verbessert werden. Zum anderen sollte der Mitarbeiter dank der Entlastung in der Lage sein, weitere Aufgaben konzentrierter zu übernehmen.

Der linke Arm des Roboters ist mit einem intelligenten Atlas-Copco Micro Torque-Schraubendreher ausgestattet. Damit löst er jede der 27 Schrauben so weit, wie es für das Lösen von der Testplatine erforderlich ist.

Eine einfache Entscheidung

Da ABB selbst über eine renommierte Robotiksparte verfügt, konnte Chadek schnell mit der Planung beginnen. Nicht ganz so offensichtlich war die Wahl des Systemintegrators für die Zusammenarbeit bei der Systemauslegung, Installation und Inbetriebnahme. Nach Gesprächen mit mehreren empfohlenen Kandidaten wählte ABB IAS Inc. aus, einen erfahrenen und innovativen Integrator, der in unmittelbarer Nähe der Produktionsstätte ansässig ist.

Zusammen mit Mitgliedern des ABB-Robotik-Engineering-Teams starteten der Integrator IAS und das ABB-Antriebstechnik-Produktionsteam den Bewertungs- und Findungsprozess, um den idealen Roboter und die optimale Peripherieausrüstung zu bestimmen. Zunächst präferierte das Team einen klassischen, kleinen sechsachsigen Roboter. Platzbeschränkungen und die Notwendigkeit, dass der Roboter mehrere verschiedene Aufgaben bewältigen muss, veranlassten IAS allerdings dazu, den zweiarmigen kollaborativen Roboter YuMi® (Typ IRB 14000) zu empfehlen.

„Dank seiner Größe und Konstruktion passt der Zweiarm-YuMi perfekt in die Arbeitsumgebung“, betont der IAS-Projektleiter David Raschke. „Mit speziellen Werkzeugen für jeden Arm ist YuMi in der Lage, mehrere Aufgaben unabhängig voneinander auszuführen. Die Arme arbeiten aber auch zusammen, um komplexe Aufgaben noch schneller auszuführen. Diese Fähigkeit hat den Durchsatz des Systems erhöht und gleichzeitig die Programmierung durch den Wegfall von Werkzeugwechseln vereinfacht“, ergänzt er.

Die kollaborativen Roboter der YuMi-Familie von ABB sind schon von Werk aus auf Sicherheit für den Werker ausgelegt: YuMi kann bei bestimmten Anwendungen ohne weitere Schutzmaßnahmen direkt neben mit Menschen besetzten Arbeitsstationen eingesetzt werden. Der Arbeiter wiederum kann auf den Roboter zugreifen, ohne größere Sicherheitsvorkehrungen treffen zu müssen.

Zu YuMis Kooperationsmerkmalen gehört ein leichtes, stabiles Magnesiumskelett, das mit einer Kunststoffhülle überzogen ist, die wiederum eine weiche Polsterung umhüllt, um Stöße zu absorbieren. Wenn YuMi einen unerwarteten Aufprall spürt, etwa eine Kollision mit einem Mitarbeiter, unterbricht der Roboter seine Bewegung innerhalb von Millisekunden, um mögliche Verletzungen zu vermeiden. YuMi kann danach einfach und jederzeit wieder in Betrieb genommen werden.

Zusätzlich zu einem verbesserten Durchfluss durch die Teststation ermöglicht der Robotereinsatz, dass Mitarbeiter in einen anderen Bereich der Produktionslinie wechseln können, an dem sie stärker zur Produktivität beitragen.

Automatisierte Post-Test-Verarbeitung

Jeder ABB-Frequenzumrichter wird vor der Endmontage von Komponenten, die ihn für eine bestimmte Anwendung ausrüsten, einer Reihe von Tests unterzogen. Nach bestandener Prüfung führt ABB noch einen Belastungstest des Lüfters in einem beheizten Ofen durch. Sind alle Tests abgeschlossen, wird der Umrichter manuell aus dem Ofen entnommen, auf ein Förderband gelegt und dem YuMi-Roboter zugeführt. Sobald der Sensor auf dem Förderband den nächsten Umrichter aus der Warteschlange freigibt, sichert ihn ein Aktuator vor dem Roboter.

Ein in den rechten Arm des Roboters integriertes Vision-System startet den Post-Test-Prozess, indem der Barcode auf dem Frequenzumrichter gescannt wird. So wird die spezifische Einheit identifiziert, die Informationen aufgezeichnet und eine Schnittstelle mit der Testdatenbank hergestellt. Dabei wird geprüft, ob der Umrichter den Test bestanden hat. Der Scan bestimmt auch die Größe des Umrichters und teilt dem Roboter mit, wo er einen zweiten Scan starten soll. So lässt sich die Position der 27 Schrauben auf der Vorderseite des Umrichters identifizieren, die für jede der vier verschiedenen Rahmengrößen unterschiedlich konfiguriert sind.

Nachdem der Roboter die X- und Y-Position der Schrauben festgestellt hat, lockert der linke Arm, der mit einem intelligenten Atlas-Copco Micro Torque-Schraubendreher ausgestattet ist, jede der 27 Schrauben so weit, wie es für das Lösen von der Testplatine erforderlich ist. Ein Vakuumgreifer am rechten Arm nimmt daraufhin die Testplatine auf und legt sie auf ein Förderband, um sie bei einem anderen Frequenzumrichter wiederzuverwenden.

Basierend auf den Testergebnissen bestimmt eine SPS, wie weiter mit den Frequenzumrichtern verfahren wird. Die Frequenzumrichter, die den Test bestanden haben, werden an das endgültige Produktionsband gesendet. Frequenzumrichter, die den Test nicht bestanden haben, werden unter Beibehaltung der Testplatte über das Nachbearbeitungsförderband geleitet.

Automatisierter Post-Test-Prozess: Die Frequenzumrichter, die den Test bestanden haben, werden an das endgültige Produktionsband gesendet. Frequenzumrichter, die den Test nicht bestanden haben, werden unter Beibehaltung der Testplatte über das Nachbearbeitungsförderband geleitet.

Verbesserte Leistung

Von der Aufnahme bis zur Ausgabe dauert der gesamte Prozess zweieinhalb Minuten, vergleichbar mit dem Durchsatz des vorherigen manuellen Prozesses. Der große Vorteil des automatisierten Prozesses liegt dabei in der Systemkonsistenz. Zusätzlich zu einem verbesserten Durchfluss durch die Teststation ermöglicht der Robotereinsatz, dass Mitarbeiter in einen anderen Bereich der Produktionslinie wechseln können, an dem sie stärker zur Produktivität beitragen. Die automatisierte Schnittstelle mit der Testdatenbank ist zudem genauer als der manuelle Prozess, der anfällig für gelegentliche Aufzeichnungsfehler war.

Insgesamt haben Qualitätsverbesserungen zu weniger Ausschuss geführt. Durch das in YuMi integrierte Vision-System kann der Schraubendreher präzise in den Schraubenkopf greifen, so dass der andere Arm keine Führung zur Stabilisierung der Schrauben halten muss, wie es ursprünglich im System vorgesehen war. Das intelligente Werkzeug verfügt über eine Kraft-Drehmoment-Sensorik, die sicherstellt, dass der Roboter genau die Schraubendrehungen ausführt, die zum Lösen der Testplatine erforderlich sind. Zuvor gab es oft Probleme, da zu viel oder zu wenig Schrauben herausgedreht sowie die Testplatine und die Schreiben beschädigt wurden, was Verzögerungen verursachte. „Ein Jahr nach der Implementierung kann ich sagen, dass unser erster Ausflug in die Roboterautomatisierung ein Erfolg war. Die Teststation war eine problematische Stelle im Produktionsprozess, die wir nun ausmerzen konnten. Dank der Konsistenz von YuMi läuft die gesamte Produktionslinie jetzt reibungsloser“, resümiert Chadek.

Design für die Produktion

Chadek fügt hinzu, dass das Produktionsteam von ABB Antriebstechnik viel über fertigungsgerechtes Design gelernt hat, was bei der weiteren Roboterautomatisierung hilfreich sein wird. Die Rillen der anfänglichen Flachkopfschrauben des Klemmenblocks beispielsweise waren zu fest, als dass sie vom Roboter-Werkzeugeinsatz scharf angezogen werden konnten. Modifikationen am Schraubendreher selbst und die Einführung größerer Rillenschrauben trugen zur Prozessverfeinerung bei, so dass eine Führung des Schraubenbits nicht mehr erforderlich war. Dadurch verbesserte sich die Zykluszeit, ohne dass der Schraubarm warten musste, bis der andere Arm die Schraubenführung in Position gebracht hatte.

Bei der Einführung weiterer Frequenzumrichter wird das Konstruktionsteam darauf achten, die Konfigurationsvarianten von Klemmenleisten und anderen Komponentenhalterungen zu begrenzen, um die automatisierte Montage weiter zu erleichtern. „Wir prüfen aktiv die Bereiche, die für unsere nächste Runde der Automation die größten Auswirkungen haben werden. Mit dem Wissen, das wir aus dieser ersten Runde gewonnen haben, verfügen wir nun über die Erfahrung, das Vertrauen und den Enthusiasmus, um weiterzumachen“, sagt Kyle Chadek abschließend.