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Produktionssteigerung dank flexibler Roboter-Komplettlösung

Zehnmann-Betrieb Fries Maschinenbau optimiert Hartdrehprozess mit Leichtbauroboter von Universal Robots

Innovationen sind für Unternehmen unumgänglich, um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben. Das gilt auch für deren Produktionsabläufe. Diese sind oft entscheidend dafür, wie flexibel Herausforderungen wie Kostendruck oder Just-in-Time-Lieferungen behandelt werden. Grund genug, für den Dreh- und Frästeile-Zulieferer Fries Maschinenbau, ein klassisches KMU, seine Prozesse innovativer zu gestalten: Mit Hilfe einer Komplettlösung, deren Herzstück ein Leichtbauroboter des dänischen Herstellers Universal Robots ist, hat der Zehnmann-Betrieb die Bestückung einer CNC-Maschine automatisiert und sorgt damit für eine erhebliche Produktionssteigerung.

1994 gegründet, fertigt die Firma Fries Maschinenbau als klassischer Zulieferer Dreh- und Frästeile für die Industrie. Das inhabergeführte Unternehmen produziert neben Standardteilen auch Sonderanfertigungen und Einzelteile nach individuellem Kundenwunsch. Die zehn Mitarbeiter sind an den 15 Dreh- und Fräscentern am Produktionsstandort in Meitingen bei Augsburg tätig und dort sowohl für die Bestückung als auch für die Qualitätskontrolle zuständig.

Um dem im hartumkämpften Zuliefergeschäft stets steigenden Kostendruck entgegenzukommen, ist Firmengründer Anton Fries seit jeher darum bemüht, seine Produktionsmethoden immer effizienter und Arbeitsprozesse für seine Mitarbeiter angenehmer zu gestalten. An einen bestimmten Prozess dachte er dabei schon länger: Die Bestückung einer CNC-Maschine. Diese erfolgte bisher manuell in einer kurzen Taktzeit von 25 – 45 Sekunden mit variierenden Stückzahlen.

„Als Inhaber eines kleinen Unternehmens ist mir bewusst, dass ich nur durch innovative Methoden langfristig mit meinen Mitbewerben mithalten kann. Die Bestückung der CNC-Maschine ist eine sehr monotone Aufgabe, für die mir die wertvolle Arbeitskraft meiner Mitarbeiter eigentlich zu schade ist. Zudem war es mein Ziel, die Produktivität zu steigern. So entstand die Idee, diesen Vorgang mithilfe eines Roboters zu automatisieren“, erklärt Anton Fries, Inhaber und Geschäftsführer der Fries Maschinenbau GmbH.

Robotertechnik für Klein und Groß

Systemintegrator Klaus Volland von der INEX Werkzeugmaschinen GmbH hatte die passende Lösung parat: Einen sechsachsigen Leichtbauroboter des dänischen Herstellers Universal Robots. Die Modelle UR5 und UR10 wiegen nur 18 bzw. 28 Kilogramm und verfügen über eine Reichweite von 85 bzw. 110 Zentimetern sowie eine Hebekraft von fünf bzw. zehn Kilogramm. „Ein wesentlicher Vorteil ist der integrierte Sicherheitsmodus der Roboter. Denn damit dürfen sie je nach Anwendung und unter bestimmten Voraussetzungen ohne Schutzzaun in nächster Nähe zum Menschen arbeiten. Im Gegensatz zu großen Robotern eignen sich die ohnehin kleinen UR-Roboter daher auch sehr gut für den Einsatz in kleinen und mittleren Produktionen mit beschränkten Platzverhältnissen. Eine Risikoanalyse ist jedoch im Vorfeld unbedingt erforderlich“, erklärt Volland. Dank ihrer intuitiven Benutzerführung können zudem auch ungeübte Mitarbeiter die Roboter schnell bedienen.

Damit erfüllten die Leichtbauroboter bereits eine wesentliche Voraussetzung für Anton Fries. Für den gelernten Industriemeister und Betriebswirt des Handwerks war Robotertechnologie nämlich ein völlig neues Feld: „Roboter waren für mich bislang vor allem teuer und erforderten eine Menge Spezialwissen – einen Mitarbeiter mehrere Wochen auf Schulung zu schicken, um den Roboter bedienen zu können, hätte ich mir nicht leisten können“, sagt Fries.

Darüber hinaus sollte die Roboterlösung leicht transportabel sein, um in dem kleinen Betrieb an verschiedenen Maschinen eingesetzt werden zu können. Das Greifwerkzeug sollte so gestaltet sein, dass eine Vielzahl an Bauteilen aufgenommen werden kann: „Herr Volland und ich kamen zu dem Entschluss, dass eine vollfunktionstüchtige, kompakte Komplettanlage, in welche der Roboter integriert wird, die Lösung für all unsere Ansprüche darstellte“, erklärt Fries.

Drei Partner, eine Komplettlösung, viele Aufgaben

Gesagt, getan: Für die Entwicklung der Konstruktion holten die beiden Partner das Konstruktionsbüro JUKA mit an Bord, das die Gestaltung in CAD übernahm. Gleichzeitig testeten Systemintegrator Volland und Anwender Fries den Roboter auf seine verschiedenen Aufgaben hin und führten dafür unterschiedliche Vorversuche durch. Auf einer stabilen Gussplatte montiert, simulierten sie unterschiedliche Anwendungen. Dabei untersuchten die Techniker, wo etwa Rohteile aufgegriffen und abgelegt oder welche Maschinenrichtlinien beachtet werden müssen. Die Greifwerkzeuge wurden speziell entwickelt; die benötigten Bauteile stellt Anton Fries in der eigenen Produktion selbst her.

Knapp ein Jahr verging von der ersten Idee bis zur Installation der Anlage in der Produktionshalle im Mai 2013. Dort ist die nur Eurogitterbox große Komplettlösung „ROHAN“ seitdem im Einsatz. Zwei Vorratsschubladen mit Ladungstägern für die jeweils zu handelnden Werkstücke sind stabil auf einem Palettensystem befestigt. Darauf montiert ist der Roboterarm UR10 von Universal Robots, der wahlweise mit einem Einfach- oder Doppelgreifer mit integrierter Mikroventilinsel ausgestattet ist. So können die Werkstücke optimal angesteuert werden. Über ein Schnellwechselsystem können die Greiferbacken oder beispielsweise auch ein Parallelgreifer in wenigen Sekunden auf einen Dreibackengreifer umgerüstet werden. Elektroleitungen und Schläuche werden im Roboter verbaut und sind damit weniger verschleißanfällig als wenn sie außen angebracht werden.

„Die ROHAN ist eine steckerfertige, CE-konforme Komplettlösung, die sofort für verschiedene Einsatzgebiete, z.B. auch für Induktivhärtprozesse oder bei Montageaufgaben, in Betrieb genommen werden kann. Je nach Größe und Gewicht der zu bearbeitenden Roh- oder Fertigteile kann der Robotertyp UR5 oder der größere Bruder UR10 integriert werden“, erläutert Systemintegrator Volland.

Unkomplizierter Einsatz an mehreren Maschinen

Bei Fries Maschinenbau ist die Komplettlösung aktuell an einer CNC Maschine im Einsatz und handelt dort einen Hartdrehprozess. Der Roboter nimmt dabei zunächst mit einem Doppelgreifer Drehteile von den Ladungsträgern auf, fährt zu einer Umgreifstation, um in die richtige Position zu gelangen. Von dort aus fährt er geradeaus nach vorne in die CNC Maschine, deren Schiebehaube sich in diesem Moment automatisch öffnet, und spannt das Teil zwischen die Drehbankspitzen der Maschine. Anschießend fährt der Roboter wieder heraus, die Schiebehaube schließt sich. Dann holt sich der UR10 das nächste Drehteil von den Ladungsträgern und der Prozess beginnt erneut. Vor dem Einspannen des neuen Teils holt der Roboter das bereits bearbeitete Bauteil heraus und legt dann erst das neue ein. Alle sicherheitsrelevanten Befehle der CNC-Maschine werden dabei über den Roboter abgefragt und kommuniziert. Dasselbe gilt für die Greifer. „Der Roboter unterstützt uns so beim Bearbeiten von Stückzahlen zwischen 500 und 1.000 Teilen. Da der UR10 aber so einfach umzuprogrammieren ist und sehr effizient arbeitet, setzen wir ihn inzwischen auch bei sehr kleinen Serien von nur zirka 50 Stück ein“, erklärt Fries.

Der Clou: Die platzsparende und leichte Anlage kann innerhalb der Produktion in kürzester Zeit umgesetzt und so je nach Bedarf an mehreren Maschinen eingesetzt werden. Um auf ein unflexibles Schienensystem verzichten zu können, wurde die Anlage bodeneben konstruiert. Über ein spezielles Befestigungssystem kann die Maschine so mit einem 0-Punkt-Spannsystem am Boden schnell an- oder abmontiert werden. Zudem ist die Anlage spiegelbildlich aufgebaut. Das heißt, sie kann – je nachdem auf welcher Seite sich die Steuerungen der Drehmaschinen befinden – links- oder rechtsseitig aufgestellt werden. Auf diese Weise ist die volle Zugänglichkeit zur Einsatzmaschine gewährleistet. Vor Inbetriebnahme wird die Anlage einfach vor die jeweilige Maschine gesetzt – je nach Anwendung sorgt ein schwenkbares Schutzgitter für die notwendige Sicherheit.

Schnelle Amortisation bei dauerhafter Produktivitätssteigerung

„Meine Mitarbeiter sind begeistert von dem Roboterarm. Innerhalb weniger Stunden haben sie gelernt, diesen zu programmieren und zu bedienen“, freut sich Fries, der inzwischen darüber nachdenkt, weitere Roboter zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen anzuschaffen. „Der Mitarbeiter, der früher die CNC-Maschine bedient hat, kümmert sich heute um weitere Maschinen, ohne in Stress zu geraten. Außerdem kann er sich gänzlich auf die Qualitätskontrolle konzentrieren. “

Dank der Komplettanlage konnte Anton Fries zudem seine Produktivität steigern. In spätestens zwei Jahren haben sich damit die Kosten für die gesamte Anlage amortisiert. Wird die Maschine im Mehrschichtbetrieb eingesetzt und Stillstandzeiten reduziert, kann der Return on Investment bereits nach einem Dreivierteljahr erreicht werden.