Roboter in der Werkzeugmaschine Roboter verdienen sich ihren Platz in der Werkzeugmaschine

Autor / Redakteur: Victoria Sonnenberg / Mag. Victoria Sonnenberg

Der Roboter in der Werkzeugmaschine kann zu erheblichen Sprüngen sowohl in der Produktivität als auch in der Produktionsgenauigkeit führen. Wirkten bislang hohe Investitionskosten abschreckend auf den Anwender, lassen sie sich zunehmend von den Vorteilen der automatisierten Werkzeugmaschine überzeugen.

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Ein Kuka-Roboter aus der KR-Fortec-Serie verbindet vier Bearbeitungszentren beim Maschinenfabrikanten Merz.
Ein Kuka-Roboter aus der KR-Fortec-Serie verbindet vier Bearbeitungszentren beim Maschinenfabrikanten Merz.
(Bild: Kuka)

Die Nachricht, dass Roboter sich noch zahlreicher unter die Arbeiter mischen und in wenigen Jahren das Bild von Produktion mitbestimmen werden, dürfte seit dem letzten Welt-Roboter-Report nun jeden erreicht haben. Stets steigende Zahlen im zweistelligen Prozentbereich überraschen kaum noch, hat sich die Automation doch fest als zentraler Wettbewerbsfaktor einer jeden Produktion etabliert. Der Zeitraum zwischen 2015 und 2019 bringt das rasante Wachstum auf den Punkt: Laut IFR soll die Zahl der weltweit eingesetzten Industrieroboter bis 2019 auf etwa 2,9 Mio. Einheiten steigen – rund 1 Mio. Einheiten mehr als im Rekordjahr 2015.

Roboter als Automatisierungslösung

Nach der stets steigenden Präsenz von Industrierobotern, Servicerobotern, kollaborierenden und humanoiden Robotern erfreut sich nun auch der Roboter als direkte Automatisierungslösung in der und um die Werkzeugmaschine einer wachsenden Daseinsberechtigung. Obwohl die Automation der Werkzeugmaschine kein neues Feld ist, rückte sie unlängst auf der letzten AMB in geballter Form ins Rampenlicht. Mazak, Schuler, Vollmer, Trumpf, Matsuura, DMG – keine Unbekannten am Markt – integrieren die Automatisierung verstärkt ins eigene Portfolio.

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Woher das Bedürfnis nach mehr Automation kommt, bringt Dr.-Ing. Thomas Stehle, Oberingenieur am Stuttgarter Institut für Werkzeugmaschinen (IfW), auf den Punkt: „Schlussendlich steht hinter der Automatisierung der Wunsch oder besser die Forderung nach einer höheren Produktivität beziehungsweise Wirtschaftlichkeit der Fertigungsprozesse. Aber auch technologische Vorteile sind zu nennen, wie zum Beispiel das Erreichen höherer Bearbeitungsgenauigkeiten, Reduzierung der Haupt- und vor allem der Nebenzeiten oder Erhöhung der Maschinensicherheit.“

Dieser Anspruch steht allerdings nicht erst seit der letzten AMB auf den Wunschlisten der Anwender – im Gegenteil, daher macht die starke Präsenz beinahe stutzig, ob der zunehmende Fokus auf die Automation der Werkzeugmaschine nicht längst überfällig war.

„Werkzeugmaschinen werden seit Jahrzehnten kontinuierlich verbessert und die Produktivität steigt stetig an. Schon seit mehreren Jahren ist dieser Produktivitätszuwachs jedoch nur noch eingeschränkt nutzbar, da angrenzende Prozesse, wie das Entladen und die Logistik, nicht in ähnlichem Tempo mitgewachsen sind. Die Automatisierung des Entladens von Werkzeugmaschinen und der Werkstücktransport sind eigentlich damit ein logischer, überfälliger Schritt, um die Gesamtproduktivität zu erhöhen“, beschreibt Ulrich Schneider, Projektleiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, die Entwicklungsdiskrepanz zwischen der Werkzeugmaschine und ihrer Umgebung.

Ein Unternehmen, dessen stark angestiegene Anfragen aus dem Markt den Trend zur automatisierten Werkzeugmaschine bestätigt, ist Kuka, Anbieter von Robotik sowie Anlagen- und Systemtechnik. „Kuka wächst im Bereich der Werkzeugmaschinenautomatisierung seit mehreren Jahren mit 50 % jedes Jahr und dabei stehen wir erst am Anfang. In vielen Fertigungsschritten stecken noch ungenutzte Reserven für Produktivitätssteigerung. Auch die Werkzeugmaschinenhersteller haben diesen Trend aufgegriffen und arbeiten verstärkt mit uns zusammen, um den Endkunden Komplettlösungen anbieten zu können“, sagt Andreas Schuhbauer, Marktsegmentmanager Machine Tool Automation bei der Kuka Roboter GmbH.

Kuka-Roboter in der Mazak Integrex

Den Trend bestätigend, präsentierte der Werkzeugmaschinenhersteller Mazak erstmals auf der AMB das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit Kuka. Diese resultierte aus dem Anspruch, seinen Kunden eine Gesamtlösung anbieten zu können, die optimal auf die Leistungsdaten der Mazak-Integrex-i-Serie zugeschnitten ist. Dabei beschäftigt sich Mazak bereits seit den 1970er-Jahren mit der automatisierten Fertigung und bietet zum Beispiel mit dem Palletech-System für Bearbeitungszentren ein bereits etabliertes Automationssystem an. Bei der neuen automatisierten Lösung lieferte Kuka für die Mazak-Integrex-i-Serie die Hardware und in der Mazak-eigenen Engineeringabteilung entstand sowohl das Programm als auch die Schnittstellen- und Ablaufprogrammierung.

„Das Besondere an der Integrex-Lösung mit Roboter liegt in der außergewöhnlichen Flexibilität. Die Integrex-Maschinenserie ist mit ihrer Done-in-one-­Bearbeitung zur Fertigbearbeitung von Werkstücken schon für sich alleine sehr flexibel und eignet sich mit ihrer hohen Qualität auch für kleine Losgrößen sehr gut für die heutigen Fertigungsanforderungen. Wir sehen hier ein deutliches Wachstumspotenzial und haben mit der in Deutschland neu gegründeten Engineeringabteilung in 2015 unsere Kapazitäten für solche Lösungen deutlich ausgebaut“, erläutert Johannes Burkart, Manager Marketing der Yamazaki Mazak Deutschland GmbH. Durch die Verbindung der Mazak-Werkzeugmaschine mit dem Roboter entsteht ein Gesamtpaket, da der Roboter nicht nur das Werkstück-, sondern auch das erweiterte Werkzeughandling übernimmt. Des Weiteren können in der Zelle diverse Sonderfunktionen installiert werden, wie beispielsweise ein optisches oder Lasermesssystem oder eine Entgratstation.

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Eine Frage der Automatisierung war aber auch immer schon eine Frage der Kosten. „Natürlich können sich die Investitionskosten durch eine Roboterzelle für eine Werkzeugmaschine verdoppeln, was viele Endanwender bisher oft davon abgehalten hat, in Automatisierung zu investieren. Aber die Anforderungen des Marktes unter anderem nach kürzeren Lieferzeiten und niedrigeren Losgrößen in der Kombination mit den steigenden Lohn- und Logistikkosten überzeugen immer mehr Kunden von der Notwendigkeit der Automatisierung. Und die Amortisationszeit durch eine höhere Auslastung der Maschine liegt häufig bei unter zwei Jahren“, leistet Schuhbauer von Kuka Überzeugungsarbeit für Unentschlossene. Weiter führt er an: „Selbst bei einem umfangreichen Teilespektrum lohnt sich der Einsatz eines Roboters. Denn er kann die Nebenzeiten effektiv nutzen und Arbeiten wie Bohren, Bürsten und Entgraten durchführen, um damit die Bauteilqualität gegenüber manueller Bearbeitung zu erhöhen, die Ausbringung der Maschine zu steigern, indem ihr der Roboter Arbeiten abnimmt, und dadurch die Amortisationszeit zu verkürzen, teilweise auf unter ein Jahr.“ Kuka gehört dabei zu den wenigen Unternehmen, die sowohl vom eigenen Know-how über die Robotik als auch über die Anlagen- und Systemtechnik profitieren. Die enge Zusammenarbeit innerhalb des Unternehmens verdeutlicht ein Beispiel aus dem Bereich Machine Tool Automation, bei dem ein Flexfellow von Kuka Systems und ein LBR iiwa von Kuka Robotics eine Reibschweißmaschine von Kuka Industries be- und entladen.

Fehlende Softwareschnittstellen

Wie bei allen Zusammenführungen stellt auch die automatisierte Werkzeugmaschine die Frage nach den passenden Schnittstellen. „Das wohl größte Hindernis für die Automatisierung von Werkzeugmaschinen ist die Anbindung von bestehenden Maschinen. Das Nachrüsten von Automatisierungslösungen an bestehende Werkzeugmaschinen scheitert häufig an fehlenden Softwareschnittstellen und den Kosten für spezifische Anpassungen. Insbesondere in der Blechfertigung sind Werkzeugmaschinen sehr langlebig und Bestandsmaschinen im Gegensatz zu Werkzeugmaschinen mit aktuellen Technologien eher die Regel als die Ausnahme. Schnittstellen stellen im allgemeinen eine Hürde beim Markteintritt dar. Sowohl beim Daten- als auch beim Materialfluss fehlen Standards, die Automatisierungslösungen die breite Anwendung ohne spezifische Anpassungen ermöglichen würden“, hält Schneider vom Fraunhofer-IPA fest.

Dass ein Roboter an eine Werkzeugmaschine angeschlossen wird, lag beim Japaner Fanuc irgendwie nahe, weshalb bereits entsprechende standardisierte und erprobte Schnittstellen eingerichtet wurden. Der Hersteller von CNC-Systemen, Robotern und Produktionsmaschinen präsentiert sich daher erfolgreich als Partner der gesamten Fabrikautomation.

Dabei funktioniert die Verbindung zwischen einer Fanuc-CNC und einem Fanuc-Roboter am einfachsten via IO-Link. Dazu gibt es sichere Steckverbindungen, über die sich auch weitere Maschinen ankoppeln lassen. Über einen derart hergestellten Verbund zwischen Roboter und Werkzeugmaschine lässt sich von der Bedienoberfläche der CNC der Zustand des Roboters abfragen und auch umgekehrt: Denn „Easy Connection“ lässt auch die Abfrage von CNC-Daten über die Robotersteuerung via Handbediengerät i-Pendant zu. Der Austausch von I/O-Signalen geschieht über einen IO-Link, der Datentransfer über Ethernet, eine sinnvolle Verbindung für einfache Kombinationen, wie zum Beispiel eines Roboters mit einer Werkzeugmaschine.

Seit kurzem verfügen Fanuc-Roboter auch über eine FL-Net- und eine Ethernet-Schnittstelle, sodass die Einbindung in ein übergeordnetes Netzwerk problemlos funktioniert. Dies ist besonders für größere Anlagen interessant, bei denen mehrere CNC und Roboter miteinander kommunizieren.

Um die Bedienung des Systems Werkzeugmaschine und Roboter noch einfacher zu gestalten, hat Fanuc die Funktion Robot Connection entwickelt. Ist der Roboter im System eingerichtet, kann der Maschinenbediener mit dieser Funktion in der CNC-Steuerung ein Menü aufrufen, das ihm alle wichtigen Informationen zum Zustand des Roboters liefert, wie zum Beispiel Wartungsaufgaben oder Alarme. Er kann auch Programme auswählen, laden und den Roboter ansteuern, ohne die separate Robotersteuerung direkt bedienen zu müssen.

Neben den passenden Schnittstellen steht bei der Automation der Werkzeugmaschine die perfekte Abstimmung aller beteiligten Komponenten im Vordergrund. Bereits seit den 80er-Jahren befasst sich der Werkzeugmaschinenhersteller Vollmer mit genau dieser Abstimmung von automatisierten Maschinen.

Die Robotersysteme seiner ND-Reihe sind seit rund 20 Jahren im Einsatz und über diese Beladesysteme soll der Anwender nicht nur seine Effizienz steigern, sondern zudem auch auf Themen wie den aktuellen Fachkräftemangel reagieren können. Vollmer stellte mit der Vgrind 360 auf der letzten AMB eine neue Lösung zur automatisierten Werkzeugmaschine vor. „Bei Vollmer sind Entwicklungen stark an den Dialog mit unseren Kunden gekoppelt. Impulse zur Automatisierung der Vgrind 360 kamen aus solchen Gesprächen, die wir dann mit unseren technologischen Erfahrungen gepaart haben. Mit der Vgrind 360 können Werkzeughersteller nun auf die steigende Nachfrage nach Hartmetallwerkzeugen reagieren und rund um die Uhr hohe Stückzahlen fertigen“, sagt Dr.-Ing. Stefan Brand, Geschäftsführer der Vollmer-Gruppe. Für die einfache Bedienung, die präzisen Anfahrtswege und stabilen Arretierungen für die Werkzeugbearbeitung bringt der Hersteller seine Erfahrung von seinen Erodiermaschinen mit ein, bei denen die Abstimmungen exakt bis auf den Mikrometer genau sein müssen. Diese Technologie wurde direkt in die Entwicklung der Werkzeugmaschine Vgrind 360 integriert.

Automatisierung entlastet Fachkräfte

Ein Ergebnis seiner langjährigen Erfahrungen im Bereich der Automatisierung präsentierte auch Schuler auf der AMB. Als Erweiterung zu den Ladesystemen Load Master stellte das Unternehmen den Load Master Assist vor. „Je höher der Automatisierungsgrad, desto höher die Produktivität – das gilt insbesondere auch für Werkzeugmaschinen, für deren Verkettung wir die Ladesysteme Load Master entwickelt haben. Die Roboterzelle Load Master Assist übernimmt als Erweiterung für diese Paletten- beziehungsweise Warenträger-Ladesysteme Aufgaben, die bisher den Anlagenbedienern vorbehalten waren“, sagt Alexander Hergl, Produktmanager Schuler. Dadurch werden Fachkräfte entlastet, die sich so anderen Aufgaben widmen können.

Auch Trumpf hat das Thema Automatisierung von Werkzeugmaschinen als zukunftsweisend identifiziert und das Fraunhofer-IPA beauftragt, entsprechende Technologien und Konzepte in Kooperation zu entwickeln. „Ziel der Entwicklungen ist die vollautomatische Anbindung von Werkzeugmaschinen in den Informations- und Materialfluss. Um allerdings dem heterogenen Umfeld in der Blechfertigung Lösungen zur Verfügung stellen zu können, untersuchen Trumpf und das Fraunhofer-IPA auch teilautomatisierte Übergangslösungen, in denen der Mensch bei seinen Tätigkeiten durch informatorische Anbindung unterstützt wird und bestehende Prozesse auch ohne kostenintensive Automatisierungstechnologien verbessert werden können“, sagt Schneider vom IPA. Die Kooperation ist auf einen Zeitraum von fünf Jahren angelegt. Neben der direkten Kooperation werden Synergien auch im Rahmen von öffentlich geförderten Forschungsprojekten gesucht. Auch am IfW bearbeitet man unter anderem den Bereich der automatisierten Werkzeugmaschine – sowohl auf der Grundlagenseite als auch in direkter Zusammenarbeit mit Industriepartnern, wie den Werkzeugmaschinen- und Roboterherstellern, den Anbietern von Handlinggeräten sowie den Maschinenanwendern. Während die passenden Schnittstellen und höheren Investitionskosten auf den ersten Blick als größte Hürden ausgemacht werden, sieht sich Schuhbauer von Kuka auch anderen Hindernissen gegenüber: „Die größte Herausforderung liegt in der Abstimmung zwischen den Projektpartnern. Oft ist am Anfang des Projektes noch nicht final klar, was genau gemacht werden muss, und am Ende des Projektes ist dann nicht mehr viel Zeit für die Fertigstellung und den Test der Anlage.“

Anwender von den Vorteilen überzeugen

Um seine Projektpartner dahingehend zu entlasten, hat sich Kuka im VDW-Arbeitskreis an der Spezifizierung einer universellen Schnittstelle beteiligt. Auch Kuka-eigene Pakete, wie beispielsweise das Paket ready2grip, sollen dem Anwender mehr Zeit verschaffen, indem der Integrator bei Kuka den Roboter direkt mit einem Greifer bestellen kann, der bei Anlieferung bereits voll einsatzfähig ist. Diese vorausschauende Unterstützung des Anwenders aufgrund der Komplexität, die mit der Automatisierung einhergeht, wird ein überzeugendes Argument für die Entscheidung zur automatisierten Werkzeugmaschine liefern.

„Aufgrund der Hürden liegt meines Erachtens aktuell die Handlungsnotwendigkeit eher bei den Maschinen- und Roboterherstellern, die Anwender (vor allem im Bereich der kleineren und mittleren Stückzahlen) von den Vorteilen der ,automatisierten Werkzeugmaschine' mit einem angepassten Automatisierungsgrad zu überzeugen“, fasst Stehle vom IfW zusammen. Überzeugend ist auch die Tatsache, dass sich Anwender mit der automatisierten Werkzeugmaschine dem ebenfalls die Zukunft bestimmenden Phänomen von Industrie 4.0 nähern. „Automatisierungslösungen lassen sich nicht nur immer schneller, flexibler und wirtschaftlicher in Maschinen integrieren, sondern auch digital vernetzen. Hier sehen wir Potenzial für Maschinen, die sich nach der Vision von Industrie 4.0 aktiv an der Produktionsplanung beteiligen. Dank kognitiver Systeme könnte ein ,mitdenkender' Roboter den Horizont einer Maschine erweitern – aber das ist noch Zukunftsmusik“, schließt Brand von Vollmer. MM

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