Handarbeitsplatz, Cobot-Zelle oder verkettete Linie: Automatisierungsstufen in der Elektronikfertigung

Die Frage am Anfang eines Automatisierungsprojekts lautet selten, welcher Roboter es werden soll. Sie lautet, wie weit automatisiert wird. Wer diese Frage überspringt, plant entweder eine Linie für Stückzahlen, die es nicht gibt, oder klebt eine Kamera an einen Arbeitsplatz, der eigentlich verkettet gehört. Dieser Beitrag ordnet die drei Stufen, die sich in dokumentierten Elektronikprojekten wiederfinden, nennt die Zahlen, an denen die Entscheidung hängt, und beschreibt, wie sich die Sensorik mit jeder Stufe verändert. Am Ende stehen die Fälle, in denen Automatisieren nicht die Antwort war.

Wichtige Punkte im Überblick

  • In der Anwendungspraxis wird selten von Hand auf vollautomatisch umgestellt, die Projekte zeigen eine Leiter aus dem Handarbeitsplatz mit Prüfung, an dem eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS dem Werker antwortet statt ihn zu ersetzen, der Cobot-Zelle für einen abgegrenzten Griff und der verketteten Linie mit Werkstückträgern und Palettierung am Ende.
  • Vier Zahlen ordnen die Stufe ein, die Stückzahl von rund 200 Bauteilen am Tag an einem Prüfstand bis etwa 80.000 Teilen in der Woche auf einer Montagelinie, der Takt von 5 s je Station am Rundtisch bis 60 s je Werkstückträger, die Variantenzahl von zwei bis dreißig und die Kosten eines Fehlers.
  • Zwei Punkte werden bei Cobot-Zellen regelmäßig unterschätzt, der Takt, weil die geringere Bahngeschwindigkeit bei jedem Griff anfällt, und der Personenschutz, denn ob eine Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ist das Ergebnis einer Risikobeurteilung der konkreten Anwendung und keine Eigenschaft der Kinematik.
  • Mit der Verkettung wächst nicht nur die Zahl der Prüfstellen, es ändert sich ihre Rolle, weil jede Station der nächsten mitteilen muss, dass ihr Teil in Ordnung war, sonst pflanzt sich ein Fehler bis zum Träger fort.
  • Nicht jede Aufgabe verlangt die nächste Stufe, etwa an zwei kleinen Fertigungslinien, deren Stückzahl keine automatische Prüfung trägt, und an mehreren Handarbeitsplätzen, die absichtlich bestehen bleiben, während nur die Prüfung automatisiert wird.

Drei Stufen statt eines Sprungs: Handarbeitsplatz, Cobot, verkettete Linie

In der Anwendungspraxis wird selten von Hand auf vollautomatisch umgestellt. Die Projekte zeigen eine Leiter:

  • Handarbeitsplatz mit Prüfung. Der Werker legt ein, greift und montiert weiter wie bisher, eine Kamera oder ein Sensor antwortet ihm. Die Stufe kostet wenig und wirkt sofort auf die Fehlerquote.
  • Cobot-Zelle. Eine Kinematik übernimmt einen abgegrenzten Griff. Die Zelle ist beweglich genug, um zwischen ähnlichen Aufgaben umgesetzt zu werden.
  • Verkettete Linie. Werkstückträger oder Rundtisch verbinden mehrere Stationen, am Ende steht eine Palettierung. Hier zahlt sich Automatisierung durch Durchsatz aus, nicht durch Entlastung.

Jede Stufe hat ihren eigenen Bruchpunkt. Der Handarbeitsplatz begrenzt den Takt, die Cobot-Zelle die Wiederholrate, die verkettete Linie die Flexibilität.

Welche Zahlen die Stufe entscheiden: Stückzahl, Takt, Varianten

Vier Größen genügen für eine erste Einordnung, und alle vier stehen in dokumentierten Projekten als harte Zahlen im Lastenheft.

  • Stückzahl. Die Spanne reicht von rund 200 Bauteilen am Tag an einem Prüfstand bis zu etwa 80.000 Teilen in der Woche auf einer Montagelinie. Der Prüfstand rechtfertigt keine Verkettung, die Montagelinie erzwingt sie.
  • Takt. Dokumentiert sind 5 s je Station am Rundtisch, 8 s an einer Kontaktmontage, 10 s je Leiterplatte und 60 s je Werkstückträger mit sechs Baugruppen. Der Takt entscheidet, wie viel Prüfzeit überhaupt zur Verfügung steht.
  • Varianten. Die Stichprobe reicht von zwei Varianten an einem Handarbeitsplatz bis zu 30 Varianten an einer Linie, in einzelnen Fällen sind es sehr viele Leiterplattentypen. Ab einer gewissen Vielfalt wird der Einlernaufwand zum Auswahlkriterium und nicht die Auflösung.
  • Kosten eines Fehlers. Wo bisher nur jedes hundertste Bauteil von Hand gesichtet wird, ist der Sprung auf 100 % Prüfung oft das eigentliche Motiv, unabhängig von der Stückzahl.

Der Handarbeitsplatz mit Prüfung: kleiner Schritt, sofortige Wirkung

Die erste Stufe wird unterschätzt, weil sie nach wenig aussieht. In dokumentierten Anwendungen prüft an einem teilautomatisierten Handarbeitsplatz eine Station Anwesenheit und geometrisches Maß der Leiterplatte, mit einer Unterscheidungsgrenze um 1 mm und einem Arbeitsabstand, der bewusst groß gewählt wird, damit die Optik dem Werker nicht in die Hände fährt. An einem anderen Platz klärt eine Aufnahme über ein Bildfeld von rund 500 x 500 mm, ob alle Bohrungen im Nutzen vorhanden sind, bei etwa 0,5 mm Unterscheidungsgrenze und zwei Varianten.

Kein Roboter, keine Verkettung, keine Schnittstelle zur Linie. Für solche Plätze passt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS, weil Kamera, Optik und Auswertung in einem Gehäuse sitzen und der Platz keine Schaltschrankreserve hat. Lautet die Frage nur, ob ein Nest oder ein Ablageplatz belegt ist, sind CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X oder digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N günstiger als ein Bild. Wo ein dunkles Bauteil auf dunklem Grund liegt, hilft ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX weiter, der über die Höhe statt über den Kontrast entscheidet.

Die mobile Cobot-Zelle: eine Zelle für mehrere ähnliche Aufgaben

Die zweite Stufe ist attraktiv, weil sie nicht an eine Station gebunden bleibt. Der Gedanke aus der Anwendungspraxis lautet: Die einfachen, wiederkehrenden Tätigkeiten im Werk ähneln sich so stark, dass eine mobile Zelle mehrere davon abdecken kann, wenn Greifer und Programm gewechselt werden.

Ein dokumentiertes Beispiel aus der Elektronik dreht den üblichen Aufbau um. Statt die Messtechnik über das Bauteil zu fahren, hält ein Cobot die Baugruppe vor einen Sensor auf einer Linearachse. Geprüft wird die Höhe des Thermopastenauftrags auf Leiterplatten und Gehäusen, bei 5 s Takt und sechs Bauteilvarianten, weil der Dispenser die Paste gelegentlich vor sich herschiebt und dann Stellen ohne Auftrag bleiben. Das Teil bewegt sich zur Messung, nicht umgekehrt, und die Zelle bleibt damit umrüstbar.

Zwei Punkte werden bei Cobot-Zellen regelmäßig unterschätzt. Der erste ist der Takt, denn die geringere Bahngeschwindigkeit fällt bei jedem Griff an. Der zweite ist der Personenschutz. Ob eine Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung betrieben werden darf, ist das Ergebnis einer Risikobeurteilung der konkreten Anwendung und keine Eigenschaft der Kinematik. Wird abgesichert, übernehmen das Sicherheitsbauteile: der Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-R und der Kleine und robuste Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-V an Beschickungsöffnungen, der Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V für Boden- und Zugangsflächen und eine Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC, wenn die Zellenlogik ohnehin erneuert wird. Anwesenheit und Lage bleiben Aufgabe der Sensoren und Kameras der Zelle.

Werkstückträger und Rundtisch: die Linie verketten

Auf der dritten Stufe ändert sich die Rechnung. Ein dokumentiertes Linienlayout besteht aus drei Handlingzellen, von denen die erste zwei Kameras trägt und die beiden folgenden je eine. Ein anderes Projekt verteilt zwei Systeme auf jede von fünf Stationen. Eine Beschichtungslinie führt Leiterplatten auf Werkstückträgern mit sechs Baugruppen, bei 10 s je Leiterplatte und 60 s je Träger, und bekommt eine Kamera erst deshalb, weil die bisher von Hand eingelegten Platinen künftig ein vollautomatischer Palettierer übernimmt.

Mit der Verkettung wächst nicht nur die Zahl der Prüfstellen, es ändert sich ihre Rolle. Jede Station muss der nächsten mitteilen, dass ihr Teil in Ordnung war, sonst pflanzt sich ein Fehler bis zum Träger fort. Wo mehrere Kameras einer Zelle gemeinsam ausgewertet werden, trägt ein Controller der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras. Die vielen kleinen Ja-Nein-Fragen entlang des Trägers übernehmen AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4, auch mehrere je Zelle. Und sobald ein Ergebnis auf das richtige Teil gebucht werden soll, gehört ein AI-Codeleser der Modellreihe SR-X an den Träger, in mehreren Projekten direkt vor den Greifer.

Taktzeitbudget rechnen: wenn die Prüfzeit länger ist als der Takt

Das Taktbudget wird in den Projekten zu spät gerechnet, meist erst, wenn die Mechanik feststeht. Ein dokumentierter Fall macht den Konflikt sichtbar: 5 s Anlagentakt an einem Rundtisch gegen 7 s Prüfzeit der Kamera. Das ist kein Kameraproblem und lässt sich nicht schneller rechnen.

Das Budget besteht aus drei Posten, und jeder gehört einzeln geschätzt: Bewegung, Bildaufnahme, Auswertung samt Ergebnisrückgabe. Für den letzten Posten stehen in Lastenheften Vorgaben wie unter 500 ms. Wirksamer als jede Optimierung ist die Parallelisierung: Gibt das System ein Melde-Bit direkt nach dem Bildeinzug aus, läuft die Vorpositionierung des nächsten Teils bereits während der Rechenzeit. Passt es danach immer noch nicht, wird mechanisch gelöst, also mit einer zweiten Station, mit Prüfen während der Bewegung oder mit einem längeren Takt an genau dieser Stelle.

Zellenautonomie: eigener Controller, Programmwechsel und Variantenwechsel

„Jede Handlingzelle muss autark sein" steht so in einem dokumentierten Lastenheft, und dieselbe Forderung taucht an einer Prüfstation auf, die eigenständig an die Anlage angeschlossen wird. Autonomie heißt dort dreierlei. Erstens ein eigener Controller je Zelle statt eines geteilten, damit ein Stillstand nicht die Nachbarzelle mitnimmt. Zweitens ein Programmwechsel, der den Takt nicht anfasst, gefordert mit unter 50 ms. Drittens ein Umgang mit Varianten, der zur Linie passt: Eine dokumentierte Linie verzichtet bewusst auf den Programmwechsel und fährt alle Varianten in einem einzigen Programm.

Für die Bauform folgt daraus eine einfache Regel. Steht eine Station für sich, ist eine Kamera mit integrierter Auswertung die passende Wahl. Gehören mehrere Kameras zu einer Zelle und sollen gemeinsam kalibriert und gewechselt werden, gehört ein gemeinsamer Controller darunter.

Wann Automatisieren nicht die Antwort ist

Nicht jede Aufgabe verlangt die nächste Stufe, und auch das gehört zur Einordnung.

  • Auf den großen Fertigungslinien eines Werks läuft eine Kamerainspektion, auf den beiden kleinen Linien nicht, weil die Stückzahl dort keine automatische Prüfung trägt.
  • In einer anderen Anwendung ist statt des direkten Greifens aus dem Behälter eine zentrale Vereinzelungsstation vorgesehen, weil jede nachgelagerte Maschine ohnehin ein Tray erwartet. Die Zuführseite behandelt der Beitrag zum Zuführen und Vereinzeln.
  • Und mehrfach bleibt der Handarbeitsplatz absichtlich stehen. Der Prozess wird teilautomatisiert, die Prüfung übernimmt die Kamera, das Einlegen bleibt beim Werker.

Die Stufe entscheidet sich damit nicht an der Technik, sondern an Stückzahl, Takt und Variantenzahl. Wer diese drei Zahlen vor der ersten Anfrage sauber hat, bekommt ein Konzept, das zur Fertigung passt, und nicht eines, das die Fertigung an sich anpassen muss.

Häufige Fragen

F Ab welcher Stückzahl lohnt sich Automatisierung in der Elektronikfertigung?

A

Eine allgemeingültige Grenze gibt es nicht, aber die Spanne der Projekte gibt eine Orientierung. Ein Prüfstand mit rund 200 Bauteilen am Tag bleibt in dokumentierten Fällen manuell und bekommt höchstens eine Prüfung dazu, während eine Montagelinie mit etwa 80.000 Teilen in der Woche verkettet ausgelegt wird. Entscheidend ist neben der Stückzahl der Takt, den ein Handarbeitsplatz nicht halten kann.

F Was leistet ein Cobot-Arbeitsplatz, was eine feste Zelle nicht leistet?

A

Er bleibt umsetzbar. Der Reiz liegt in der Anwendungspraxis darin, mehrere ähnliche, einfache Tätigkeiten mit einer Zelle abzudecken, statt für jede eine eigene Anlage zu bauen. Dafür bezahlt man mit Taktzeit, weil die Bahngeschwindigkeit geringer ausfällt. Ob die Zelle ohne trennende Schutzeinrichtung laufen darf, klärt die Risikobeurteilung der konkreten Anwendung.

F Wie viel Zeit darf eine Kameraprüfung im Takt beanspruchen?

A

In dokumentierten Lastenheften stehen unter 500 ms für Bildeinzug, Auswertung und Ergebnisrückgabe sowie unter 50 ms für einen Programmwechsel. Diese Werte ergeben sich aus dem Takt der Anlage, nicht aus der Technik. Ein Melde-Bit direkt nach dem Bildeinzug erlaubt es, die Vorpositionierung parallel zur Auswertung laufen zu lassen und so Zeit zurückzugewinnen.

F Braucht jede Zelle einer verketteten Linie einen eigenen Controller?

A

Dokumentiert wird beides gefordert. Wo Autonomie im Lastenheft steht, bekommt jede Handlingzelle einen eigenen Controller, damit ein Stillstand die Nachbarzelle nicht mitnimmt. Wo mehrere Kameras einer Zelle zusammen kalibriert und gewechselt werden, spricht mehr für einen gemeinsamen Controller, an dem in dokumentierten Auslegungen bis zu acht Kameras hängen.

F Wie geht man mit vielen Leiterplattenvarianten um?

A

Über den Einlernaufwand, nicht über die Auflösung. In der Stichprobe reichen die Angaben von zwei Varianten an einem Handarbeitsplatz bis zu 30 an einer Linie. Ab dieser Größenordnung entscheidet, wie schnell eine neue Variante angelegt ist und wie sicher die Steuerung das richtige Programm wählt. Eine dokumentierte Linie umgeht das Problem, indem sie alle Varianten in einem einzigen Programm abbildet.

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