Prüfen am Roboter statt Prüfstation je Merkmal: Merkmale, Reichweite und Taktzeit in der Zelle verteilen

Ein Getriebegehäuse mit knapp dreißig Montagemerkmalen, ein Stoßfänger mit rund vierzig Clipsen, ein Zylinderkopf, der von allen Seiten gesehen werden muss, ein Qualitätstor mit etwa zwanzig Merkmalen am Fahrzeug: In der Automobilfertigung tragen Bauteile regelmäßig mehr Merkmale, als eine Zelle Stationen aufnehmen kann. Die Antwort darauf ist nicht mehr Stahl, sondern eine Bahn. Der Roboter wird zum Träger, der den Sensor nacheinander an die Merkmale führt, und aus dem Stationsproblem wird eine Rechenaufgabe: wie viele Merkmale, wie lang die Bahn, wie viele Roboter, ein Sensor oder mehrere, und was vom Takt übrig bleibt, wenn Anfahren, Ausschwingen und Handling abgezogen sind. Dieser Beitrag geht diese Rechnung Schritt für Schritt durch und benennt die Randbedingungen, die das Konzept in dokumentierten Projekten tatsächlich festlegen.

Wichtige Punkte im Überblick

Trägt ein Bauteil mehr Merkmale, als die Zelle Stationen aufnehmen kann, wandert der Aufwand vom Stahlbau in die Bahnplanung, wofür dokumentiert sind: knapp dreißig Montagemerkmale an einem Getriebe mit einer Kamera am Roboter, etwa vierzig Clipse über rund 1700 mm an einem Stoßfänger und rund zwanzig Merkmale am Fahrzeug an einem Qualitätstor.
Ob das Konzept in den Takt passt, entscheiden vier Größen: die Zahl der Merkmale, die Länge der Bahn zwischen ihnen, die Zeit je Punkt für Anfahren und Ausschwingen und die Aufnahmezeit, die dabei fast nie der größte Posten ist.
Zeit lässt sich auf zwei Wegen kaufen, die beide eine Gegenrechnung haben: zwei Roboter mit je einem Sensor halbieren die Bahn und verdoppeln Bauraum, Steuerungsaufwand und Kalibrierung, zwei Sensoren an einem Arm sparen den zweiten Roboter und laden Gewicht und Kabel an den Flansch.
Am Cobot-Arbeitsplatz ist die Traglast die harte Grenze, in einer dokumentierten Anwendung 12 kg für Sensor, Halterung, Kabel und Greifer zusammen, weshalb für ein einzelnes Merkmal an diesem Platz abgeschlossene Geräte wie AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 die passende Bauform sind, mit mindestens 50 mm Arbeitsabstand.
Nimmt die Zelle in der Bewegung auf, entfällt die Ausschwingzeit an jedem Punkt und die Bahngeschwindigkeit wird Teil der Messaufgabe, denn ein mitfahrender Profilsensor verlangt eine gleichmäßige Bewegung oder einen Geber und eine Einzelaufnahme eine Belichtungszeit, die die Restbewegung nicht verwischt.

Wenn das Bauteil mehr Merkmale hat als die Zelle Stationen

Der klassische Aufbau setzt je Merkmal eine feste Prüfposition. Das trägt, solange das Bauteil klein ist und die Merkmale dicht beieinanderliegen. Bei einem Getriebegehäuse, einem Stoßfängerträger oder einer Karosserie kippt die Rechnung: Die Merkmale verteilen sich über ein bis zwei Meter, jede feste Position braucht Bauraum, Halterung, Verkabelung und eine eigene Einstellung, und der Platz in der Zelle ist vor den Merkmalen zu Ende.

In dokumentierten Anwendungen wird deshalb umgekehrt vorgegangen. Eine Kamera am Roboter erfasst knapp dreißig Montagemerkmale an einem Getriebe. Ein Sensor fährt rund 1700 mm an einem Stoßfänger ab und kontrolliert etwa vierzig Clipse. An einem Qualitätstor deckt eine robotergeführte Kamera etwa zwanzig Merkmale am Fahrzeug ab. Der Aufwand wandert damit vom Stahlbau in die Bahnplanung, und die Kosten wandern von der Fläche in die Zeit.

Die Rechnung: Merkmale, Bahnlänge, Roboter und Restzeit im Takt

Vier Größen bestimmen, ob das Konzept in den Takt passt: die Zahl der Merkmale, die Länge der Bahn zwischen ihnen, die Zeit je Punkt für Anfahren und Ausschwingen und die eigentliche Aufnahmezeit. Die Aufnahmezeit ist dabei fast nie der größte Posten.

Die Größenordnung zeigt ein Fall aus der Anwendungspraxis. Bahnlängen von ein bis zwei Metern und eine geforderte Gesamtprüfzeit von rund zehn Sekunden lassen sich mit einem Roboter nicht darstellen; die Aufgabe wird auf zwei Roboter mit je einem Sensor aufgeteilt, und erst diese Teilung bringt die Zeit. An einer Endprüfstation mit Wendeeinrichtung oder Drehteller liegt das Budget dagegen bei 2,5 bis 3,5 Minuten für alle Seiten eines Bauteils, was ganz andere Konzepte zulässt.

Rechnen Sie diese vier Größen, bevor Sie den Sensor auswählen. Ein schnellerer Sensor verkürzt den kleinsten Posten. Eine kürzere Bahn, ein zweiter Roboter oder eine Aufnahme ohne Halt verkürzen den größten.

Ein Sensor auf zwei Robotern oder zwei Sensoren auf einem

Zeit lässt sich auf zwei Wegen kaufen, und beide haben eine Gegenrechnung. Zwei Roboter mit je einem Sensor halbieren die Bahn und verdoppeln Bauraum, Steuerungsaufwand und Kalibrierung. Zwei Sensoren an einem Arm sparen den zweiten Roboter, laden aber Gewicht und Kabel an den Flansch und verlangen, dass beide Blickrichtungen aus derselben Bahn bedient werden.

Die Sensorwahl folgt dem Kriterium. Steckt das Merkmal in einer Höhe oder einer Stufe, fährt ein Profilsensor mit: 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 nutzen die Bewegung von Roboter oder Linearachse direkt für den Scan, decken je nach Messkopf X-Felder von 7,0 bis 510 mm ab, liefern 3.200 Punkte je Profil und arbeiten mit Abtastraten bis 16 kHz bei einer Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm. Am Controller der Modellreihe XG-X lassen sich bis zu vier Köpfe und Kameras insgesamt betreiben.

Braucht die Station mehrere Ansichten oder mehrere Auflösungen, trägt High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller. Soll ein Gerät viele Programme halten und sein Ergebnis selbst an die Steuerung melden, sind All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS die einfachere Bauform.

Alle Seiten sehen: Wendeeinrichtung, Drehteller, zweite Aufnahme

Ein Zylinderkopf oder ein Gehäuse mit Merkmalen auf gegenüberliegenden Seiten ist mit einer Bahn nicht zu lösen. Drei mechanische Antworten stehen zur Verfügung, und jede kostet Takt und Fläche.

Die Wendeeinrichtung dreht das Bauteil zwischen zwei Aufnahmen und braucht dafür einen eigenen Platz. Der Drehteller verteilt die Aufnahmen auf mehrere Positionen, wodurch Prüfen und Handling parallel laufen. Das Umgreifen durch den Roboter selbst spart Mechanik, fügt der Toleranzkette aber einen Schritt hinzu, weil die Lage nach dem Umgreifen nicht mehr dieselbe ist wie davor.

An einer Endprüfstation mit mehreren Minuten Budget ist diese Wahl eine Komfortfrage. In einer verketteten Linie mit wenigen Sekunden je Teil entscheidet sie über das Layout und gehört deshalb in die erste Skizze, nicht in die Detailkonstruktion.

Cobot am Arbeitsplatz: Traglast, Abstand und Kabel

Am Cobot-Arbeitsplatz ist die Traglast die harte Grenze. In einer dokumentierten Anwendung liegt sie bei 12 kg, und in dieses Budget müssen Sensor, Halterung, Kabel und Greifer gemeinsam passen. Ein schweres Kamerasystem am Arm scheidet damit aus, bevor über Auflösung gesprochen wird.

Die zweite Größe ist der Arbeitsabstand. Dokumentierte Cobot-Anwendungen arbeiten mit 30 bis 100 mm Abstand und Bildfeldern von 30 bis 50 mm, also sehr nah am Bauteil. AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 arbeiten von 50 mm bis über 3 m und sind als abgeschlossenes Gerät für ein einzelnes Merkmal am Hand- oder Cobot-Arbeitsplatz die passende Bauform, sofern die Halterung mindestens 50 mm Abstand zum Merkmal lässt; je Programm stehen 65 Werkzeuge zur Verfügung, davon maximal 64 Prüfwerkzeuge.

Das Kabel wird regelmäßig unterschätzt. Es läuft über mehrere Achsen mit, muss die Schleppkette überstehen und darf die Bewegungsfreiheit am Handarbeitsplatz nicht einschränken.

Steht der Roboter still genug für die Aufnahme

Diese Frage wird in Anfragen gestellt und vor dem Versuch selten beantwortet. Zwei Wege sind möglich. Beim Halt an jedem Punkt kommt die Ausschwingzeit zur Bahnzeit hinzu, und zwar an jedem einzelnen der zwanzig oder vierzig Punkte. Bei der Aufnahme in der Bewegung entfällt sie, dafür wird die Bahngeschwindigkeit Teil der Messaufgabe.

Ein Profilsensor braucht dafür eine gleichmäßige Bewegung oder einen Geber, der den Vorschub liefert. Eine Einzelaufnahme mit Kamera braucht eine Belichtungszeit, die kurz genug ist, damit die Restbewegung das Bild nicht verwischt, und genau hier entscheidet die verfügbare Beleuchtung mit.

Messen Sie die Ausschwingzeit am vorgesehenen Roboter mit dem vorgesehenen Werkzeug. Sie hängt an Ausladung, Traglast am Flansch und Beschleunigung, und bei langer Bahn ist sie der Posten, der die Taktrechnung am häufigsten kippt.

Integration in die bestehende Zelle und die bestehende SPS

Viele dieser Zellen sind Nachrüstungen. Die Zelle steht, der Roboter steht, die Steuerung ist gesetzt, und der Sensor muss sich in beides einfügen. Das hat zwei Konsequenzen.

Die erste betrifft den Nachweis. In einem dokumentierten Fall war ein Parallelbetrieb zum Versuch ausgeschlossen, weil das System in die vorhandene Anlagensteuerung eingebunden werden musste. Der Machbarkeitsnachweis muss dann außerhalb der Linie an Originalteilen geführt werden, mit schriftlichem Ergebnis, bevor die Linie angefasst wird.

Die zweite betrifft die Anbindung. In deutschen Werken ist PROFINET der Normalfall; die Modellreihe VS unterstützt zusätzlich EtherNet/IP, PLC-Link und EtherCAT, sodass sich der Werksstandard ohne Umsetzer abbilden lässt. Dass die Verbindung zur Anlagensteuerung und die Verbindung zur Robotersteuerung zwei verschiedene Wege sind, ist eine eigene Frage der Zellenverfügbarkeit und gehört ebenso früh ins Lastenheft.

Wer stellt die Zelle nach dem Typwechsel neu ein

Nach der Inbetriebnahme entscheidet eine andere Frage über den Erfolg: Wer stellt die Zelle nach, wenn ein neuer Typ dazukommt? In dokumentierten Projekten wird genau das als Grund genannt, ein Konzept zu wählen, das die eigene Instandhaltung bedienen kann, und in Einzelfällen auch als Grund, auf eine externe Integration zu verzichten.

Daraus folgen drei Anforderungen an die Auslegung. Die Bedienoberfläche muss für Instandhaltungspersonal gedacht sein und nicht für den Programmierer der Erstinbetriebnahme. Die Programmliste braucht eine zuständige Person und eine Dokumentation, die den Typwechsel überlebt. Und die Zelle sollte kopierbar sein, weil dieselbe Aufgabe in diesen Projekten regelmäßig an einem zweiten Standort wieder auftaucht.

Die Wirtschaftlichkeit entscheidet sich an dieser Stelle mit. Eine Zelle, die nach jedem Typwechsel externe Unterstützung braucht, rechnet sich auch bei hoher Stückzahl langsamer als eine, die das Werk selbst nachzieht.

Häufige Fragen

F Wann lohnt sich ein Sensor am Roboter statt einer Prüfstation je Merkmal?

Sobald die Merkmale über mehr als etwa einen Meter verteilt sind oder ihre Zahl zweistellig wird. In dokumentierten Anwendungen erfasst eine robotergeführte Kamera knapp dreißig Montagemerkmale an einem Getriebe und etwa zwanzig Merkmale an einem Fahrzeug. Eine feste Position je Merkmal scheitert dann an Bauraum, Verkabelung und Einstellaufwand, nicht an der Technik der einzelnen Aufnahme.

F Wie schätzt man die Prüfzeit einer robotergeführten Zelle ab?

Über vier Posten: Zahl der Merkmale, Bahnlänge zwischen ihnen, Anfahr- und Ausschwingzeit je Punkt und Aufnahmezeit. Die Aufnahmezeit ist selten der größte Anteil. In einem dokumentierten Fall erzwingen ein bis zwei Meter Bahn bei rund zehn Sekunden Gesamtprüfzeit die Aufteilung auf zwei Roboter.

F Zwei Roboter mit je einem Sensor oder zwei Sensoren an einem Roboter?

Zwei Roboter halbieren die Bahn und kosten Bauraum, Steuerungsaufwand und eine zweite Kalibrierung. Zwei Sensoren an einem Arm sparen den Roboter, belasten aber Traglast und Kabelführung und funktionieren nur, wenn beide Blickrichtungen aus derselben Bahn erreichbar sind. Die Bahnlänge entscheidet, nicht der Preis der Sensoren.

F Was begrenzt die Sensorwahl an einem Cobot?

Die Traglast, in einer dokumentierten Anwendung 12 kg für Sensor, Halterung, Kabel und Greifer zusammen, und der geringe Arbeitsabstand von 30 bis 100 mm bei Bildfeldern von 30 bis 50 mm. AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 arbeiten ab 50 mm und bis über 3 m Arbeitsabstand und sind als abgeschlossenes Gerät für ein einzelnes Merkmal an diesem Platz ausgelegt, wenn die Halterung mindestens 50 mm Abstand lässt.

F Muss der Roboter für jede Aufnahme anhalten?

Nicht zwingend. Fährt ein Profilsensor mit, wird die Bewegung selbst für den Scan genutzt, verlangt dann aber eine gleichmäßige Geschwindigkeit oder einen Geber. Bei einer Einzelaufnahme mit Kamera entscheidet die Belichtungszeit gegen die Restbewegung. Wer anhält, rechnet die Ausschwingzeit an jedem Punkt mit, und sie ist bei vielen Punkten der größte Posten im Takt.

F Was ist bei der Nachrüstung in eine bestehende Zelle zu klären?

Ob ein Versuch parallel zur laufenden Anlage überhaupt möglich ist, welcher Feldbus im Werk gilt und wer die Zelle nach einem Typwechsel nachstellt. In einem dokumentierten Fall war der Parallelbetrieb ausgeschlossen, weil das System in die Anlagensteuerung eingebunden werden musste; der Nachweis lief deshalb außerhalb der Linie an Originalteilen mit schriftlichem Ergebnis.

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