Warum Roboterzellen stehen: Vereinzelung, Doppelteile, Fremdlicht und die Übergabe an die Steuerung

Roboterzellen werden über Genauigkeit spezifiziert und über Verfügbarkeit beurteilt. In den dokumentierten Projekten der Automobilfertigung stehen die Zellen, die nicht laufen, selten wegen der Auflösung oder der Wiederholgenauigkeit still. Sie stehen, weil zwei Teile statt einem aus dem Stapel kamen, weil das Nest nicht leer war, weil die Sonne über das Hallendach gewandert ist, weil Öl und Späne den Hintergrund verändert haben, oder weil vor der Bestellung niemand festgelegt hat, wer das Ergebnis der Aufnahme in Roboterkoordinaten umrechnet. Dieser Beitrag geht die Ursachen in der Reihenfolge durch, in der sie in der Zelle auftreten: Zuführung, Nest und Vorrichtung, Umgebung, Varianten, Schnittstelle und Verantwortung.

Wichtige Punkte im Überblick

Roboterzellen werden über Genauigkeit spezifiziert und über Verfügbarkeit beurteilt, und teuer ist nicht der gemeldete Stillstand, sondern der unbemerkte Fehler: ein mitgegriffenes zweites Teil, ein fälschlich als leer geführtes Nest oder ein falsches Programm, das ein gutes Ergebnis für das falsche Bauteil liefert.
Bei der Vereinzelung ist der Hebel unsymmetrisch, denn kommen zwei Verstärkungsgitter statt einem in den Aluminiumguss, ändert sich die Festigkeit und das Bauteil ist Ausschuss, während das doppelt gegriffene Teil selbst Cent kostet.
Weil diese Frage binär ist, gehört an diese Stelle ein digitales Signal an die Steuerung und kein Messwert, wofür bei einem Abstandssprung CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X mit einem Erfassungsbereich bis 250 mm die schlankere Lösung sind als eine Kamera.
Die Umgebung wirkt mit einer Zeitachse, weil die Zelle an einem Vormittag abgenommen wird und der Ausfall in der Nachtschicht oder im Sommer kommt, weshalb Filterfolie und Abschirmung, eine angepasste Belichtungszeit und ein bewusst untergelegter Hintergrund zur Zellenkonstruktion gehören und nicht zur Nachbesserung.
In der Zelle liegen zwei Verbindungen und nicht eine, eine zur Anlagensteuerung für Freigaben, Zustände und Programmnummern und eine zur Robotersteuerung für die Werte, mit denen der Roboter seine Bewegung ändert, und für die Verfügbarkeit zählt dabei weniger das Protokoll als der vereinbarte Ablauf aus Quittungsbetrieb, Verhalten ohne Ergebnis und Wiederanlauf nach einer Störung.

Nicht die Genauigkeit stoppt die Zelle

Verfügbarkeit ist eine andere Größe als Genauigkeit, und sie steht in keinem Datenblatt. Ein Lastenheft beschreibt den guten Fall: ein Teil, eine Lage, eine Beleuchtung. Der Stillstand entsteht im Randfall, und der Randfall ist fast immer eine einfache, binäre Frage, die die Zelle nie gestellt hat.

Dabei ist der Stillstand, den die Zelle bemerkt, der günstigere Fall. Sie meldet eine Störung, jemand greift ein, die Linie verliert Minuten. Teuer wird der Fall, den niemand bemerkt: ein zweites Teil, das mitgegriffen wurde, ein Nest, das als leer galt, ein falsches Programm, das ein gutes Ergebnis für das falsche Bauteil liefert. Diese Fehler verlassen die Zelle und fallen erst weiter hinten in der Prozesskette auf, wo ihre Korrektur ein Vielfaches kostet.

Ein Teil oder zwei: die teuerste billige Fehlerquelle

Die Vereinzelung ist die klassische Stelle. In einer dokumentierten Anwendung müssen Verstärkungsgitter einzeln vom Stapel, bevor sie in einen Aluminiumguss eingelegt werden; kommen zwei mit, ändert sich die Festigkeit des Gussteils, und das Bauteil ist Ausschuss. Der Hebel ist unsymmetrisch: Das doppelt gegriffene Teil kostet Cent, das Bauteil, das dadurch verloren geht, ein Vielfaches davon.

Die Antwort ist binär, und deshalb gehört an diese Stelle ein digitales Signal an die Steuerung und kein Messwert. Entscheidet ein Abstandssprung, sind CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X mit einem Erfassungsbereich bis 250 mm oder Allzweck-Lasersensoren der Modellreihe LR-T mit 60 bis 2000 mm beziehungsweise 60 bis 5000 mm je Variante die schlankere Lösung als eine Kamera. Entscheidet eine Höhenbeziehung zwischen zwei Flächen, passen bildbasierte Höhenvergleichssensoren der Modellreihe IX. Sind mehrere kleine Abfragepunkte nötig und soll die Auswertung in den Schaltschrank, sind digitale Lasersensoren der Modellreihe LV-N die übliche Bauform. Wo ein Kriterium je Teil genügt und das Gerät an der Zelle sitzt, reichen AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4.

Bei unregelmäßigen Teilen gibt es zusätzlich eine roboterspezifische Antwort: Das Teil wird im Greifer gedreht, bis die Abfrage ein stabiles Signal bekommt. Dieselbe Fehlerklasse entsteht, wenn eine tiefgezogene Zwischenlage am Bauteil haften bleibt und mit in die nächste Station wandert.

Nest, Vorrichtung und der Zustand, den der nächste Schritt voraussetzt

Die zweite Gruppe betrifft den Zustand, den der nächste Schritt voraussetzt. Ist das Nest leer, bevor abgelegt wird? Liegt genau ein Teil darin, und liegt es richtig herum? Ist der Greifer nach dem Werkzeugwechsel wirklich angedockt?

Der Aufwand dafür ist größer, als die Fragen klingen. Eine dokumentierte Zelle arbeitet mit bis zu zehn Abfragepunkten an drei Orten und rechnet mit fünf bis sechs Sekunden je Punkt. Diese Zeit gehört in die Taktrechnung und nicht in die Nachbetrachtung.

Die Umgebung setzt dabei die Gerätewahl. An einem Schweißnest werden die Geräte in dokumentierten Fällen mit rund 800 mm Abstand gesetzt, um sie aus dem Spritzerbereich zu halten. In Gießereizellen kommen Staub, Schmutz und Temperaturen unter 50 Grad hinzu, was empfindliche Optik ausschließt.

Ein Punkt taucht in dokumentierten Anwendungen so oft auf wie die Genauigkeit: der Schutz gegen unbeabsichtigtes Verstellen, sobald die Linie läuft. Ein Gerät, dessen Einstellung im Betrieb versehentlich veränderbar ist, erzeugt Störungen, deren Ursache später niemand mehr zuordnet.

Sonne über der Halle, Öl auf dem Band, Staub in der Gießerei

Die dritte Gruppe ist die Umgebung, und sie hat eine Zeitachse. Die Zelle wird an einem Vormittag abgenommen und läuft. Der Ausfall kommt in der Nachtschicht, im Sommer oder nach dem nächsten Wechsel des Vorprozesses, weil sich nicht das Bauteil geändert hat, sondern das Licht und der Hintergrund.

Direkte Sonneneinstrahlung durch ein Hallendach ist in diesen Projekten ein benannter Ausfallgrund. Dokumentiert sind drei Gegenmittel, die unterschiedlich weit greifen: Filterfolie und Abschirmung an der Aufnahmeposition, eine angepasste Belichtungszeit, und ein bewusst untergelegter Hintergrund dort, wo der Kontrast von sich aus fehlt, etwa Karton unter einer dunklen Zierleiste. Alle drei sind Bestandteile der Zellenkonstruktion und keine Nachbesserung.

Öl und Späne nach dem Schmieden oder Zerspanen wirken langsamer, aber in dieselbe Richtung: Der Hintergrund, von dem sich ein Grauwertbild abhebt, ist nach Wochen nicht mehr derselbe wie bei der Abnahme. Wo das absehbar ist, führt ein Aufnahmeverfahren, das den Hintergrund nicht braucht. 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 sind von Bandfarbe und Kontrast unabhängig; bei der Entnahme aus Behältern arbeitet 3D ROBOT VISION auf der Plattform der Modellreihe CV-X mit Streifenprojektion und wertet damit Geometrie statt Grauwertkontrast aus; ein in 90-Grad-Winkeln projiziertes Muster verringert zusätzlich den Einfluss von Reflexionen auf glänzenden Oberflächen.

Belastbar wird eine Aussage über Fremdlicht erst, wenn die Zelle einen vollständigen Schichtwechsel und einen Sonnenstand außerhalb der Mittagszeit gesehen hat.

Varianten und Programme: was eine Zelle wirklich tragen kann

Die vierte Ursache wirkt anders als die übrigen. Die Variantenzahl stoppt die Zelle nicht, sie verhindert, dass die Zelle je alle Teile trägt. In dokumentierten Projekten reichen die geplanten Variantenlisten von rund dreißig bis über fünfhundert. Das ist der häufigste Grund, warum ein zweidimensionales Verfahren im Projektverlauf verlassen wird: Nicht die Auflösung fehlt, sondern die Zeit, für jede Variante ein Modell einzulernen und über Jahre zu pflegen.

Zwei Stellschrauben gibt es. Die erste ist das Aufnahmeverfahren. Eine dreidimensionale Suche nach der Geometrie ist unempfindlicher gegen Farb- und Oberflächenwechsel als ein Grauwertmodell, und AI-Werkzeuge fangen Abweichungen auf, die nur das Erscheinungsbild betreffen. Die zweite ist die Programmverwaltung: AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 halten 32 Programme intern vor und 128 nur mit microSD-Karte und aktivierter Programmerweiterung; erfolgt die Umschaltung über externe Eingänge, bleibt es bei den All-In-One-Modellen bei 32.

Die Programmnummer kommt in stabilen Zellen von der Steuerung, weil sie den Typ ohnehin führt. Wird sie dagegen in der Zelle von Hand gewählt, ist der Typwechsel eine Bedienhandlung, und Bedienhandlungen fallen irgendwann aus.

Zwei Verbindungen, nicht eine: SPS und Robotersteuerung

In der Zelle liegen zwei Verbindungen, die im Lastenheft regelmäßig zu einer verschmelzen. Die eine geht zur Anlagensteuerung und trägt Freigaben, Zustände und Programmnummern. Die andere geht zur Robotersteuerung und trägt die Werte, mit denen der Roboter seine Bewegung ändert. Wer nur die erste ausschreibt, klärt die zweite bei der Inbetriebnahme.

Für die Verfügbarkeit zählt weniger das Protokoll als der vereinbarte Ablauf. Drei Punkte entscheiden. Erstens der Quittungsbetrieb: Wer bestätigt, dass ein Wert angekommen und gültig ist, und was geschieht bei Zeitüberschreitung? Zweitens der Fall ohne Ergebnis. Findet die Aufnahme kein greifbares Teil, ist das kein Fehler, sondern ein Zustand, für den die Zelle einen Plan braucht, etwa eine zweite Aufnahmeposition, das Ausschleusen des Behälters oder den Eingriff von Hand. Drittens der Wiederanlauf nach einer Störung: Die Zelle muss wissen, welcher Schritt zuletzt abgeschlossen war, sonst beginnt nach jedem Eingriff eine Suche.

Die Modellreihe VS unterstützt EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT, sodass der Werksstandard meist ohne Umsetzer erreichbar ist. Die Kalibrierung zwischen Kamera und Roboter bleibt davon unberührt und braucht eine eigene Zuständigkeit.

Eigenintegration oder Integrator: die Entscheidung vor der Bestellung

Am Ende steht eine organisatorische Entscheidung, die technisch aussieht. Werke, die ihre Instandhaltung selbst nachstellen lassen wollen, integrieren die Zelle selbst. Anlagenbauer, für die solche Systeme neues Gebiet sind, brauchen Unterstützung bei der Inbetriebnahme. Beides trägt, aber es muss vor der Bestellung entschieden sein, weil es die Wahl des Systems mitbestimmt.

Vier Zuständigkeiten gehören schriftlich festgelegt: wer das Ergebnis der Aufnahme verantwortet, wer es in Roboterkoordinaten umrechnet, wer den Roboter programmiert, und wer die Zelle nach einem Typwechsel oder einer Störung nachzieht. Steht dieselbe Zelle später an einem zweiten Standort, kommt die Erreichbarkeit des Supports als fünfte Frage hinzu.

Die Abnahme sollte zu dieser Entscheidung passen. Ein kurzer Versuch mit ausgewählten Mustern beantwortet die Frage nach der Verfügbarkeit nicht. Belastbar ist ein Lauf mit Originalteilen aller relevanten Varianten, über mehrere Schichten, in der Beleuchtungs- und Verschmutzungssituation der vorgesehenen Position und mit schriftlich festgehaltenem Ergebnis.

Häufige Fragen

F Warum stehen Roboterzellen häufiger wegen der Zuführung als wegen der Genauigkeit?

Weil Genauigkeit im guten Fall spezifiziert wird und der Stillstand im Randfall entsteht. In den dokumentierten Projekten sind die Ursachen binär und einfach: zwei Teile statt einem, ein nicht leeres Nest, ein verändertes Umgebungslicht, ein veränderter Hintergrund. Keine dieser Fragen wird durch eine feinere Auflösung beantwortet.

F Wie wird ein Doppelteil in einer Roboterzelle erkannt?

Über eine binäre Abfrage, die ein digitales Signal an die Steuerung gibt. Entscheidet ein Abstandssprung, genügen CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X bis 250 mm oder Lasersensoren der Modellreihe LR-T mit 60 bis 2000 mm beziehungsweise 60 bis 5000 mm je Variante. Entscheidet eine Höhenbeziehung, passen bildbasierte Höhenvergleichssensoren der Modellreihe IX; für ein Kriterium je Teil reichen AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4.

F Wie viel Taktzeit kosten Abfragen von Nest und Vorrichtung?

Mehr als meist eingeplant. In einer dokumentierten Zelle sind bis zu zehn Abfragepunkte an drei Orten vorgesehen, gerechnet mit fünf bis sechs Sekunden je Punkt. Diese Zeit gehört in die Taktrechnung, bevor der Roboter ausgewählt wird, weil sie sonst als Nacharbeit am fertigen Konzept erscheint.

F Was hilft gegen Fremdlicht in einer Roboterzelle?

Dokumentiert sind Filterfolie und Abschirmung an der Aufnahmeposition, eine angepasste Belichtungszeit und ein bewusst untergelegter Hintergrund, wo der Kontrast fehlt. Wo Öl, Späne und wechselnde Untergründe hinzukommen, hilft eher ein Aufnahmeverfahren, das den Hintergrund nicht braucht, etwa 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000.

F Warum scheitert ein zweidimensionales Verfahren an der Variantenzahl?

Weil der Pflegeaufwand mit jeder Variante wächst. Geplante Listen von rund dreißig bis über fünfhundert Varianten sind in diesen Projekten der häufigste Grund für den Wechsel auf eine dreidimensionale Suche nach der Geometrie, die gegen Farb- und Oberflächenwechsel unempfindlicher ist. Die Zahl der Prüfprogramme ist dabei die kleinere Hürde als das Einlernen und Pflegen der Modelle.

F Welche Verbindungen braucht eine Roboterzelle und wer verantwortet sie?

Zwei: eine zur Anlagensteuerung für Freigaben, Zustände und Programmnummern und eine zur Robotersteuerung für die Werte, die die Bewegung ändern. Die Modellreihe VS unterstützt dafür EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT. Festzulegen sind zusätzlich der Quittungsbetrieb, das Verhalten ohne Ergebnis, der Wiederanlauf nach einer Störung und die Zuständigkeit für Kalibrierung und Koordinatenumrechnung.

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