Cobot-Maschinenbedienung: So automatisieren Sie Ihre CNC Presse

Wenn Ihre CNC , Fräsmaschinen oder Pressen täglich stundenlang darauf warten, dass jemand Teile ein- und auslegt, bezahlen Sie qualifizierte Mitarbeiter dafür, eine Tür zu öffnen, ein Werkstück auszutauschen und einen Knopf zu drücken. Die Maschinenbedienung durch Cobots ist eine der schnellsten und risikoärmsten Möglichkeiten, diese Zeit zurückzugewinnen, und oft ist sie das allererste, was Hersteller automatisieren. Dieser Leitfaden erklärt Schritt für Schritt, wie das funktioniert, damit Sie eine Zelle planen können, die zuverlässig läuft und sich amortisiert.

Bei Fairino– das in den Benelux-Ländern von TMC Robotics vertrieben wird – stellen wir fest, dass die Maschinenbeschickung im Vergleich zu anderen Cobot-Anwendungen zu den Aufgaben mit den schnellsten Amortisationszeiten gehört. Nachfolgend finden Sie das Leitfaden, das wir bei unseren Kunden einsetzen – vom Zellenlayout über die Türschnittstelle bis hin zur Sicherheit.

Was versteht man unter der Maschinenbedienung durch Cobots?

Unter Maschinenbeschickung versteht man das Einlegen von Rohmaterial in eine Maschine und das Entnehmen des fertigen Teils nach Abschluss des Arbeitszyklus. Ein kollaborativer Roboter – auch Cobot genannt – übernimmt diese sich wiederholenden Pick-and-Place-Arbeiten, sodass Ihr Maschinenbediener mehrere Maschinen bedienen, die Qualität überwachen oder Einrichtungsarbeiten vornehmen kann, anstatt den ganzen Tag an einer einzigen Maschine zu stehen.

Der Vorteil liegt in den unbeaufsichtigten oder nur minimal beaufsichtigten Maschinenbetriebsstunden. Ein Cobot macht keine Pausen, verliert um 3 Uhr morgens nicht die Konzentration und führt jedes Teil auf genau dieselbe Weise dem Spannfutter oder der Matrize zu. Für einen Betrieb mit großer Produktvielfalt und geringen bis mittleren Stückzahlen ist dies der ideale Kompromiss: flexibel genug, um zwischen den Maschinen zu wechseln, und kostengünstig genug, um den Einsatz bereits an einem einzigen Engpass zu rechtfertigen.

Maschinenbediener neigen dazu, so vorzugehen:

• CNC und Fräsmaschinen – der klassische Einsatzbereich
• Hydraulische und mechanische Pressen sowie Abkantpressen
• Spritzgießmaschinen
• Schleif-, Entgratungs- und Prüfstationen
• Laserschneidmaschinen und Elektroerosionsmaschinen

Schritt 1: Entwerfen Sie das Zellenlayout

Eine gute Maschinenbedienung beginnt mit der Geometrie. Bevor Sie sich für einen Roboter entscheiden, skizzieren Sie, wo der Cobot im Verhältnis zur Maschinentür, zum Einlauf und zum Auslauf positioniert wird. Der Cobot muss das Spannfutter oder die Matrize, die ankommenden Rohlinge und den Auslauf der fertigen Teile erreichen können, ohne dabei an die Grenzen seines Bewegungsbereichs zu stoßen.

Ein paar Grundsätze, die später Ärger ersparen:

• Montieren Sie den Cobot so, dass er die Reichweite nutzt, nicht aus Bequemlichkeit. Mit einem Sockel oder einer Schiene für die siebte Achse lässt sich der Cobot so positionieren, dass sowohl die Maschine als auch der Werkstückpuffer in Reichweite sind. Entdecken Sie unsere Cobot-Sockel für eine stabile Montage.
• Halten Sie den Schwenkbereich der Tür frei. Der Arm und der Greifer dürfen die Tür, die Schutzvorrichtung oder eine Befestigung an keiner Stelle entlang der Bewegungsbahn berühren.
• Lassen Sie Platz für den Bediener. Da immer noch jemand Rohlinge nachlegt und fertige Teile entnimmt, sollten diese Pufferbereiche von außerhalb des Arbeitsraums erreichbar sein.

Schritt 2: Lösung der Teilaufgabe „Darstellung“

Die Hauptursache für eine unzuverlässige Bearbeitungszelle ist eine uneinheitliche Teilezuführung. Ein Cobot wiederholt eine einlernte Position mit hervorragender Genauigkeit, jedoch nur, wenn der Rohling in jedem Zyklus an derselben Stelle liegt. Wenn Ihre Rohteile in einem zufälligen Haufen ankommen, hat der Roboter nichts Beständiges, woran er greifen kann.

Möglichkeiten, Teile zuverlässig zu präsentieren:

• Feststehende Aufnahmeteller oder Nester. Maschinell gefräste Aussparungen, die jeden Rohling in einer festgelegten Position fixieren. Einfach, robust und die beliebteste Wahl.
• Schwerkraft- oder Indexförderer, die Teile zu einer festen Entnahmestelle befördern.
• Stapeln von Magazinen für flache, einheitliche Teile.
• Bildverarbeitung, wenn Teile wirklich nicht eingespannt werden können. Eine 2D- oder 3D-Kamera erkennt das Teil und korrigiert die Entnahme. Dies erhöht die Kosten und den Aufwand, daher sollten Sie diese Methode nur dann einsetzen, wenn es unbedingt notwendig ist.

Bei den meisten Erstprojekten ist eine gut konzipierte, mit Halterungen versehene Schale in puncto Kosten, Durchlaufzeit und Zuverlässigkeit der Sichtprüfung überlegen. Wenn die Teileanordnung stimmt, sind die Hälfte Ihrer Probleme bereits gelöst.

Schritt 3: Wählen Sie den richtigen Greifer aus

Der Greifer ist die Hand des Cobots, und die Maschinenbeschickung stellt hohe Anforderungen an ihn: heiße, ölige, schwere oder unhandliche Teile, manchmal sogar zwei gleichzeitig, um die Taktzeit zu verkürzen.

• Elektrische oder pneumatische Zweifinger-Greifer, deren Breite und Kraft programmierbar sind, eignen sich für die meisten gedrehten und gefrästen Teile.
• Vakuumgreifer eignen sich für flache, glatte Bleche oder Formteile.
• Doppelte Greifer. Durch zwei Greifer an einem Handgelenk – häufig über einen Doppelwerkzeugadapter – kann der Roboter mit einer Hand ein Fertigteil halten, während er mit der anderen ein Rohteil einlegt. Dadurch wird die Türöffnungszeit etwa halbiert, und dies ist der klassische Trick, um die Zykluszeit bei CNC zu verkürzen.

Berücksichtigen Sie das Gewicht des Greifers bei der Dimensionierung des Roboters in Ihrem Nutzlastbudget. Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl benötigen, finden Sie in unserem Leitfaden zur Auswahl des richtigen Greifers Informationen zu den jeweiligen Vor- und Nachteilen. Mit einem Werkzeugwechsler kann ein Cobot mehrere Maschinen mit unterschiedlichen Werkzeugen bedienen.

Schritt 4: Schließen Sie den Cobot an die Maschine an

Für einen wirklich unbeaufsichtigten Betrieb müssen der Cobot und die Maschine miteinander kommunizieren. Der Roboter muss wissen, wann der Zyklus beendet ist und die Tür offen ist. Die Maschine muss wissen, wann sie beladen ist und sicher gestartet werden kann. Dieser „Handshake“ ist das Herzstück der Zelle.

Die üblichen Schnittstellen:

• Digitale Ein- und Ausgänge. Einfache 24-V-Signale: Zyklus abgeschlossen, Tür offen, Werkstück eingespannt, Zyklus starten. Zuverlässig, einfach zu verdrahten und für die meisten Zellen ausreichend.
• Modbus TCP RTU. Eine Feldbusverbindung, über die umfangreichere Statusdaten und die Auswahl von Teilprogrammen zwischen der Robotersteuerung und der PLC der Maschine übertragen werden.
• Sets für automatische Türen und Spannfutter. Pneumatische oder servogesteuerte Zusatzkomponenten, damit der Cobot die Tür öffnet und das Werkstück ohne menschliches Eingreifen festspannt.

Fairino werden mit einem offenen Steuerungssystem und kostenloser Programmierung ausgeliefert, ohne Software-Lizenzen pro Arbeitsplatz, sodass die Anbindung von E/A und Modbus an Ihre CNC Presse keine versteckten Kosten verursacht. Wenn Sie die Cobots in eine größere Produktionslinie integrieren möchten, sehen Sie sich unsere Cobot-Steuerungen und E/A-Optionen an.

Schritt 5: Achte auf die Sicherheit

Ein Cobot ist für den kollaborativen Betrieb ausgelegt. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass eine Bedienungszelle ohne Schutzzäune auskommt. Die Sicherheit wird anhand der gesamten Anwendung bewertet, nicht nur anhand des Roboters allein. Die CNC die Presse, scharfe Rohteile, heiße Teile und der Türmechanismus bergen jeweils ihre eigenen Risiken.

Eine ordnungsgemäße Risikobewertung gemäß ISO 12100, ISO 10218 ISO/TS 15066 gibt Aufschluss darüber, welche dieser Maßnahmen erforderlich sind:

• Reduzierte Geschwindigkeit und Kraft in der Kollaborationszone, d. h. Leistungs- und Kraftbegrenzung.
• Ein Sicherheitslaserscanner zur Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung, der den Roboter verlangsamt oder anhält, wenn sich jemand nähert.
• Lichtvorhänge oder Absperrungen rund um die maschineneigenen Gefahrenstellen.

Der Vorteil eines Cobots besteht darin, dass viele Bedienungszellen mit minimalen Schutzvorrichtungen betrieben werden können, wodurch Platz im Arbeitsbereich frei wird und ein Bediener direkt neben dem Roboter arbeiten kann. Die Entscheidung sollte jedoch auf der Grundlage der Risikobewertung getroffen werden und nicht aufgrund der Bezeichnung „kollaborativ“ des Roboters.

Schritt 6: Auswahl der passenden Größe. Welcher Fairino ?

Bei der Maschinenbeschickung kommt es vor allem auf die Tragkraft und die Reichweite an. Legen Sie das schwerste Teil in den Greifer und wählen Sie dann ein Modell mit ausreichender Bauhöhe.

• Kleine, leichte Teile und eine kompakte Maschine: Der FR5 mit einem Gewicht von 5 kg ist ein vielseitiger, beliebter Cobot für die Bestückung.
• Schwerere Spannfutter, größere Rohlinge oder ein Doppelgreifer: Steigen Sie auf einen FR10 mit 10 kg oder mehr um, um mehr Reichweite und Tragkraft zu gewinnen.

Denken Sie daran: Die Reichweite muss das Spannfutter sowie den Ein- und Auslauf von einem Befestigungspunkt aus abdecken, und die Nutzlast muss den Greifer sowie alle Teile umfassen, die in einer zweiten Hand gehalten werden. Im Zweifelsfall wählen Sie eine größere Ausführung. Ein zu knapp bemessenes Nutzlastbudget ist der klassische Fehler bei Erstprojekten.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange dauert die Einrichtung einer Cobot-Zelle zur Maschinenbeschickung?
Eine einfache Zelle mit einer einzigen Maschine und festgelegter Werkstückzuführung ist dank manueller Führung und einfacher E/A oft schon innerhalb von Tagen statt Wochen programmiert und betriebsbereit. Vision-Zellen oder Zellen mit mehreren Maschinen benötigen mehr Zeit.

Muss ich Programmierer sein?
Nein. Ein Cobot wird hauptsächlich durch manuelle Führung und einfache „Pick-and-Place“-Blöcke angelernt. Die grundlegende E/A-Logik regelt den Tür-Handshake, und die meisten Bediener sind bereits nach einer kurzen Einweisung einsatzbereit.

Kann ein Cobot mehr als eine Maschine bedienen?
Ja. Mit einer Schiene oder einer durchdachten Anordnung und einem Werkzeugwechsler kann ein Cobot zwei oder mehr Maschinen bedienen. Das ist eine gute Möglichkeit, die Auslastung bei langen Taktzeiten zu verbessern.

Ist ein Sicherheitszaun erforderlich?
Nicht immer. Viele Cobot-Bedienzellen werden mit minimaler Absicherung betrieben, allerdings müssen die maschineneigenen Gefahren bewertet werden. Die Risikobewertung entscheidet darüber, ob Sie einen Laserscanner, Lichtvorhänge oder eine Absicherung benötigen.

Sind Sie bereit, Ihre Maschine zu automatisieren?

Die Maschinenbedienung durch Cobots ist nicht ohne Grund das klassische erste Automatisierungsprojekt. Sie lässt sich schnell umsetzen, ist leicht zu begründen und verschafft Ihnen Maschinenstunden, die Sie derzeit ungenutzt lassen. Wenn Sie Unterstützung bei der Dimensionierung einer Zelle für Ihre CNC, Drehmaschine oder Presse benötigen, fordern Sie ein Angebot an – wir ermitteln dann die Spezifikationen für den Cobot, den Greifer und die Schnittstelle. Sie können sich auch das gesamte Fairino ansehen, sich in unseren cases echte Einsatzbeispiele ansehen oder sich an TMC Robotics wenden.