Transparenz und Konnektivität beim Roboterschweißen

Bild: Die Vorrichtungen in den Heft- und Schweißstationen sind komplex, und an jeder Station wird der Prozess anschaulich visualisiert.

Anlage: hochflexibel und hochautomatisiert

Diese Anlage, von Yaskawa projektiert und gebaut, übernimmt das Heften und Schweißen von zentralen Komponenten der neuen E-Stapler-Baureihe 1251. Sie arbeitet trotz der Variantenvielfalt mit hohem Automationsgrad: Es gibt sieben sehr unterschiedliche Rahmenvarianten (Drei- und Vierrad, Blei-Säure-Wechselbatterie und Lithium-Ionen-Batterie) und vierzehn verschiedene Fahrerschutzdächer. 

Die in zwei Baufelder aufgeteilte Anlage, in denen insgesamt 33 Roboter schweißen, heften und handhaben, ist auch deshalb außerordentlich komplex, weil Linde MH keine Stapler „von der Stange“ baut: Gefertigt wird grundsätzlich auftragsbezogen. Die Vielzahl möglicher Produktkonfigurationen bei gleichzeitig hohem Produktionsaufkommen erfordert eine entsprechend flexible und leistungsfähige Fertigungslösung.

YPS: „Backbone“ der Anlagensteuerung

Von Beginn der Planung an haben die Verantwortlichen von Linde MH und Yaskawa das Yaskawa Production System, kurz YPS, mitgedacht und mitgeplant. Es übernimmt die zentrale Steuerung der gesamten Anlage mit Anbindung an die IT-Infrastruktur für die Staplerproduktion. Wobei der Begriff „Steuerung“ eher untertrieben ist: Das YPS übernimmt die aus dem MES und ERP kommenden Fertigungsaufträge und setzt sie auf der Anlagenebene um. Dabei übermittelt das System letztlich alle Informationen an die übergeordnete Anlagensteuerung, die in der Folge auf Roboter- und SPS-Ebene die Bewegungen sämtlicher Roboterachsen, Rüst- und Spannvorgänge sowie die Parameter jedes einzelnen Schweißpunktes an die Fertigungsautomation weitergibt. Nach Abschluss des Fertigungsprozesses erfolgt die automatische Rückmeldung an MES und ERP inklusive Qualitätsdaten und Statusinformationen.

Zum Konzept von YPS gehört eine umfassende Visualisierung, die den Bedienern jederzeit einen klaren Überblick über den aktuellen Zustand ermöglicht. Umlaufend an der Anlage sind Monitore installiert, auf denen die gesamte Fertigungslinie digital dargestellt wird. Diese Echtzeit-Visualisierung zeigt den Status jeder einzelnen Zelle. Über eine intuitive Farbcodierung erkennt der Bediener auf einen Blick, ob die Station störungsfrei im Automatikbetrieb läuft, ob Wartung nötig ist oder eine Störung vorliegt, die behoben werden muss. Das bedeutet: Anlagenführer können schnell reagieren, Stillstände vermeiden und die Prozesssicherheit gewährleisten. Damit ist die Visualisierung ein zentraler Bestandteil des Shopfloor-Managements, und sie unterstützt eine effiziente und sichere Anlagenbedienung.

Werkerführung: Poka-Yoke-Prinzip verhindert Fehlbedienungen

An den manuell bedienten Schweißstationen gewährleistet das Yaskawa Production System eine Absicherung nach dem Poka-Yoke-Prinzip, um Fehlbedienungen auszuschließen. Sensoren überwachen die korrekte Positionierung der Bauteile und geben diese Informationen an die YPS-Visualisierung weiter. Christopher Taupp, Project Manager Industrialization Projects bei Linde MH: „An jeder Station sind Monitore installiert, die den Mitarbeitern eine umfassende Werkerführung bieten: Sie zeigen die Einlegefolge, die richtige Positionierung sowie den aktuellen Fertigungsschritt. Und sie visualisieren die Rückmeldungen der Sensoren. So wird sichergestellt, dass alle Prozesse transparent und fehlerfrei ablaufen.“

Die Aufgaben des YPS im Hinblick auf die Prozessqualität und deren Visualisierung enden nicht beim Einlegen der Werkstücke in die Vorrichtungen. Das System gibt auch die Soll-Parameter des robotergestützten Schweißprozesseses vor, und es erfasst die Ist-Parameter – an jeder Station, für jeden Schweißpunkt und jede Schweißnaht. Warum das so ist, erläutert Christopher Taupp „Wir stellen extrem hohe Anforderungen an die Qualität des Schweißprozess. Die Daten dienen sowohl der Dokumentation als auch der gezielten Analyse und Optimierung der Anlagen bei Änderungen relevanter Parameter. Wir visualisieren diese Daten aber auch an jeder einzelnen Schweißstation.“

Bild: Christopher Taupp, Project Manager Industrialization Projects bei Linde MH, an der robotergestützten Verputzstation.

Inline-Prüfzelle: Jede Schweißnaht wird geprüft und mit YPS visualisiert

Die Inline-Prüfzelle in der Anlage zeigt, dass das Yaskawa Produktionssystem auch noch weitere Aufgaben übernehmen kann. In der Zelle finden zwei vollständig automatisierte Messprozesse statt. Zunächst werden die Baugruppen – als Kombination von Rahmen und zugehörigem Fahrerschutzdach – umfassend geometrisch vermessen und alle Werte mit den Sollwerten abgeglichen. 

Das zweite Verfahren ist eine Schweißnahtkontrolle nach DIN EN ISO 5817, bei der u.a. Länge, Lage und Nahtgeometrie überprüft sowie Unregelmäßigkeiten wie Poren oder Endkrater erkannt werden. Alle erhobenen Daten werden eindeutig der jeweiligen Bauteil-ID zugeordnet und dokumentiert. Zugleich werden die Daten anschaulich auf zwei Monitoren – einer pro Messsystem – dargestellt. Darauf wird das Bauteil als Foto gezeigt, darin markiert sind die N.i.O-Zonen, die manuell bzw. visuell zu prüfen und zu beurteilen sind. 

Die Möglichkeiten, die YPS bietet, gehen aber noch deutlich weiter. Im Falle einer Störung kann das Servicepersonal sich auch über ein Tablet, das vor Ort an die Steuerung angeschlossen wird, in die Zelle „hineinzoomen“ bis hinunter zum Hydraulikblock oder Ventil. Das hat sich auch beim Einfahren der Anlage als praxisgerecht und zeitsparend erweisen.

Bild: Blick auf das Baufeld mit den Schweißstationen – und auf die vom Yaskawa Production System (YPS) erzeugte Visualisierung.

„Digitaler Zwilling“ der Anlage ermöglicht Offline-Programmierung 

Alle Stationen der Fertigungslinie sind zusätzlich als vollständige 3D-Zellen in einer digitalen YPS-Umgebung abgebildet. Diese virtuelle Darstellung ermöglicht es, sämtliche Roboterprogramme offline – d.h. ohne Anlagenstillstand – zu programmieren und zu optimieren, ohne den laufenden Betrieb zu unterbrechen. Zum Beispiel können Anpassungen an Schweißprogrammen – etwa zur Verbesserung der Nahtqualität oder zur Optimierung der Roboterbewegungen – in der Simulation getestet und validiert werden, bevor sie in die reale Anlage übertragen werden. 

Christopher Taupp: „Damit vermeiden wir Stillstandzeiten, erhöhen die Prozesssicherheit und stellen sicher, dass jede Änderung kollisionsfrei und taktzeitgerecht umgesetzt wird. Die 3D-Simulation dient zudem der Zugänglichkeitsprüfung und Kollisionskontrolle aller Komponenten, sodass selbst komplexe Vorrichtungen und Bewegungsabläufe zuverlässig geplant werden können. Dieses Konzept ist ein zentraler Baustein für unsere hohe Anlagenverfügbarkeit und Flexibilität.“

Über den gesamten, fast vier Jahre dauernden intensiven Prozess von den ersten Konzepten bis zur Inbetriebnahme haben die Experten von Linde MH und Yaskawa eng zusammengearbeitet und dabei nicht nur die Anlage geplant, sondern parallel auch das Yaskawa Production System immer wieder an die spezifischen Anforderungen und Wünsche von Linde MH angepasst. In der Phase der Inbetriebnahme und des Hochlaufs waren Mitglieder des YPS-Teams permanent in Aschaffenburg vor Ort.

Bild: Über den Schweißstationen: Der in YPS generierte „visuelle Zwilling“

Fazit: Transparenz und Konnektivität bringen Mehrwert

Nach einigen Monaten Anlagenbetrieb können die Verantwortlichen bei Linde MH festhalten, dass erstens die neue Schweißanlage die Anforderungen vollumfänglich erfüllt. Und das Yaskawa Production System bietet einen erheblichen Mehrwert auf mehreren Ebenen. Christopher Taupp: „YPS ermöglicht eine durchgängige Steuerung, Poka-Yoke-gesicherte Prozesse und eine intuitive Werkerführung. Ergänzend bietet die Offline-Programmierung in 3D-Zellen enorme Vorteile – Optimierungen können ohne Anlagenstillstand durchgeführt werden.“ 

Und auch die Datendurchgängigkeit ist ein klarer Pluspunkt: von der Übernahme der Fertigungsdaten aus dem ERP/ MES bis zur Datenintegration sämtlicher Schweiß- und Handhabungsprozesse sowie der Daten aus der Inline-Qualitätskontrolle. Und sämtliche Daten werden auf einer einzigen Plattform – eben dem YPS – visualisiert und dokumentiert. Damit haben Linde MH und Yaskawa das Konzept der digitalen Fabrik in großem Maßstab realisiert.

Bild: Auch Performance- und Auslastungsdaten werden direkt und aktuell an der Schweißanlage angezeigt. 

YPS: Der digitale Zwilling der automatisierten Produktion 

Mit dem Yaskawa Production System, kurz YPS, hat Yaskawa ein Steuerungssystem entwickelt, das die Verbindung von der „Shopfloor“-Ebene zur übergeordneten IT-Infrastruktur herstellt und zugleich alle Ablaufprozesse in einer Produktion oder Fertigungslinie steuert. Kurz: YPS bildet den „digitalen Zwilling“ der Fertigung ab – nicht nur als Echtzeit-Abbild, sondern auch als „Gehirn“ der Prozesse, die über YPS gesteuert, dokumentiert und auch visualisiert werden. Damit werden die Werker optimal in die Prozesse einbezogen – an manuellen Arbeitsplätzen und auch an automatisierten Produktionszellen. Kenndaten sind stets transparent, Messdaten werden erfasst und gespeichert und der Service kann sich bei Bedarf in die jeweilige Anlage „hineinzoomen“.

In der Praxis wählt der Anwender aus verschiedenen Software-Modulen (Schichtplanung, Prozessbeobachtung, Reporting…), aus, die grundsätzlich an die individuellen Anforderungen angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt ein YPS-Team, das europaweit auch die Inbetriebnahmen vor Ort begleitet. 

Modul-/Paketübersicht YPS:

• Schichtplanung
• Prozessbeobachtung
• Traceability
• MDE (Maschinendatenerfassung)
• BDE (Betriebsdatenerfassung)
• Reporting
• Dashboard Designer
• Werkerführung
• SQL-Datenbank Viewer und Editor
• MES/ERP-Anbindung
• Smart Maintenance
• Qualitätsüberwachung und -sicherung   
• Energie-Monitoring

Text: Ralf Högel (Industrie Kommunikation Högel)

Bild: Yaskawa Europe GmbH