Ein Löffelchen für Papa …

Durch den Einsatz einer Delta-Roboterlösung von Rockwell Automation spart ein Auftragsabfüller von Säug­lingsmilchnahrung Zeit und Kosten bei Produkt­umstellungen. Gerade einmal drei Monate dauerte die Realisierung der Maschine.

Leere Dosen vor ihrer Befüllung mit Milchpulver mit Plastiklöffelchen bestücken – das klingt zunächst einfach. Um jedoch eine flexible Maschine zu entwerfen, die mit mehr als 30 Kombinationen von Löffeln und Dosen arbeiten kann und dennoch fast keine Ausfallzeiten bei den Produktumstellungen verursacht, musste Albro, ein englischer Hersteller von Pulverabfüllungsmaschinen, ein völlig neues System entwickeln. Albro entschied sich schließlich für ein Pick-and-Place-System auf Basis eines Delta-Roboters. Die Lösung wurde in Zusammenarbeit mit Rockwell Automation entwickelt und baut auf dem so genannten Kinematics-Robotersteuersystem des Automatisierungsspezialisten auf. Kinematics wiederum ist in die Steuerungsplattform von Rockwell Automation integriert, sodass Albro die gesamte Maschine in einer einzigen Steuerungsumgebung realisieren konnte.

Gemeinsam mit dem Kunden entwickeln

Der neuseeländische Kunde und Auftraggeber von Albro bietet zahlreichen Unternehmen Auftragsbefüllungsdienstleistungen an. Daher muss seine Produktionslinie sehr flexibel hinsichtlich unterschiedlicher Dosen- und Löffelgrößen arbeiten. Nur so kann sie für die kurzfristige Bedarfsproduktion eingesetzt werden. Der Einsatz von herkömmlichen Maschinenkonzepten, bei denen die Maschine für jede weitere Produktkombination rekonfiguriert werden muss, ist in diesem Umfeld nicht machbar.

Albro setzt im Verpackungsbereich bereits seit längerem Roboter ein, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden. In enger Zusammenarbeit mit dem Ingenieurteam für Technische Beratung von Rockwell Automation diskutierte Albro, ob sich für die oben beschriebenen Anforderungen ein roboterbasiertes System realisieren ließe. Das Expertenteam von Rockwell Automation, welches ausschließlich Maschinenbaukunden betreut, besteht aus mehr als 50 Ingenieuren, die in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten langjährige Erfahrung aufweisen und Referenzen von realisierten Maschinenbauprojekten vorweisen können. Das Erfolgsprinzip liegt darin, gemeinsam mit dem Kunden das bestmögliche Lösungskonzept zu entwickeln. Selbstverständlich begleitet das Expertenteam auch das gesamte Projekt während seiner Umsetzung.

Neue Software für den Standard-Deltaroboter

In diesem Fall bot sich an, die neu entwickelte Software zu Kinematics von Rockwell Automation mit einem serienmäßig produzierten Delta-Roboter zu kombinieren, damit alle involvierten Bewegungs- und Steuerungsdisziplinen (einschließlich der Robotik) in einer einzigen Programmiersprache und in einem einzigen Programmierpaket ausgeführt werden können. Dieses Vorgehen spart sowohl Entwicklungszeit als auch -kosten.

Deltaroboter bestehen – mit Ausnahme des Quattro von Adept – aus drei mit einem Kreuzgelenk verbundenen Armen. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Flexibilität sind Deltaroboter für Anwendungen geeignet, bei denen die zu handhabenden Produkte leicht und die Bewegungsabstände kurz sind. Die Geometrie des Roboters ermöglicht schnelle Bewegungen im Raum und die Ausrichtung des gegriffenen Objektes um seine vertikale Achse. Darüber hinaus ist die einfache mechanische Konstruktion geräuscharm, hat eine lange Lebensdauer und benötigt wenig Wartung. Alle beweglichen Teile sind zudem leicht zugänglich.

Den größten Vorteil beim Einsatz eines solchen Roboters sah Albro in dessen Fähigkeit, leicht zwischen den unterschiedlichen Produkten – in diesem Fall den unterschiedlichen Löffelgrößen – zu wechseln, und in der Möglichkeit, mit nur einem Knopfdruck die Produktionslinie für eine neue Löffelgröße komplett neu zu konfigurieren. Dies bedeutet weniger Ausfallzeiten, wenn auf die verschiedenen Produkte umgestellt wird, und reduziert auch die Kosten für Wechselteile, die bei herkömmlichen Maschinen benötigt werden.

Vereinfachte Integration

Rockwell Automation hat mit der neu entwickelten Kinematics-Funktionalität, die in der RSLogix 5000 Programmier-Software serienmäßig integriert ist, die Roboteransteuerung vereinfacht. Kinematics eliminiert die zusätzlichen Robotersteuerungseinheiten, die Software und die kundenspezifischen Spezialfunktionen, die normalerweise beim Einbinden eines Roboters in eine Applikation benötigt werden. Stattdessen kann die Roboterbewegung einfach in der RSLogix-Software programmiert werden. Man kann dabei dieselbe Standardbewegungslogik anwenden, die man auch zur Programmierung aller anderen Bewegungskomponenten in der Anwendung nutzt. Die Allen-Bradley ControlLogix PACs von Rockwell Automation übernehmen dann die Übersetzung der Standardbewegungs- in Roboterbewegungsbefehle. Stuart Ashmore, Ingenieur bei Rockwell Automation und Leiter des für Albro zuständigen Teams, erklärt: „Die Integration eines Roboters bedeutet üblicherweise mehrere Programmierungsumgebungen, mehrere Sprachen und eine komplexe Synchronisationslogik. Diese ist für die Datenflusskontrolle auf beiden Seiten nötig und kann nur sehr zeit- und kostenaufwändig realisiert werden. Kinematics bietet hier eine stark vereinfachte Lösung. Es gibt nur eine einzige Programmierumgebung und man braucht keine Synchronisations- und Handshake-Logik, weil die ganze Anwendung auf einer einzigen Steuerung läuft.“

Um die Implementierung weiter zu vereinfachen, bietet Rockwell Automation eine ausführliche Bibliothek mit Logix-Instruktionen für Delta-Roboter an. Diese unterstützt bei allgemeinen Anwendungsfunktionen wie der Pick-and-Place-Bahnsteuerung, bei der zusätzlichen Achsensteuerung, der Tracking-Algorithmen des Bandes, der Oberfläche des Bildverarbeitungssystems, beim Lehren und Lernen der Bedieneroberfläche sowie bei der positions- und zeitbasierten Ausgaberegelung. Diese Bibliothek erwies sich bei der neuen Maschine von Albro als zentral und half bei der Verringerung der Entwicklungszeit. Durch die Zusammenarbeit der Ingenieure von Rockwell Automation und Albro wurde die komplette Maschine in nur drei Monaten konstruiert, entwickelt, gebaut und erprobt.

Darüber wacht die Kamera

In der neu entwickelten Maschine werden die Löffel vorsichtig aus einem Fülltrichter auf ein Einlaufband transportiert. Dieses wird von Allen-Bradley PowerFlex Frequenz-umrichtern von Rockwell Automation betrieben. Dabei werden die Löffel von einem Bildverarbeitungssystem gescannt, das an eine ControlLogix PAC gekoppelt ist. Ein Schneckenförderband, das von Allen-Bradley Servoantrieben betrieben wird, transportiert parallel dazu die leeren Dosen. Die gesamte Kommunikation zwischen den Steuerungen erfolgt dabei reibungslos, da das ganze System mittels Standardnetzwerken vollständig integriert ist. Dadurch kann der PAC die gescannten Löffel mit dem Bildverarbeitungssystem entlang des sich bewegenden Bandes in die „Pick-Zone“ des Roboters verfolgen. Das allerdings können Knickarmroboter und deren Steuerung schon lange. „Line Tracking“-Software ist hier seit Jahren ein Standard-Feature.

Das integrierte Steuerungssystem ist auch mit Allen-Bradley Guardmaster Sicherheitsverriegelungen an den Schutztüren der Maschine ausgestattet. Diese bieten den Anlagenbedienern ein hohes Maß an Sicherheit. Sie verhindern, dass die Schutztüren während des normalen Maschinenbetriebes geöffnet werden und senden ein Nothaltsignal an die Steuereinheit der Maschine, wenn jemand versuchen sollte, sich Zugang durch die Schutztür zu verschaffen.

Neben einer Produktionsgeschwindigkeit von mehr als 120 Dosen pro Minute kann die Maschine auch einfach von einer Produktkombination auf die andere umstellen. Dazu genügt ein Druck auf den Touch-Screen. Der Anlagenbediener muss lediglich eine festgelegte Dosen- und Löffelgröße aus dem Graphikmenü auswählen und die Fertigungsstraße rekonfiguriert sich automatisch für die neue Kombination.

Albros neuseeländischer Kunde profitierte von einer Reduzierung der Ausfallzeiten und der Kosten für die Produktumstellung. „Was die Kosten für die Maschine allein angeht“, so Ian Hillaby, Vertriebsdirektor von Albro, „braucht man nur die Kosten für die Wechselteile zu berücksichtigen. Bereits bei sechs unterschiedlichen Kombinationen von Löffeln und Dosen unterschreiten die Investitionskosten der neuen Maschine die der herkömmlichen Methoden - und unser Kunde hatte mehr als 30 unterschiedliche Kombinationen im Auge. Wenn Sie jedoch die Kosten für die Ausfallzeiten bei der Produktumstellung beim herkömmlichen Ansatz berücksichtigen, so ist die Lösung des Deltaroboters sogar bereits bei nur zwei unterschiedlichen Kombinationen von Löffeln und Dosen rentabel.”

Ian Hillaby schließt: „Es war ein außergewöhnliches Projekt. Die Ratschläge, die Anleitung und die Unterstützung von Rockwell Automation bei der Entwicklung waren erstklassig. Zusammen haben wir eine äußerst leistungsfähige und flexible Maschine für das Hinzufügen von Löffeln entwickelt. Es ist ein neuer technologischer Ansatz, von dem wir vollkommen überzeugt sind. Andernfalls würden wir den ersten dieser Roboter bestimmt nicht um die halbe Welt schicken!“

www.rockwellautomation.de