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Anja H. Schneider: „Für uns bedeutet Green Automation den ressourcenschonenden Umgang mit und durch Automatisierungs- technologie.“ Bild: Kroh

Die Automatica 2010 rückt langsam näher. Die Automatisierungsbranche setzt große Erwartungen in die Messe, die vom 8. bis 11. Juni 2010 in München stattfindet. Wir sprachen mit der zuständigen Projektleiterin Anja Schneider über den aktuellen Stand und die Kernthemen der Messe. MM: Frau Schneider, die Automatica verzeichnet seit ihrer Premiere im Jahr 2004 stetig wachsende Aussteller- und Besucherzahlen. Wie sieht der aktuelle Anmeldestand knapp drei Monate vor Messebeginn aus? Schneider: Die Automatica 2010 steht insgesamt sehr gut da. Wir haben versprochen, vier Hallen komplett zu füllen. Das sind 44000 m² Brutto-Ausstellungsfläche. 2008 hatten wir insgesamt fünf Hallen, das heißt: Ja, wir haben eine Halle weniger, das sind 20% weniger Brutto-Ausstellungsfläche. Aber auf die Netto-Ausstellungsfläche gerechnet wird das, was wir an Rückgang bei der Fläche zu verzeichnen haben, sogar noch unter 20% liegen. Wenn man sich anschaut, dass die Automatisierungs-Branche insgesamt einen Einbruch von 35% im Jahr 2009 hatte, ist das, wie ich glaube, ein sehr gutes Ergebnis. Aber was für die Messe noch wichtiger ist: Alle Key-Player der Branche werden wieder auf der Automatica sein. Egal ob ich im Bereich Robotik schaue, dort sind die großen Player wie ABB, Fanuc, Kuka, Motoman, Reis Robotics wieder mit dabei, dazu Anbieter wie Comau, Kawasaki, Hyundai oder Cloos. Im Scara-Bereich ist die Palette vollständig. Auch im Bereich Montage- und Handhabungstechnik in Halle A1 werden wir zur Automatica 2010 europaweit die größte Dichte an Sondermaschinenbauern vorweisen können.

Für die Sensorik konnten wir namhafte Aussteller neu gewinnen. Ich möchte nur zwei Namen nennen: Sick und Leuze Electronics, die sich erstmalig für die Automatica entschieden haben. Oder nehmen Sie den Bereich Antriebstechnik, wo wir SEW gewinnen konnten. Bei welchen Ausstellerzahlen wir in Summe liegen werden, ist heute schwer zu sagen. Wir haben aktuell einen Stand von über 540 Anmeldungen, aber täglich gehen weitere ein, insbesondere von Gemeinschaftsausstellern. Wo wir dann letzten Endes wirklich liegen werden, werden die nächsten Wochen zeigen.

MM: Rechnen Sie noch damit, die Marke von 870 Ausstellern aus dem Jahr 2008 zu übertreffen?

Schneider: Ehrlich gesagt halte ich das für unrealistisch. Ich möchte keine genaue Prognose abgeben. Aber wir haben eine Halle weniger und eine Flächenreduktion von 20%. Von ähnlichen Größenordnungen gehen wir bei den Ausstellerzahlen aus.

MM: In Sachen Internationalität hat die Automatica noch Nachholbedarf. Wie sind Ihre Erwartungen hinsichtlich der Auslandsbeteiligung?

Schneider: Erst mal darf ich anmerken, dass ich das Wort „Nachholbedarf“ nicht so ganz passend finde. Jeder, der ein internationales Geschäft aufsetzt und erfolgreich führen möchte, weiß, wie zeit- und ressourcenintensiv die konsequente Internationalisierung ist. Wir haben von Anfang an alle Hebel in Bewegung gesetzt. Dennoch war zu beobachten, dass sich das Ausland bei der ersten und zweiten Veranstaltung insgesamt noch zurückgehalten hat. Man wollte offenbar zunächst beobachten, wie sich die Automatica, die ja in einem scharfen Wettbewerbsumfeld steht, am deutschen Markt etablieren wird. Wir konnten zeigen, dass wir dort hervorragend positioniert sind. So wird es uns 2010 das erste Mal gelingen, einen von UBI France geförderten Frankreich-Gemeinschaftsstand auf die Beine zu stellen. Jeder, der Frankreich kennt, weiß, wie schwer es ist, Franzosen davon zu überzeugen, eine Reise nach Deutschland anzutreten, wo nicht unbedingt Französisch gesprochen wird. Neben diesem Gemeinschaftsstand haben wir auch französische Direkt-Aussteller, die sich erstmalig präsentieren. Wir werden in diesem Jahr wieder einen Gemeinschaftsstand aus Italien haben. Wir arbeiten an einem Gemeinschaftsstand aus der Türkei. Ein weiterer Fakt ist sehr ermutigend für uns: Wir haben mehr denn je auch direkte Aussteller aus dem Ausland – sei es aus Vietnam, wo wir erstmalig einen Roboterhersteller namens Tosy begrüßen dürfen, sei es Korea mit Hyundai, seien es Anmeldungen aus den Niederlanden oder Polen. Sie sehen also, dass wir einen ganzen Schritt weiter vorangekommen sind. Denn gerade in Krisenzeiten besteht für Unternehmen die Chance, Marktanteile zu gewinnen.

MM: Welche Ziele haben Sie sich auf der Besucherseite gesetzt?

Schneider: Nun, die Aufgabenstellung ist sehr klar. Wir wollen mehr Besucher aus mehr Ländern und weiteren Branchen ansprechen. Ich bin fest davon überzeugt, dass auch gerade in diesen Zeiten Technologien wie Robotik und Automation für produzierende Unternehmen wichtiger sind denn je, um im globalen Wettbewerbsumfeld zu bestehen. Ich denke, es ist eine der Stärken der Automatica, dass sie sich als Technologieplattform an alle produzierenden Wirtschaftszweige wendet. Bezogen auf die diesjährige Messe bedeutet das: Wir hoffen, dass wir wieder bei einem Auslandsanteil von über 25% liegen werden und insgesamt rund 30000 Fachbesucher begrüßen dürfen.

MM: Für die Robotik ist die Automatica sicherlich die internationale Leitmesse. Wie wollen Sie die Bereiche Montage- und Handhabungstechnik sowie Bildverarbeitung stärken und vermeiden, dass die Messe nur als Robotershow wahrgenommen wird?

Schneider: Es ist natürlich richtig, dass die Automatica allein im Bereich Robotik das weltweit größte Angebot hat. Trotzdem heißt unsere Messe zu Recht Automatica - und nicht „Robotica“. Der Roboter braucht eine intelligente Peripherie, um Lösungen für produktionstechnische Herausforderungen zu bieten. Dazu gehören z.B. Greifer, die Zuführtechnik, Industrielle Bildverarbeitung, kurz: alle Bereiche, die auf der Automatica ebenso dargestellt werden. Davon abgesehen gibt es auch Automatisierungslösungen ohne Roboter. Dies bestätigt ein Blick auf den Geländeplan. Rund zwei Hallen, und damit noch mehr als der Robotik-Bereich, wird von den Montage- und Handhabungstechnologien belegt. Noch ein Beispiel: Für die Bildverarbeitung - einer sehr erklärungsbedürftigen Technologie –  werden wir auf der Automatica 2010 zusätzlich zum Ausstellungsangebot erstmals kostenfreie Technologie-Seminare anbieten. In den Workshops soll dem Besucher die industrielle Bildverarbeitung in Schnittstelle mit Sensorik, Thermografie und Software noch besser vermittelt werden.

MM: Welche Rolle spielt das Thema Servicerobotik auf der Automatica?

Schneider: Wir sehen, dass die Servicerobotik ein wachsender Markt ist, den wir auch gerne begleiten. Wenn ich von Servicerobotik spreche, meine ich die professionelle Servicerobotik. Zusammen mit dem Fraunhofer -IPA werden wir die „Innovationsplattform Servicerobotik“ anbieten. Auf diesem Gemeinschaftsstand werden sich internationale Servicerobotik-Anbieter präsentieren. Mit Live-Demonstrationen und virtuellen Szenarien werden spannende Highlights und neueste Entwicklungen der Servicerobotik gezeigt. Die Bandbreite reicht vom Gebrauch in privaten Haushalten bis hin zum industriellen Einsatz: Gezeigt werden aktuelle Entwicklungen zur Haushaltsassistenz-Robotik, neue Serviceroboter zur Versorgung Bedürftiger im privaten Umfeld, wie z.B. „Essen ans Bett“ bis hin zu teleoperierten Wartungsrobotern.

MM: Green Automation soll ein wichtiges Thema auf der diesjährigen Automatica sein. Der Begriff „Green Automation“ klingt toll und passt in die Zeit. Doch was hat man sich als Messebesucher konkret darunter vorzustellen?

Schneider: Green Automation – ja der Begriff klingt gut. Wir haben ihn aber mit einer sehr präzisen Definition hinterlegt. Denn bei aller Begeisterung, die wir als Reaktion auf diese Initiative Green Automation erfahren, die die Automatica gemeinsam mit dem VDMA-Fachverband Robotik & Automation sowie dem Fraunhofer-IPA ins Leben gerufen hat, sehe ich eigentlich die größte Herausforderung von Green Automation in einer klaren Begriffsdefinition. Für uns bedeutet Green Automation den ressourcenschonenden Umgang mit und durch Automatisierungstechnologie. Darunter ist zweierlei zu verstehen: Einmal wird die Robotik bzw. Automatisierungstechnik selbst als Verbraucher von Ressourcen und Energie betrachtet. Es geht also um dieen Ressourcenschonung in der Automatisierung selbst. Nehmen wir mal das Beispiel Robotik: Dort gibt es mittlerweile Konzepte zur Energierückgewinnung oder Konzepte, die Bewegung der Roboter zu verlangsamen, um so Energie einzusparen.

Nun zum zweiten Aspekt von Green Automation, nämlich der Ressourcenschonung durch den Einsatz von Automatisierungstechnik. Das hat fast schon eine politische Dimension und steht für die Überzeugung der Robotik- und Automatisierungsbranche, einen Beitrag zu einer künftigen grünen Welt leisten zu können. Anders gesagt, die ganzen Visionen von grünem Strom aus der Wüste, von E-Mobility oder von Leichtbau – sie alle wären wirtschaftlich nicht durchführbar ohne den Einsatz von Robotik und Automation. Das ist ein weiterer Aspekt, den wir mit unserer Kampagne Green Automation beleuchten wollen. Wir werden unsere Aussteller systematisch in die Kampagne involvieren und neben den vielen dezentralen Antworten der Aussteller auch mit ein paar zentralen Antworten den Besuchern verdeutlichen, worum es uns geht. Ich möchte in diesem Zusammenhang ein Exponat des Fraunhofer-IPA erwähnen, einen mobilen Seilroboter, der für die Montage und Wartung von Solarkollektoren in wüstenähnlichen Regionen eingesetzt werden kann.

MM: Die Automatica ist eine Kooperation mit der Faserverbundmesse „JEC Composites Show“ sowie der Society for the Advancement of Material and Process Engineering (SAMPE) eingegangen. Wie wird sich das im Rahmen der diesjährigen Automatica niederschlagen?

Schneider: Diese Kooperation wird sich auf der Automatica 2010 in zwei Bausteinen realisieren. Zum einen in einem eigenen Ausstellungsbereich, der mit „Composites City by JEC“ überschrieben ist. Dieser Ausstellungsbereich beleuchtet, wie Faserverbundtechnologie Impulse geben kann für den Bereich Maschinen- und Anlagenbau. Nehmen wir einmal das Beispiel von Herstellern, die Roboterachsen oder komplette Roboter aus Carbon-Composite-Werkstoffen fertigen. Faserverbundwerkstoffe bieten ganz andere Dynamiken als herkömmliche Materialien, ganz andere Einsatzmöglichkeiten in den unterschiedlichsten Branchen. Noch schränken die hohen Materialkosten den Einsatz dieser Werkstoffe ein. In dem Moment aber, wo die Faserverbundwerkstoffe preisgünstiger werden, wird sich das Einsatzspektrum sicher deutlich erweitern. Hier erwartet sich die Branche umgekehrt deutliche Impulse von der Robotik und Automation. Die Idee ist, dass man Verbundwerkstoffe durch Roboter herstellen kann. So ist es denkbar, dass man im Bereich Faserverbundtechnologie von Automatisierungslösungen, wie sie in der Textilbranche bereits umgesetzt werden, lernen kann.

Zweiter Baustein im Bereich der Kooperation ist ein Kongress, den die SAMPE im Rahmen der Automatica 2010 organisiert. Er findet am Mittwoch und Donnerstag auf dem Messegelände in unmittelbarer Hallennähe statt und wird sich dem Thema „Automatisierung in der Faserverbundtechnologie“ widmen. Wir erwarten rund 130 Kongressteilnehmer. Es konnten hervorragende Keynote-Speaker gewonnen werden.

MM: Parallel zur Automatica findet in der Messe München die Solartechnikmesse Intersolar statt. Welche Wechselwirkungen gibt es zwischen beiden Veranstaltungen?

Schneider: Grundsätzlich sehr spannende. Zum einen stehen hinter der großserienfähigen Produktion von Solarmodulen und Photovoltaik natürlich Robotik und Automation. Und so  wissen wir, dass vor allem die Aussteller der Intersolar ein hochkarätiges Zielpublikum für die Automatica sind. Wir freuen uns, dass wir unsere Aussteller mit den Anwendern aus der Photovoltaik-Industrie zusammenbringen können. Der Automatica-Besucher wird mit einem Messeticket beide Fachmessen besuchen. Die Verzahnung geht aber noch weiter. Beispielsweise werden Automatica-Aussteller, die Kompetenzen im Solarbereich haben, auch im Intersolar-Katalog aufgeführt. So ziehen wir auch bei der Besucherwerbung an einem Strang.

Das Interview führten die MM-Redakteure Rüdiger Kroh und Jürgen Schreier.

Interview mit Projektleiterin Anja Schneider
Wir wollen mehr Besucher aus mehr Ländern und weiteren Branchen ansprechen
Nach einem schwierigen Jahr 2009, das geprägt war von einer wetweiten Wirtschaftskrise, setzt die Automatisierungsbranche große Erwartungen in die Automatica 2010. Diese zeigt vom 8. bis 11. Juni die ganze Welt der Autiomation und Mechatronik..Die zuständige Projektleiterin Anja Schneider gibt im Gespräch mit MM-Publisher Ken Fouhy Auskunft über den aktuellen Stand und die Kernthemen der Messe.

Mit dem Kamerasystem für Work Stations lassen sich Halbautomaten und andere bediente Arbeitsstationen barrierefrei absichern: Die berührungslos wirkende Schutz- einrichtung wird in den Ecken des Profilrahmens installiert. Bild: Sick

Ein Kamerasystem wirkt als berührungslose Schutzeinrichtung und überwacht den Handlingbereich von Dosier- und Klebetechnikanlagen, wenn der Bediener in den Prozess eingreifen muss. Es wird barrierefrei in den Ecken des Stahl- oder Nutenprofil-Rahmens einer Anlage angebracht. Für automatische und halbautomatische Test-, Prüf-, Bearbeitungs- und Montageautomaten, in die Personen während des Prozesses oder im Rahmen einer Notstrategie eingreifen müssen, wird eine Absicherung nach Sicherheitskategorie 3 beziehungsweise Performance Level (PL) d nach ISO 13849 oder SIL 2 nach IEC 61508 gefordert.  Für diese Anwendungen hat der Sensorhersteller Sick das Kamerasystem V300 WS (Bild 1) entwickelt, das ein neuartiges Konzept einer berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung darstellt: Sender und Empfänger des Sensors sind in einem einzigen Gerät integriert. Aus Mangel an Alternativen mussten bislang für solche Applikationen Lichtvorhänge der nächsthöheren Sicherheitseinstufungen (Kat 4, PL e, SIL 3) verwendet werden. Im Einsatz ist das 1-Gehäuse-Konzept mit integriertem Bildverarbeitungssensor beispielsweise bei der Do-Bo-Tech AG (Dosing & Bonding Technologies) in Schechen, Systemlieferant für Komplettlösungen der Dosier-, Klebe- und Dichtungstechnik. Zu den Kunden zählen fast alle namhaften Automobilkonzerne sowie Zulieferunternehmen von Lenk- und Getriebesystemen, aber auch Hersteller von Solartechnik oder von Lichtsystemen für den kommunalen und industriellen Einsatz.

Kamerasensor stieß bei Technikern auf großes Interesse

Ausgangspunkt eines Projektes ist in der Regel, dass Feststoffdichtungen durch Klebedichtungen ersetzt werden sollen oder dass vorhandene Klebelösungen auf neue Werkstoffe oder Prozesse zu adaptieren sind. Das Unternehmen entwickelt anhand von Prototypen zunächst die ideale Klebelösung, zum Beispiel mit einem minimierten Reibbeiwert als Klebe- und Dichtmittel bei der Montage von Magnesiumkomponenten. Danach folgt die prozessgerechte Umsetzung in geeignete Auftragsysteme einschließlich der förder-, handhabungs- und steuerungstechnischen Einbindung in die Anlage des Endkunden.

Dadurch hat der Maschinenbauer beziehungsweise der Endanwender für alle Bereiche, das heißt für die Kleberspezifikation, für Planung und Engineering der Auftragslösung, für den Maschinenbau, die Integration und Inbetriebnahme, nur einen Ansprechpartner. Qualität und Schnittstellenminimierung sind damit auch in der Sicherheitstechnik die Richtschnur der Systemauswahl. Als Sick, langjähriger Lieferant von Sicherheits-Lichtgittern, dem Unternehmen den Kamerasensor vorstellte, stieß das Gerät bei Technikern wie Einkäufern auf großes Interesse.

Neue Schutzeinrichtung basiert auf Bildverarbeitung

Es handelt sich dabei um eine auf Bildverarbeitung basierende, berührungslos wirkende Schutzeinrichtung. Sender und Empfänger des Sensors sind in einem einzigen Gehäuse integriert – ebenso die Zusatzfunktionen Reset und EDM (Electronic Device Monitoring zur Schutzkontrolle). Die kompakte, dreieckige Bauform ermöglicht die Montage mit nur zwei Schrauben im Eckbereich eines Stahl- oder Nutenprofil-Rahmens einer Arbeitsstation (Bild 2), also an einer Stelle, an der der Sensor weitgehend vor Stößen oder Dejustagen geschützt ist. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Installationsortes wird ein Reflektorband angebracht (Bild 3).

Das Kamerasystem hat eine große Apertur, erkennt mit seinem Blickwinkel von 110° automatisch die gesamte Länge und Breite der Reflektorfläche und richtet das 20-mm-auflösende Überwachungsfeld danach aus. So werden nicht überwachte Bereiche minimiert, auf die Verwendung zusätzlicher Schutzmaßnahmen wie mechanische Blenden kann verzichtet werden. Ist dennoch eine vollkommen blindzonenfreie Überwachung erforderlich, kann das Gerät direkt auf den Maschinenrahmen montiert werden.

Bei der Installation genügt das Augenmaß

Bei der Installation musste man sich bei Do-Bo-Tech erst einmal von den Gewohnheiten der Lichtgitter-Montage lösen: Sender und Empfänger müssen nicht mehr präzise in einer optischen Achse zueinander ausgerichtet werden, denn das Reflektorband wird vom Kamerasensor in einem Bereich von bis zu ±12 cm zur optischen Achse erkannt.

So genügt bei der Installation das Augenmaß. Das zeitaufwendige Ausrichten von Sender und Empfänger bei der Erstinstallation oder Neujustage entfällt völlig. Werden Dosier- oder Kleberauftragsstationen mit unterschiedlich großen Eingriffsfenstern konstruiert oder müssen deren Maße aufgrund von Randbedingungen am Aufstellungsort modifiziert werden, ist das Kamerasystem per Knopfdruck darauf einstellbar.

Kamerasystem mit Synchronisationseingang für Doppelmontage-Variante ausgestattet

Was das Kamerasystem für das Unternehmen ebenfalls interessant macht, ist die Möglichkeit, ein und denselben Sensor für alle Öffnungen mit Höhen bis 1 m, einer Diagonal-Reichweite bis 1,41 m und einem maximalen Seitenverhältnis von 2:1, beispielsweise 400 mm hoch und 800 mm breit, einzusetzen. Für den Einkauf und die Lagerhaltung ist das ideal: Es wird nur ein Gerät bestellt und nur eine Materialnummer verwaltet. Höhen- und auflösungsindividuelle Geräteversionen gibt es nicht. Sowohl bei der Erstmontage wie auch bei Nachrüstungen werden Typenverwechselungen vermieden.
Gilt es, größere Felder zu überwachen, können zwei identische Systeme nebeneinander eingesetzt und so die maximale Fenstergröße verdoppelt werden. Mit dem für die Doppelmontage-Variante erforderlichen Synchronisationseingang ist das Kamerasystem bereits ausgestattet. Weil sich Sender und Empfänger im selben Gehäuse befinden, muss zudem nur noch ein einheitliches Anschlusskabel beschafft, vorgehalten und installiert werden.

Eine der ersten Anwendungen des Systems bei Do-Bo-Tech war die Absicherung automatischer Inline-Systeme für den Auftrag von Kleberaupen auf Aluminium-Motorblöcke. Dabei handelt es sich um CNC-gesteuerte Inline-Systeme, die Silikonraupen lückenlos dosiert und positioniert aufbringen. Je nach Produktionsstückzahl einzelner Motorentypen liegen die Taktraten der Maschinen bei nur etwa 20 Sekunden; daher müssen für die automatischen Anlagen entsprechende Notstrategien in Form einer Handarbeitslösung vorgesehen sein.

Erfolgt der Auftrag nicht einwandfrei, muss ein Maschinenbediener die Silikonraupe mit einer Klebepistole per Hand auftragen, wobei er zwangsläufig in den gefahrbringenden Bereich der Auftragstation eingreift. Das Kamerasystem erkennt die Hand des Maschinenbedieners und stellt sicher, dass die im Notbetrieb abgeschaltete CNC-Dosierachse nicht plötzlich anfährt, während der Mitarbeiter mit seiner Klebepistole am Motorblock arbeitet.

Kamerasystem lernt bei Inbetriebnahme Reflektivitätsgrad des Reflektorbandes

Bei diesen Anlagen ist das Kamerasystem in der rechten oberen Ecke des Maschinenrahmens montiert, es kann aber auch in einer unteren Ecke platziert werden – also immer da, wo der Sensor den Bediener am wenigsten stört oder das Reflektorband der geringsten Gefahr einer Verschmutzung ausgesetzt ist. Für den Fall, dass das Reflektorband beschädigt wird oder durch Klebstoffreste verschmutzt sein sollte, stehen Prüfroutinen zur Verfügung, die eine schnelle Fehlerbehebung sicherstellen.

Um eine höchstmögliche Sicherheit und Verfügbarkeit zu gewährleisten, muss dem Kamerasystem bei der Inbetriebnahme außer der Positionserkennung des Reflektorbandes auch gleichzeitig dessen Reflektivitätsgrad eingelernt werden. Im Betrieb überwacht das Kamerasystem permanent das Reflektorband und erkennt durch abgeschwächte oder fehlende Reflexionen starke Verschmutzungen und größere Lücken, wie beispielsweise zerstörte Reflektorbereiche oder auf dem Band abgelegte Gegenstände.

Wird eine Störung gemeldet, kann diese über die Diagnose-Anzeige geortet werden, denn jede der vier Anzeigen überwacht ein anderes Segment innerhalb des 110°-Blickwinkels. Störungen durch Verschmutzungen lassen sich durch Abwischen des Reflektorbandes beseitigen, bei Beschädigungen wird das Band einfach und schnell ausgetauscht. In jedem Fall wird die Stillstandszeit der Arbeitsstation minimiert, weil die Störungsbehebung innerhalb kürzester Zeit und ohne Expertenwissen möglich ist.

Die Applikationsmöglichkeiten an den unterschiedlich dimensionierten Dosier- und Klebesystemen zeigen, wie das Optik- und Sensorkonzept neue Möglichkeiten zur Installation und Integration von Sicherheits- in Maschinentechnik eröffnet. Die Eck-Lösung steht aber nicht nur für die von Lichtvorhängen nicht abgedeckten Sicherheitskategorien 3 beziehungsweise PL d und SIL 2 zur Verfügung; sie ist auch als V200 WS für Anwendungen lieferbar, in denen Kategorie 2 beziehungsweise PL c und SIL 1 ausreichen.

Barrierefreie Überwachungslösungen für verschiedene Schutzfeldgrößen

Für beide Kamerasensoren gilt, dass Anwender, bedingt durch das System-, Montage und Anschlusskonzept bedienfreundliche und barrierefreie Überwachungslösungen bei verschiedenen Schutzfeldgrößen realisieren können. So profitiert auch das Bestellwesen und die Lagerhaltung von der neuartigen Absicherungslösung. Zudem ist das Kamerasystem jetzt auch in der Version V300 WS Extended mit erweiterten Leistungsmerkmalen erhältlich.

Das Reflektorband wird vom Kamerasensor in einem Bereich von bis zu ±24 cm zur optischen Achse erkannt. Auch eignet sich das System jetzt für Schutzfeldhöhen beziehungsweise -längen bis 1,5 m und für Diagonalen bis 2,12 m.   

Dipl.-Ing. (FH) Lars Schmitt ist Verkaufsaußendienst-Mitarbeiter der Sick Vertriebs-GmbH in 40549 Düsseldorf.

Überblick über die Fertigungszelle am Lehrstuhl FAPS zur Türmodulmontage. Bild: Deprag

Leichtbau ist Trumpf in der Automobilkonstruktion. Ein beachtliches Gewicht bringen allerdings nach wie vor die Bordnetzsysteme auf die Waage, die angesichts wachsender Ansprüche an Funktion und Komfort immer komplexer werden. Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Universität Erlangen-Nürnberg  hat deshalb eine gewichtssparende Automatisierungslösung erarbeitet, bei der Schraub- und Steuerungstechnik von Deprag Schulz zum Einsatz kommt. Im Automobilbau stehen die Weichen auf Veränderung. Politik und Verbraucher fordern im Kampf gegen den Klimawandel Autos, die wenig Kraftstoff verbrauchen und damit deutlich weniger CO2 ausstoßen. Neben der Forschung nach überzeugenden Antriebsalternativen zum herkömmlichen Verbrennungsmotor steht die Suche nach Einsparpotenzialen im Fokus. Ein Ansatz in dieser Hinsicht ist die Minderung des Fahrzeuggewichts.

Beim Kabelbaum stieß die Automatisierung bisher an ihre Grenzen

Der Großteil der beliebtesten Ausstattungsmerkmale eines Neufahrzeugs beruht heute auf Funktionen, die mit Hilfe der Elektronik realisiert werden. Doch treiben die dazu erforderlichen Bordnetzsysteme Gewicht und Kosten der Fahrzeuge in die Höhe. Das Gewicht deshalb, weil die konventionellen Kabelbäume an Masse und Volumen immer mehr zugenommen haben. Kosten, weil bei der Konfektionierung und Montage eine Automatisierung auf der Grundlage bestehender Technologien praktisch nicht möglich ist.

Ausgehend von der Überlegung, dass die Verlegung flexibler Flachleiterkabel anstelle des herkömmlichen Kabelbaums Kosten und Gewicht der Fahrzeuge reduzieren könnte, begannen Wissenschaftler des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ihre Forschungsarbeiten: Sie untersuchten die automatisierte Handhabung und Montage von flexiblen Flachleiterkabeln und entwickelten einen entsprechenden Anlagenprototyp.

FAPS-Forschungsanlage verlegt robotergeführt mehradrige Flachleiterkabel

Die FAPS-Forschungsanlage macht es möglich, mehradrige Flachleiterkabel auf dreidimensionalen, flächigen Modulen (einer Fahrzeugtür beispielsweise) robotergeführt zu verlegen und mittels der Verfahren Schmelzkleberauftrag oder Laserstrahlschweißen zu fügen. Im Mittelpunkt der Forschung stand die Verbindung der Kabel mit Funktionselementen, da die Stränge nach der Verlegung ja nur noch von einer Seite zugänglich sind. Deshalb musste eine neue Kontaktierungstechnologie entwickelt werden. Diese sollte automatisierbar sein und den zusätzlichen Prozessschritt des Abisolierens überflüssig machen. Die mittlerweile zum Patent angemeldete Federklammer-Direktkontaktierung ist der Erfolg dieser Entwicklungsarbeit.

Bei diesem Konzept wird das zu kontaktierende Flachleiterkabel zunächst über einen kleinen „Kontaktberg“ verlegt. Während der linearen Zustellbewegung des zu kontaktierenden Funktionselements durchtrennen die Schneiden der beiden Kontaktbeine einer Federklammer die Isolationsschicht des Flachleiterkabels, gleiten auf dem Kupferleiter ab und schieben sich dabei unter die Isolation.
Nun muss bis zur endgültigen Verschraubung des Funktionselements (zum Beispiel eines Lautsprechers) mit dem Funktionsträger (Türmodul) eine Niederhaltekraft aufgebracht werden, die der Federkraft der Federklammern entgegenwirkt. Nach der Verschraubung ist dann die gewünschte kraftschlüssige und redundante elektrische Verbindung zwischen Flachleiterkabel und Funktionselement erreicht.

Zwei Industrieroboter führen Federklammer-Direktkontaktierung aus

Die Umsetzbarkeit der Federklammer-Direktkontaktierung wird am FAPS-Lehrstuhl in verschiedenen Montagezellen demonstriert und evaluiert. So werden dort unter anderem die automatisierte Flachleiterverlegung, die Flachleiterkontaktierung sowie die vollständige automatisierte Montage von Pkw-Modulen, die Flachleiterkomponenten enthalten, untersucht.

In einer der Fertigungszellen wenden zwei Roboter die Federklammer-Direktkontaktierung exemplarisch an, um Flachleiter und elektrische Systeme – im konkreten Fall einen Lautsprecher – in einer Fahrzeugtür zu montieren. Zwei Linearroboter des Typs RL16 von Reis Robotics sind so angeordnet, dass zwischen ihnen ein gemeinsamer Arbeitsraum entsteht. Um die durch Linearroboter gegebenen Freiheitsgrade zu erweitern, ist das Werkstück auf einem Hexapod angebracht, der zusätzliche Positionsveränderungen ermöglicht. Der zelleninterne Materialfluss wird über ein Doppelbandgurtsystem abgewickelt.

Komplexes Schraubsystem und Greifer kontaktieren Lautsprecher

Den Robotern stehen über die in der Montagezelle enthaltenen Greiferbahnhöfe verschiedenste Werkzeuge zur Verfügung. Für die elektrische Kontaktierung des Lautsprechers mit dem in der Fahrzeugtür verlegten Flachleiterkabel sind ein komplexes Schraubsystem mit Schraubenzuführung sowie ein spezieller Kontaktierungsgreifer im Einsatz.

Während der Greifer von den Wissenschaftlern des Lehrstuhls für diese Aufgabe eigens entwickelt wurde, setzte das Team um Dipl.-Informatiker Markus Michl bei Schraubwerkzeug, Schraubenzuführung und Schraubsteuerungstechnik auf die Kompetenz des Amberger Schraub- und Automatisierungsspezialisten Deprag Schulz.

Geringes Gewicht prädestiniert Minimat-E-Schrauber für den Robotereinsatz

Die Hauptkomponente des Schraubsystems besteht aus einem Schrauber des Typs Minimat-E 320E27-0042 mit einem für den Anwendungsfall geeigneten Drehmomentbereich von 0,7 bis 4,2 Nm. „Aufgrund seiner minimalen Baugröße und des geringen Gewichts erweist sich dieses Gerät als bestens geeignet für ein Schraubwerkzeug am Endeffektor des Roboters“, erläutert Projektleiter Markus Michl.

Um dem Minimat-E-EC-Schrauber die vier für den Lautsprecher benötigten Schrauben M4 x 12 mm automatisch zuzuführen, benutzt die FAPS für ihre Anlage ein Schraubenzuführsystem, das bei Deprag Schulz in Standardausführung erhältlich ist. Basierend auf der Vibrationswendelfördertechnik zeichnet sich das Schraubenzuführsystem durch hohe Förderleistung aus. Es besteht aus einem Schwingförderer, einem Einfachwendelfördertopf und einer Vereinzelung. Die Schrauben werden automatisch vor jedem Schraubvorgang über einen Zuführschlauch zugeschossen. Die Schraube wird über das Mundstück und die Schnabelhülse ideal geführt und zum Verschrauben lagegenau bereitgestellt.

Der Roboter positioniert das Paket Schrauber, Mundstück und Schnabelhülse an der Schraubstelle in Schraubposition. Mit Hilfe einer Lineareinheit fährt der Schrauber nach unten – seine Klinge taucht durch Mundstück und Schnabelhülse hindurch – auf den Schraubenkopf. Nach dem Startsignal durch die übergeordnete Steuerung wird nun die über den Zuführschlauch eingeschossene Schraube eingedreht.

Befestigung der Schrauben erfolgt in zweistufigem Prozess

Die Schrauben werden in einem zweistufigen Prozess befestigt: Zuerst wird die Schraube mit einer langsamen Drehzahl eingefädelt und im Anschluss daran auf vorgegebenes Drehmoment (minimal 1,2 Nm, maximal 1,8 Nm) angezogen. Beim erreichten Drehmoment schaltet der Schrauber automatisch ab. Die Schraube sitzt sicher – immer mit dem gleichen Drehmoment – mit einer maximalen Standardabweichung von 3% im Bauteil. Innerhalb 1,3 Sekunden ist die Schraube eingedreht. Dieser Einschraubprozess wird von der Deprag-Schraubsteuerung AST10 überwacht, die in den steuerungstechnischen Aufbau der Montagezelle integriert ist.

Bernd März, Leiter des Deprag-Entwicklungszentrums Mechatronik, beschreibt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Schraubsteuerung: „Unsere AST10-Ablaufsteuerung findet sowohl in vollautomatisierten Montageanlagen als auch an Handarbeitsplätzen ihren Einsatz.“ Sie dient dort als Schraubsteuerung für bürstenlose EC-Motoren, zur standortunabhängigen Bedienung und Überwachung von Schraubprozessen, zur zentralen Datenerfassung und Datenbereitstellung, zum Datenabgleich mit externen Datenbanken und zum weltweiten Zugriff auf Prozessdaten. Die Vorteile liegen in der hohen Präzision, der durchdachten Softwareergonomie, der http-Schnittstelle und dem integrierten Webserver.

Einfache Integration der AST10-Schraubsteuerung

Projektleiter Markus Michl hat sich für die AST10 als Schraubsteuerung entscheiden, „weil uns die einfache Integration in unser Steuersystem überzeugt hat“. Zentrale Steuerungskomponente der prototypischen FAPS-Montageanlage ist ein PC, der über verschiedene Schnittstellen an die einzelnen Gerätesteuerungen – wie auch die AST10 – gekoppelt ist und diese bedarfsgerecht ansteuern kann. Über Ethernet ist eine Verbindung des Steuerrechners mit den beiden Maschinensteuerungen der Industrieroboter gewährleistet, denen über Datenpakete im XML-Format Fahranweisungen von extern vorgegeben werden können.

Ebenso besteht eine Ethernet-basierte Kommunikationsverbindung zum Hexapod. Über USB-Schnittstellen sind außerdem zwei IO-Warrior (Microcontroller zur Prozessüberwachung) angeschlossen, die SPS-typische Aufgaben, wie das Setzen und Lesen von digitalen Ein- und Ausgängen, erlauben. Über die IO-Warrior sind Aktoren (Magnetventile zur Druckluftsteuerung) und Sensoren (Kontrolle des Schraubenzuschusses, Erkennung der Zustellposition der Lineareinheit) zur Koordinierung der Arbeit des Vibrationswendelförderers sowie der Zuführkomponenten mit dem Steuerrechner verbunden.

Schraubensteuerung AST10 über PLC-Port mit IO-Warrior vernetzt

Die Schraubensteuerung AST10 wurde über ihren PLC-Port mit dem IO-Warrior vernetzt. Über diese Kommunikationsschnittstelle wird der Steuerung die Auswahl des Schraubprogramms mitgeteilt, die Startfreigabe zur Verschraubung gegeben sowie Rückmeldungen seitens der Schraubsteuerung (System IO/NIO, Verschraubung IO/NIO) empfangen. Darüber hinaus bestehen serielle und Ethernet-Verbindungen zur Schraubsteuerung, um im Rahmen der Prozessüberwachung detaillierte Informationen über den Verlauf des Schraubvorgangs zu erhalten.

Über die serielle Verbindung werden Datenstrings übermittelt, die beispielsweise Informationen über Endanzugsmomente der Schrauben oder Fehlercodes enthalten. Der Inhalt dieser Datenstrings kann vorab über das webbasierte Konfigurationsinterface der AST10-Steuerung konfiguriert werden. Über einen http-Request kann zur Prozessanalyse und Dokumentation eine detaillierte Datenaufzeichnung des Schraubvorgangs abgerufen werden. Somit stehen beispielsweise Drehmoment, Drehwinkelverlauf und Nummer der Schraubphase im Takt von wenigen Millisekunden zur Analyse im Fehlerfall und damit zur Prozesskontrolle zur Verfügung.

Bediener muss keine Ablaufprogramme mehr erstellen

Mit diesen datentechnischen Verknüpfungen sind für Projektleiter Michl optimale Voraussetzungen für eine bedienerfreundliche zentrale Koordinierung der gesamten Montagezelle geschaffen. Um diese für den Nutzer so einfach wie möglich zu machen, werden elementare Funktionen wie Roboter- oder Hexapodbewegungen, die Zuführung von Schrauben oder die Ausführung von Schraubprogrammen in einer Ablaufsteuerung zusammengefasst, die in der objektorientierten Scriptsprache Python implementiert ist.

Das entlastet den Bediener enorm, denn die zeitaufwendige und fehleranfällige Erstellung von Ablaufprogrammen entfällt. Die Aufgabe des Bedieners besteht lediglich darin, in einem vorgegebenen Datenformat Arbeitsanweisungen an die Geräte zu spezifizieren. Das gewählte Datenschema enthält immer fünf Elemente nach dem Schema „Auftragsname/Vorbedingung/Maschinenname/Befehl/Parameter“.

Praktischer Ablauf der Türmodulmontage

Und so läuft die vollautomatische Türmodulmontage nun ab: Das Türmodul mit den bereits aufgebrachten Flachleiterkabeln sowie der zu montierende Lautsprecher werden über das interne Transfersystem zugeführt. Das Türblech ist als Basiskomponente auf einer Palette fixiert, die auf den Hexapod gespannt wird. Anschließend nimmt der Roboter, der mit dem Kontaktierungsgreifer ausgestattet ist, den Lautsprecher auf und setzt diesen an die vorgegebene Montageposition. Dabei wird bereits die Kontaktierung zwischen Flachleiterkabel und Lautsprecher hergestellt. Hauptschwierigkeit: Der Roboter muss diese Position so lange beibehalten, bis der Lautsprecher dauerhaft durch Verbindungselemente fixiert, also verschraubt ist.

Das ist die Aufgabe des zweiten Roboters, der das Schraubwerkzeug handhabt. Dieser fährt jeweils eine Verbindungsstelle an, woraufhin die Schraube zugeführt wird. Damit wird der Schraubvorgang ausgelöst und die Schraube auf Drehmoment eingedreht. Dieser Vorgang wird für alle Verbindungsstellen wiederholt. Danach kehren die beiden Roboter in die Ausgangsposition zurück, das montierte Türmodul wird wieder aus der Zelle ausgeschleust.

Erlanger Wissenschaftler analysieren alternative Verkabelungs- und Kontaktierungsarten

Dipl.-Informatiker Markus Michl hebt das Potenzial der Forschungsanlage hervor: „Aufgrund der entwickelten flexiblen Software-Frameworks ist auch die Erprobung weitaus komplexerer Abläufe mit mehreren auf dem Türmodul zu kontaktierenden Komponenten mit minimalem Aufwand umsetzbar.“ Auch die Fertigung anderer Moduleinheiten sowie der Einsatz modifizierter Kontaktierungstechnologien könne ohne weiteres realisiert werden.

Vor einer breiten Verwendung dieser neuen Technologie im Automobilbau müssen allerdings noch weitere abschließende Untersuchungen folgen. In Langzeituntersuchungen wollen die Wissenschaftler unter anderem die Zuverlässigkeit dieser und anderer alternativer Verkabelungs- und Kontaktierungsarten analysieren.

Basierend auf den Erfahrungen aus der Photovoltaik-Modulproduktion hat Minitec neue Sonnenkollektoren entwickelt und zertifiziert.Bild: Minitec

Minitec hat für die Kollektorproduktion ein komplett neues Produktionskonzept entwickelt. Basierend auf Erfahrungen aus der Photovoltaik-Modulproduktion wurden neue Sonnenkollektoren entwickelt und zertifiziert. Außerdem hat Minitec die Produktion standardisiert und optimiert. Das neue Solar-Thermal-Competence-Center (STCC) in Waldmohr unterstützt Kollektorhersteller von der Planung über die Einrichtung der Fertigungsanlage bis hin zur Zertifizierung und dem Produktionsstart. Die Herstellung von Sonnenkollektoren steht unter erheblichem Rationalisierungsdruck. „Im Gegensatz zur Photovoltaik arbeiten die meisten Kollektorhersteller aber noch nicht nach den Prinzipien einer industriellen Fertigung“, weiß Bernhard Bauer, Gründer und Geschäftsführer der Minitec GmbH & Co. KG. Die Produktion in Einzelfertigung oder Kleinstserien verteuere zudem die Produkte und bringe nicht selten Qualitätsprobleme mit sich. Deshalb müsse die Fertigung von Solarthermie zur nachhaltigen Akzeptanz und wirtschaftlichen Produktion optimiert werden, so Bauer.

Standardisierung und Prozessoptimierung sind das Gebot der Stunde

Eine Voraussetzung hierfür sieht der Automatisierungsexperte in der verstärkten Standardisierung der Komponenten für Kollektoren. Darüber hinaus müsse die Fertigung nach dem Vorbild der Automobilindustrie für rationelle Serienfertigung bei höchster Qualität organisiert werden.

Diesen Anforderungen stellt sich das neue Solar-Thermal Competence Center (STCC) von Minitec in Waldmohr. Nach dem Umzug 2009 in das neue Firmengebäude in Schönenberg-Kübelberg nutzte der Automatisierer, der in rund 15 Jahren umfangreiche Erfahrungen in der Photovoltaik-Modulproduktion sammeln konnte, die frei gewordene Betriebsstätte in Waldmohr zum Aufbau einer Produktionslinie für solarthermische Flachkollektoren der neuesten Generation.

Die neue Produktionslinie ist als Kompetenzzentrum für die Solarfertigung konzipiert. Es soll den Kunden praktische Erfahrungen in der Kollektorfertigung vermitteln und die Montagemethoden anhand empirischer Erkenntnisse verbessern.

Vor der Serie steht ein wahrer Testmarathon

Die Entwicklung eines neuen Sonnenkollektors nimmt erfahrungsgemäß mindestens zwei Jahre in Anspruch. Diese Zeit wird benötigt, um den Kollektor zu konstruieren, die Einzelteile zu entwickeln, Muster zu fertigen und das Endprodukt zu zertifizieren. Das Zertifikat setzt eine Reihe von zeitraubenden Tests voraus, ohne die der Kollektor nicht eingesetzt werden darf. Außerdem müssen zu diesem Zeitpunkt bereits Produktionsanlagen angeschafft und betriebsfähig sein, um die zu prüfenden Kollektoren herzustellen.

Hinzu kommt, dass aus den Tests resultierende Produktänderungen häufig zu völlig anderen Erfordernissen für die Produktionsanlage mit hohen Folgekosten führen. Außerdem sind erhebliche Mittel erforderlich, um die Zeitspanne von der Entwicklung bis zur Zertifizierung zu finanzieren.

Vereinfachter Produktionsstart für Minitec-Kunden

Diese Problematik hat Minitec erkannt und für die Kollektorproduktion deshalb ein völlig neues Modell entwickelt: Mit der Erfahrung aus der Photovoltaik-Modulproduktion wurden neue Sonnenkollektoren entwickelt und zertifiziert. Für diese Hochleistungskollektoren wurde gleichzeitig die Produktionsanlage standardisiert und optimiert. Produzenten, die mit der Herstellung von Sonnenkollektoren starten wollen, erhalten von Minitec eine uneingeschränkte Lizenz für den Kollektor mit Zertifikat, den Nachweis für die Einzelteilbeschaffung und die erprobte Produktionsanlage nach neuesten Gesichtspunkten.

Die Herstellung einer Fertigungslinie für Kollektoren dauert etwa neun Monate. Während dieser Zeit kann der Kunde im STCC seine Mitarbeiter einarbeiten und erste Kollektoren unter seinem Logo produzieren, die dann unter anderem für Marketingmaßnahmen und für die Markteinführung eingesetzt werden können. Die Montagelinie für die Sonnenkollektoren ist modular aufgebaut. Newcomer in diesem Markt können die Linie anfangs manuell betreiben bei einer Produktion von rund 100 Stück pro Tag. Nach Bedarf lässt sich die Anlage danach aufrüsten bis zur vollautomatischen Fertigungsstraße für die Herstellung von bis zu 1000 Kollektoren pro Arbeitstag.

Sonnenkollektoren werden auf Werkstückträgern montiert

Die Montage der Kollektoren erfolgt auf Werkstückträgern, die auf einer FMS-Förderanlage automatisch zu den in die Linie integrierten Bearbeitungsstationen transportiert werden. Die Absorber werden in einem Parallelprozess auf einer Laserschweiß-Anlage (LSA) hergestellt. Diese Anlage schweißt mit einer Leistung von rund 15 m/min Kupferrohre hochselektiv auf das speziell beschichtete Absorberblech aus Aluminium. Diese Materialkombination hat deutliche Kosten- und Gewichtsvorteile gegenüber den bisher üblichen Absorbern in Cu/Cu-Ausführung. Bis jetzt sind bereits 14 Laserschweiß-Anlagen weltweit im Einsatz.

Für alle vorbereitenden Prozesse wie Rohrbearbeitung, Harfen- oder Mäanderherstellung, Dichtheitsprüfung oder Richtanlagen sind parallel arbeitende Arbeitsstationen verfügbar, sodass der Hersteller alle Arbeitsschritte selbst durchführen und kontrollieren kann.

Die Roboterstationen zur Wafer-Handhabung verwenden Greifsysteme, die auf dem Bernoulli-Prinzip basieren, um die Wafer nach der Inspektion anzuheben und zu sortieren. Bild: Adept

Die Hersteller von Solarzellen sind gezwungen ihre Fertigung zunehmend zu automatisieren. Die Kombination von einem Roboter mit Vier-Arm-Kinematik und zugehörigen Bildverarbeitung ermöglicht die automatisierte Inspektion und erhöht den Durchsatz. Obwohl die Nachfrage nach Solarprodukten rasant steigt, ist die Herstellung von Strom mit Solarzellen noch immer teurer als die Stromproduktion mit fossilen Brennstoffen. Allerdings rückt die sehnsüchtig erwartete Grid Parity nicht zuletzt dank immer wirtschaftlicherer Produktionsmethoden allmählich näher. Die Photovoltaik-Hersteller stehen unter einem enormen Kosten- und Innovationsdruck. Nur wer die neuesten Techniken umsetzt, kann am Markt bestehen. Kostenreduzierungen werden sich in den nächsten Jahren zum einen durch eine Weiterentwicklung der Technik, sprich eine bessere Qualität der Zellen selbst, und zum anderen durch eine steigende Wirtschaftlichkeit durch Massenproduktion ergeben. Wie in vielen anderen Bereichen auch, ist der Trend zur Automatisierung auch in der Photovoltaikindustrie nicht mehr aufzuhalten. Die Automatisierungstechnik ermöglicht den Herstellern, die Erträge zu steigern und die Kosten zu senken. Außerdem produzieren Solarhersteller in größeren Betriebsstätten, sodass eine Automatisierung heute unumgänglich ist.

Adept Technology arbeitet mit verschiedenen Solarzellen-Herstellern zusammen und das Zusammenspiel eines Adept-Quattro-s650H-Roboters mit der Bildverarbeitung Adept-Sight ermöglicht es, verschiedene Schritte im Herstellungsprozess zu automatisieren.

Das automatisierte Inspektionssystem befindet sich zwischen der Siebdruckstation und dem Brennofen für den Elektrodendruck (Bild 1). Dies ist der vorletzte Schritt im Herstellungsprozess und die Siliziumscheiben haben bereits mehrere Dünnschicht-Beschichtungsverfahren durchlaufen, damit deren Wirkungsgrad beim Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie möglichst hoch ist.

Hochauflösende Kamera ist mit Bildverarbeitungscontroller Smart-Vision EX verbunden

Beim Drucken wird ein Raster von Elektroden mit leitfähiger Tinte aufgebracht. In dieser Phase zahlt es sich aus, das Raster zu untersuchen, die Wafer, die Druckfehler aufweisen, zu recyceln und das Raster neu aufzubringen. Gleichzeitig können Risse, Verunreinigungen und andere Mängel im Wafer ermittelt werden.

Die LED-Leuchtenreihen sind so positioniert, dass der Lichtschutz das Eindringen des meisten Umgebungslichts verhindert und die Spiegelreflexionen von den Wafer-Oberflächen nicht in die Kameraöffnung gelangen können, sondern durch die Innenoberfläche des Lichtschutzes absorbiert werden (Bild 2).

Die Wafer können sich während der Inspektion ungehindert auf dem Transportband bewegen. Die verwendete hochauflösende Kamera ist an den Bildverarbeitungscontroller Smart-Vision EX von Adept angeschlossen, einen PC-basierten Bildverarbeitungscontroller, auf dem die Bildverarbeitungssoftware Adept-Sight ausgeführt wird. Sie enthält alle notwendigen Algorithmen für die geforderten Inspektionsanwendungen und führt gleichzeitig den Roboter auf der Suche nach einzelnen Wafern.

Die zweifachen Anforderungen – automatisierte Inspektion und Roboterführung – erfordern zwei verschiedene, auf das gleiche Bild angewendete Analysealgorithmen. Wenn sich der Wafer mit dem Transportband bewegt, wird ein Bild mit der Kamera aufgenommen und dieses über die GigE-Verbindung in den Bildverarbeitungscontroller zur weiteren Verarbeitung hochgeladen. Das Schwellenwertverfahren und die Konturenerkennung heben die Kontur des Wafers sowie die Siebdruckelektroden hervor.

Controller des Bildverarbeitungsprogramms klassifiziert die Zellen

Inspektionsaufgaben können in drei Bereiche unterteilt werden: Druckinspektion, Inspektion auf Abplatzungen und Rastererkennung. Die Druckinspektion gewährleistet, dass die Elektrodenkanten glatt sind, das richtige Raster bilden und einwandfrei mit den Waferkanten ausgerichtet sind. Die Inspektion auf Abplatzungen stellt sicher, dass die Waferkontur nicht von der korrekten Größe und Form abweicht: Alle Kanten müssen gerade und die Abmessungen und Fasungen der Ecken korrekt sein. Risse sehen wie belanglose unregelmäßige Linien aus, die durch Kontrastverstärkung und Schwellenwertverfahren hervorgehoben werden. Die Algorithmen zur Rastererkennung suchen nach allem, was ungewöhnlich ist, wie Rissen oder unterbrochenen Tintenlinien. Lineare Messalgorithmen überprüfen die einwandfreie Positionierung des Tintenrasters, das vorhanden sein sollte.

Die Anforderungen an den Roboter sind prinzipiell ganz einfach. Der Roboter muss mit Hilfe der Kamera genau erkennen, wie die Wafer auf dem Band liegen. Das integrierte Bildverarbeitungsprogramm ermittelt die genaue Ausrichtung des Wafers. Der Smart-Controller setzt diese Informationen via Fire-Wire-Schnittstelle in ein gedrehtes Koordinatensystem um, das mit den Kanten des Wafers ausgerichtet ist.

Der Controller des Bildverarbeitungsprogramms klassifiziert die Zellen und sortiert die ausgemusterten Wafer in verschiedene Behälter. Es gibt Wafer, die gereinigt und wiederverwertet werden können, und Wafer, die verschiedene nicht korrigierbare Mängel aufweisen, zum Beispiel abgeplatzte Kanten und Ränder sowie Risse. Weil die verschiedenen Mängel unterschiedliche Ursachen haben, ist das Sortieren entsprechend dem Mangeltyp hilfreich bei der kontinuierlichen Prozessverbesserung.

Die Wafer-Handling-Station, die nach der Inspektion folgt, verwendet einen Adept-Quattro-Roboter und stimmt sich mit dem Bildverarbeitungssystem ab, um sowohl die Inspektion als auch das Handling der Wafer zu automatisieren. Der Quattro s650H (Bild 3) ist eine neuartige Kinematik, die speziell für High-Speed-Verpackung und Materialhandling entwickelt wurde. Er ist weltweit der einzige Roboter mit Vier-Arm-Design und erreicht so eine sehr hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung über den gesamten Arbeitsbereich.

Der rotierende Freiheitsgrad wird durch Schultergelenke in der Basiseinheit ermöglicht, durch die die vier Arme des Roboters relativ zu einander bewegt werden können. Durch diese Anordnung werden Stärke, Geschwindigkeit und Beweglichkeit der Quattro-Roboter erhöht, gleichzeitig werden jedoch auch die kinematischen Berechnungen der Bewegungscontroller viel komplizierter.

Greifer arbeiten nach dem Bernoulli-Prinzip

Als weitere Abweichung von der herkömmlichen Praxis bei der Materialhandhabung durch Roboter verwendet die Konstruktion von Adept anstelle der üblichen Sauggreifer eine sanftere Methode zum Aufnehmen und Bewegen von Wafern, die auf dem Bernoulli-Prinzip basiert. Bei Sauggreifern wird ein Vakuum erzeugt, um den Wafer an einen Elastomer-Saugnapf anzusaugen. Die Reibung zwischen den Saugnapflippen und dem Wafer erzeugt dann die Kraft, die zum Bewegen des Wafers erforderlich ist.

Das Bernoulli-Prinzip zeigt hingegen, wie man den positiven Luftdruck nutzen kann, um einen Wafer eng an eine flache Platte anzusaugen, ohne dass dieser dabei aber die Platte berührt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die durch einen engen Spalt zwischen den Greifplatten und dem Wafer strömt, muss sich erhöhen, damit die Luft entweichen kann. Außerhalb des Spalts verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft bis auf null.

Demnach muss der Luftdruck in dem Spalt viel niedriger sein als der Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck presst den Wafer eng an die Platte, jedoch ohne dass dieser die Platte berührt. Der Wafer kann nicht in Berührung mit der Platte kommen, weil dies den Luftstrom blockieren und den Bernoulli-Effekt verhindern würde.

Sauggreifer verursachen eine punktuelle Belastung um die Ansaugöffnung herum, wohingegen die Bernoulli-Greifer die Belastung auf die ganze Greifplatte verteilen. Dieses Phänomen verringert wesentlich den maximalen Belastungsgrad im Wafer und demzufolge auch das Auftreten nachfolgender Brüche.

Die Vorteile einer automatisierten Inspektion sind vielfältig. In der Vergangenheit verließen sich die Hersteller bei der Qualitätssicherung auf die manuelle Inspektion der Mitarbeiter. In verschiedenen Arbeitsschritten waren es mehrere Personen, die die Wafer überprüft haben. Da manuelle Inspektion nicht immer einheitlich ist, ermöglicht eine automatisierte Inspektion mit Roboter und Bildverarbeitung eine bessere Qualität mit einer höheren Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Material- und Fixkosten.

Mit dem Einsatz eines Bildverarbeitungsprogramms können Eigenschaften wie die Länge und Breite von Wafern millimetergenau erkannt oder Risse am Wafer erfasst werden. Ein höherer Durchsatz kurz vor Ende des Fertigungsprozesses hat einen großen Einfluss auf die Gesamtherstellungskosten.   
Dipl.-Ing. Rüdiger Winter ist Vertriebsleiter der Adept Technology GmbH in 44227 Dortmund.

Ausschnitt der Förderstrecke: Die Arbeitsbereiche sind durch  Abdeckungen der Rollenbahn  und durch Einhausung der  Rückführung für die leeren  Werkstückträger geschützt.  Bild: Bosch Rexroth

In der Achsfertigung bei Škoda Auto zeigt ein Transfersystem, wie einfach es an Prozesse angepasst und installiert werden kann. Möglich ist dies durch das hohe Maß an Gleichteilen, standardisierten Schnittstellen und das Baukastenprinzip. Zudem kommt das System weitestgehend ohne Wartung aus. Insgesamt 87 verschiedene Typen von Vorderachsen fertigt Škoda Auto im VA-Aggregatewerk Mladá Boleslav. Die Montage erfolgt weitgehend manuell, lediglich die Schraubprozesse sind automatisiert. Bisher wurden die Achsen, mit einem mittleren Gewicht von 40 kg, auf unterschiedlichen Typen von Schwerlastförderern, die auf Stahlkonstruktionen zum Beispiel mit einem Kettenantrieb basierten, montiert. Dies waren keine besonders flexiblen Lösungen und schränkte die Möglichkeiten ein, die Fertigungstechniken nachträglich zu modifizieren. Deshalb entschied die Werkleitung, für die neue Montagelinie auch ein Transfersystem einzusetzen. Die Montage der Achsen erfolgt just in time zur Fahrzeugfertigung im angegliederten Werk. Hauptanforderung war es, die Prozesssicherheit der gesamten Montage zu gewährleisten.

Montageplätze und Schraubstation auf einer Länge von 40 m

Innerhalb von 14 Tagen war das Transfersystem TS 5 von Rexroth installiert und betriebsbereit. Auf einer Länge von 40 m sind die Montageplätze sowie die automatische Schraubstation angeordnet. Die Zeitersparnis und die Flexibilität beim Aufbau schätzt der Autobauer sehr. Vor allem die Gewissheit, die Anlage leicht umstellen zu können.

Die Montana s.r.o. in Mladá Boleslav, Auftragnehmer der ganzen Montagelinie, hat spezielle Werkstückträger mit einer Länge von 1,7 m nach Materialvorgaben von Škoda und Konsultationen mit Rexroth realisiert. Das Unternehmen war auch verantwortlich für die Umsetzung der horizontalen Verschiebe-Einheit am Schraubprozess. Die Achsen werden an dieser Stelle sowohl von oben als auch von unten bearbeitet.

Leere Werkstückträger werden automatisch von der Montagelinie zurücktransportiert

Um den Rücktransport der leeren Werkstückträger, der unterhalb der Förderstrecke verläuft, nicht zu behindern, ist eine Verschiebung nötig. An den Stirnseiten sind Lifte angebracht, welche die Werkstückträger nach oben auf die Montagelinie oder nach unten auf die Rückführlinie setzen.

Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie einfach sich das Transfersystem an individuelle Applikationen anpassen lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine herkömmliche Wartung nötig ist. Das Prinzip der Wartungsfreiheit hat Montana auch bei seinen Zubauten eingehalten, indem beispielsweise Zahnriemen für die Hebevorrichtung verwendet wurden. Eine Wartung beziehungsweise Schmierung für den reibungslosen Antrieb ist nicht nötig, da Rexroth auf den Antrieb durch eine Königswelle setzt.

Die Antriebswellen im Transfersystem TS 5 sind 6-Kant-Wellen aus Messing, die eine schnelle Montage und Demontage ermöglichen, weil sich damit der Formschluss von Welle und Friktionskupplung direkt aus der Konstruktion ergibt. Befestigungen wie Passfedern sind nicht notwendig.

Rollenförderer mit Königswelle ist wartungsfrei, geräuscharm und hat einen hohen Wirkungsgrad

Das Antriebskonzept des Rollenförderers mit Königswelle ist, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kettenantrieb, wartungsfrei, geräuscharm im Lauf und hat einen hohen Wirkungsgrad. Außerdem kann die Friktion von außen ohne Werkzeug eingestellt werden.

Mit Antriebsmomenten bis 45 Nm sind Fördergeschwindigkeiten von 2 bis 18 m/min möglich. Die Rollen unterhalb des Werkstückträgers bleiben bei Vereinzelung stehen, es kommt nicht zum Verschleiß an der Rolle oder dem Werkstückträger. Darüber hinaus lässt sich dieses System im Vergleich zu einem Rollenketten-Fördersystem auch im zerspanenden Bereich einsetzen.

Transfersystem transportiert Lasten bis 300 kg

Mit dem Transfersystem lassen sich Lasten bis 300 kg über lange Produktionsstrecken transportieren. Die Produkte können sowohl auf Werkstückträgern, mit wählbaren Kantenlängen zwischen 455 und 1240 mm, als auch direkt auf einer durchgängigen Rollenbahn bewegt werden. Das Standardprogramm hält Systembreiten von 455, 650 und 845 mm bereit.
Um die Werkstücke oder die Werkstückträger auszurichten, liefert Rexroth die passenden Positioniereinheiten. Gedämpfte Vereinzeler kommen vor Positioniereinheiten und beispielsweise vor Kurven zum Einsatz.

Kurven oder Weichen benötigen keine zusätzlichen Antriebe

Kurven sind eine weitere Raffinesse des Transfersystems. Abzweigungen sind wahlweise rechts oder links möglich. Der Antrieb muss nicht auf die andere Seite verlegt werden, weil das Förderniveau des Werkstückträgers oberhalb der Antriebskomponenten liegt und die Welle überfahrbar ist. Das Layout lässt sich sehr flexibel gestalten und um weitere Streckenmodule erweitern.

Bei Kurven oder Weichen sind keine zusätzlichen Antriebe notwendig. Dazu unterstützt Rexroth die Anlagenplanung mit der Projektierungssoftware MT-pro, die die Stückliste der enthaltenen Komponenten im TS 5 automatisch generiert.

Im Werk von Škoda Auto nutzte man für die Zusammenstellung der Anlage die Kompatibilität des Transfersystems zum Mechanik-Grundelemente-Baukasten (MGE) und den manuellen Produktionssystemen (MPS) mit Regalsystemen und Arbeitsplätzen von Rexroth. Damit wurden unter anderem das Gehäuse, das den Rücktransport schützt, oder die Winkelprofile, an denen Positionier- und Not-Aus-Schalter befestigt sind, umgesetzt.

Schutzabdeckungen passen modular zu den übrigen Komponenten des Transfersystems

Auf dem Standardsortiment basieren auch die Blechabdeckungen für die Zwischenräume der Rollen, die zum Schutz der Werker im Arbeitsbereich dienen. Die Modularität ergibt sich durch die einheitlichen Schnittstellen der einzelnen Komponenten wie Kupplungen oder Profilverbinder. Die Schnittstellen bieten ferner die Flexibilität, vorgegebene Getriebemotoren einsetzen zu können.
Das Umsetzungsteam war von Anfang an vom Transfersystem überzeugt und weiß die Einfachheit des Systems zu schätzen. Auch ohne professionelle Hilfe könnte man die Fertigungsstrecke um einige Meter erweitern, falls die Achsen modifiziert werden sollten. Aus Sicht der Fertigungsleitung und des Systemintegrators ist es sogar denkbar, weitere Fahrzeugkomponenten, zum Beispiel Motoren oder Getriebe, auf dieser Linie zu fertigen.

Christoph Rieger ist Produktmanager Materialflusssysteme bei der Bosch Rexroth AG, 70442 Stuttgart.

Die neue Kamera-Serie besitzt einen 14-Bit-Analog-digital- Wandler für höchste Dynamik und ein hohes Signal-Rausch- Verhältnis. Bild: Matrix Vision

Matrix Vision präsentiert auf der Automatica 2010 das neueste Mitglied der Gigabit-Ethernet-Kamera-Serie: MV-Blue-Cougar-X. Wie das Unternehmen mitteilt, steckt die Kamera hinsichtlich hardware-basierter Smart-Features und Design voller Extras. Beispielsweise sei das sehr kompakte und hochwertige Gehäuse industriegerecht verwendbar und biete verriegelbare Anschlussmöglichkeiten. Die Kamera-Serie wird über eine breite Palette an hochempfindlichen CCD/CMOS-Farb- und Grauwert-Sensoren viele Applikationen abdecken, heißt es weiter. Als Objektive werden sowohl C-Mount, CS-Mount als auch S-Mount unterstützt. Aufnahme und Übertragung der Bilder kann entkoppelt werden Die Kamera-Serie besitzt einen 14-Bit-Analog-digital-Wandler für höchste Dynamik und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis. Mit dem 64 Megabyte großen Kameraspeicher ist es möglich, Bilder oder Bild-Sequenzen aufzunehmen und die Übertragung von der Aufnahme zu entkoppeln. Die Kamera bietet den Angaben zufolge eine hardwarebasierte Vorverarbeitung für geringe Durchlaufzeiten, ferner schnelle Resend-Mechanismen und einstellbare Bandbreitenbegrenzungen – ideal für den Mehrkamerabetrieb. Weitere innovative Features seien unter anderem Flatfield-Korrektur, Auto Gain/Shutter, Direct-Drive-Ausgänge, Bayer-Demosaicing auf der Kamera, frei programmierbare LUTs sowie YUV und RGB als Farbformate.

Wie alle Matrix-Vision-Gige-Kameras ist die neue Kamera kompatibel zu den Standards Gen-I-Cam und Gige-Vision.