Schrauben mit Cobots

Angesichts von Arbeitskräftemangel und Umschulungsinitiativen setzen Hersteller kollaborative Roboter ein, um Schraubanwendungen zu automatisieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von Universal Robots A/S

Schrauben ist für den Menschen meist eine langweilige, sich wiederholende Aufgabe, die fehleranfällig ist. Es ist ein perfekter Kandidat für die Automatisierung, die Flexibilität und Wiederholbarkeit bieten kann.

Roboterschrauben unterscheiden sich von traditionelleren Anwendungen, wie z. B. stationären oder handgeführten Schrauben. Roboter erleichtern unter anderem schnelle Umrüstungen und die Fertigung kleiner, unterschiedlich großer Chargen zusammengehöriger Baugruppen.

Darüber hinaus können Roboter ohne ergonomische Bedenken Schrauben aus allen Richtungen und mit unterschiedlichem Drehmoment eindrehen. Sie haben auch die Möglichkeit, Schrauben unterschiedlicher Größe einzudrehen, indem sie verschiedene Vorschubgeräte für jede Art von Befestigungselement verwenden. Hersteller können höhere Zyklen pro Schrauberspindel und schnellere Zykluszeiten pro Schraube erreichen und gleichzeitig die Qualität verbessern.

Angesichts des gravierenden Arbeitskräftemangels und von Initiativen zur Umschulung investieren große und kleine Hersteller in kollaborative Schraubsysteme, die es Menschen und Robotern ermöglichen, eng beieinander an Montagelinien zu arbeiten.

„Arbeitskräftemangel und hohe Mitarbeiterfluktuation wirken sich derzeit auf die gesamte Fertigungswelt aus“, sagt Catherine Leclerc, Produktverantwortliche für Schraubanwendungen bei Robotiq Inc. „Eine langweilige, sich wiederholende Aufgabe wie Schrauben, die zu langfristigen Verletzungen durch Überlastung führen kann, ist einfach.“ keine guten Jobaussichten.

„Doch Schrauben ist oft entweder ein kritischer Prozess, der die Produktqualität sichert, oder ein potenzieller Indikator für den Endkunden für die Qualität, die er von dem jeweiligen Produkt erwarten kann“, bemerkt Leclerc. „Der Ruf der Hersteller steht auf dem Spiel. Diese Notwendigkeit, die Qualität immer wieder aufrechtzuerhalten, und die Herausforderung, Arbeitskräfte einzustellen und zu halten, machen die Schraubtechnik zu einem wirklich guten Kandidaten für die Automatisierung.

„[Automatisiertes] Schrauben war früher eine Aufgabe, die komplex und kostspielig war und viel Platz am Fließband einnahm“, erklärt Leclerc. „Daher war es für den Einsatz in großen Anlagen mit großen Automatisierungsbudgets und der Produktion großer Stückzahlen reserviert.

„Diese Art von kundenspezifischem Projekt eines Integrators könnte kaum der Realität kleiner Hersteller gerecht werden, die mit [begrenztem] Montageplatz, knappen Budgets und [spärlichem] Automatisierungspersonal zu kämpfen haben“, betont Leclerc. „Mit den speziell für Cobots entwickelten Cobots und Schraubsystemen ist die Technologie nun für jeden Hersteller zugänglich.

„Es gibt Schraubsysteme, die man von der Stange kaufen, innerhalb weniger Werktage versenden, einfach installieren und an Produktionsänderungen anpassen kann“, behauptet Leclerc. „Es ist eine völlig neue Ära.“

Das System von Robotiq umfasst einen SD-100-Schraubendreher und einen SF-300-Schraubenzuführer, die mit Maschinen von Universal Robots A/S (UR) kompatibel sind. Die beliebten Zellen werden von verschiedenen Herstellern eingesetzt, darunter Continental, Faurecia, Hella, Philips und Siemens.

Ein weiteres Unternehmen, das Schrauberspindeln speziell für Cobots entwickelt hat, ist OnRobot A/S. Vor drei Jahren stellte das Unternehmen einen sofort einsatzbereiten Schraubendreher und Schraubenzuführer vor, mit dem kleine Hersteller eine Vielzahl von Montageprozessen schnell, einfach und flexibel automatisieren können. Es kann mit ABB-, Doosan-, Fanuc-, UR- und Yaskawa-Robotern verwendet werden.

„Dies stellt eine willkommene Erleichterung für Hersteller dar, die repetitive, unergonomische und oft inkonsistente manuelle Schraubprozesse automatisieren möchten, denen es aber schwerfällt, typische, stückweise Schraubsysteme zu integrieren und zu programmieren“, sagt Kristian Hulgard, General Manager bei OnRobot US Inc.

„Wir haben ein automatisiertes Tool entwickelt, das einen hochkomplexen Prozess für unsere Benutzer vereinfacht und es für Hersteller kostengünstig und einfach macht, schnelle Ergebnisse in Bezug auf höhere Betriebszeit, Output, Konsistenz und Qualität zu erzielen“, erklärt Hulgard.

„Die Programmierung ist so einfach wie die Eingabe der entsprechenden Schraubenlänge und des Drehmomentwerts in die Benutzeroberfläche, die in das Programmierhandgerät jedes führenden Roboters integriert ist“, behauptet Hulgard. „Mit der präzisen Drehmomentsteuerung und der integrierten Achse berechnet der Schraubendreher automatisch die Geschwindigkeit und Kraft, die für ein gleichmäßiges, präzises Schraubendrehen erforderlich sind.“

Laut Hulgard kann das Gerät ein breites Spektrum an Schraubengrößen und -längen verarbeiten, von M1,6 bis M6 und bis zu einer Länge von 50 Millimetern. Dank seines leicht austauschbaren Bitsystems kann der Schraubendreher in wenigen Minuten schnell auf eine andere Schraubengröße, Länge oder Produktlinie umgestellt werden, was Ausfallzeiten minimiert und die Produktivität verbessert.

„Schrauben ist eine großartige Anwendung für Cobots“, sagt Joe Campbell, Senior Manager für strategisches Marketing und Anwendungsentwicklung bei UR, dem Unternehmen, das vor mehr als einem Jahrzehnt Pionierarbeit bei dieser Technologie geleistet hat. „Tatsächlich ist es eine unserer beliebtesten Anwendungen.

„Wir arbeiten derzeit mit 12 Schraubendreherlieferanten zusammen, von Atlas Copco bis Weber“, erklärt Campbell. „Sie sind Teil unseres UR+-Ökosystems, das Softwareschnittstellen umfasst, die sich nahtlos in unsere Maschinen integrieren lassen.

„Die gesamte Programmierung erfolgt über das UR-Teach Pendant“, betont Campbell. „Das hat die Dinge vereinfacht und viele Risiken beseitigt, insbesondere für kleinere Hersteller, die in der Vergangenheit möglicherweise vor der Automatisierung zurückgeschreckt sind.“

Die gesamte Roboterreihe von UR wird für Schraubanwendungen eingesetzt, die meisten Hersteller bevorzugen jedoch entweder den UR5 oder den UR10. Insbesondere das letztgenannte Modell, das über eine Nutzlastkapazität von 27,5 Pfund verfügt, ist für das Eindrehen von Schrauben vieler Größen und Arten beliebt.

Kollaboratives Schrauben wird in vielen Branchen eingesetzt, sowohl bei großen als auch bei kleinen Herstellern. Und es wird erwartet, dass die Nachfrage bis zum Ende dieses Jahrzehnts stark bleibt, da Unternehmen Industrie 5.0 einführen, ein neues Konzept, das sich mit menschenzentrierten Anwendungen in der Fertigung befasst.

„Wir sehen vor allem Cobots, die zur Montage von Autoteilen, Elektronik und medizinischen Geräten eingesetzt werden“, sagt Jerry Perez, Geschäftsführer für globale Kunden bei FANUC America Corp., das neben traditionelleren SCARA- und Sechs-Achsen-Robotern auch kollaborative Maschinen liefert. „Diese Hersteller verlassen sich in der Regel auf mehrere nebeneinander liegende Befestigungsstationen, an denen Bediener traditionell redundante, alltägliche Aufgaben erledigt haben.“

„Die meisten Cobots verfügen nicht über das gleiche Maß an Präzision und Wiederholgenauigkeit wie SCARA oder nicht kollaborative Sechs-Achsen-Roboter“, erklärt Perez. „Sie können jedoch die meisten Anwendungen bewältigen, die ein Standardroboter bewältigen kann.“

Der CRX-Cobot von Fanuc verfügt beispielsweise über einen Hochgeschwindigkeits-„Produktionsmodus“, der sehr schnelle Bewegungen ermöglicht, sodass die Maschine ähnlich wie ein standardmäßiger nicht kollaborativer Roboter laufen kann. Perez sagt jedoch, dass der Roboter ordnungsgemäß geschützt werden müsste.

„Die größte Fehlbezeichnung bei der Verwendung eines Cobots zum Schrauben oder einer anderen Anwendung besteht darin, dass [die Technologie] die Anwendung von Natur aus ‚sicher‘ macht, damit der Roboter sie zusammen mit Menschen verwenden kann“, warnt Perez. „Beim Entwurf jedes automatisierten Robotersystems muss eine Risikobewertung durchgeführt werden, die sicherstellt, dass angemessene Schutzmaßnahmen eingesetzt werden, um die Sicherheit von Menschen zu gewährleisten, die in der Nähe oder mit dem Cobot arbeiten.

„Obwohl der Cobot so konzipiert ist, dass er bei Kontakt stoppt, könnte es bei einem nicht ISO TS15066-konformen Befestigungswerkzeug zu schweren Verletzungen kommen, wenn die Hand einer Person zwischen dem Befestigungswerkzeug und einer Arbeitsfläche eingeklemmt wird“, betont Perez .

„Cobots wurden etwas fälschlicherweise als ‚von Natur aus sicher‘ vermarktet“, behauptet Chris Emanuele, technischer Vertriebsingenieur für Automatisierung bei ASG, Division von Jergens Inc. „Das trifft zwar zu, wenn die [Maschine] mit weniger als 250 Millimetern pro Sekunde arbeitet Keine End-of-Arm-Werkzeuge, das ist fast nie der Fall.

„Beispielsweise stellt die Installation einer unserer Schraubeinheiten am Ende eines Cobots eine mögliche körperliche Gefahr für einen Bediener dar, der innerhalb des Bewegungsbereichs des Cobots arbeitet, genau wie dies bei einem SCARA oder einem anderen Typ von Industrieroboter der Fall wäre.“ bemerkt Emanuele.

„Unabhängig vom Robotertyp muss ein ordnungsgemäßes Sicherheitsaudit durchgeführt werden“, sagt Emanuele. „Die Ergebnisse können die Geschwindigkeit, mit der sich der Cobot bewegt, oder den Bewegungspfad selbst verändern oder eine physische Absicherung des Arbeitsbereichs erfordern, etwa durch Lichtvorhänge oder einen Bereichsscanner.“

„Sicherheit ist beim Schrauben immer ein Thema“, fügt Boris Baeumler, Vizepräsident für Technologie bei Deprag Inc., hinzu. „Es gibt sicherlich ein wachsendes Interesse an kollaborativer Technologie, aber die meisten Anwendungen, die wir sehen, verwenden immer noch traditionelle Sicherheitsmaßnahmen.“

Der SFM-Schraubendreher von Deprag wird für Anwendungen mit leichten kollaborativen Robotern eingesetzt. Es ist mit der Sequenzsteuerung Deprag Plus AST12 gekoppelt, die über einen integrierten URCap verfügt, der eine intuitive Benutzeroberfläche für den gesamten Prozess bietet, von der Zuführung bis zur Montage der Befestigungselemente.

„Die Grundidee hinter kollaborativen Robotern ist großartig“, sagt Baeumler. „Aber es gibt Einschränkungen. Ingenieure müssen auf die Art der verwendeten Endwerkzeuge achten. Das Schrauben ist von Natur aus gefährlich, es gibt scharfe Ecken und Quetschstellen. Auch wenn Sie einen Cobot verwenden, müssen Sie sich der Sicherheitsaspekte und OSHA-Anforderungen bewusst sein.

„Wir neigen dazu, dass Cobots eher für Maschinenbedienungsanwendungen eingesetzt werden“, erklärt Baeumler. „Bei den meisten Schraubarbeiten mit Robotern kommen immer noch herkömmliche SCARA- oder Sechs-Achsen-Roboter zum Einsatz, die höhere Nutzlasten bewältigen und schneller fahren können.“

„Jedes Unternehmen unterscheidet sich darin, wie es festlegt, was ‚kollaborativ‘ bedeutet, und wie es interne Verhaltensregeln aufstellt“, fügt Jarrod Neff, Marketingmanager bei Visumatic Industrial Products Inc., hinzu.

Das Unternehmen hat vor einigen Jahren das kollaborative Robotermodul VCM-3X.2 für automatische Schraubanwendungen entwickelt. Es umfasst einen automatischen Schraubenvorschub, ein Antriebssystem und einen Endeffektor, der direkt am Handgelenk eines Cobots montiert wird. Die leichten Werkzeuge mildern den Trägheitseffekt auf die Sensoren des Roboters und ermöglichen es der Maschine, sich mit maximaler Geschwindigkeit zu bewegen, ohne auf kollaborative Schutzmaßnahmen zu verzichten.

„Wir haben einige Kunden, die Cobots in Verbindung mit Lichtvorhängen, Schutzvorrichtungen oder Bereichssensoren verwenden, die menschliche Bewegungen erkennen können“, sagt Neff. „Sie wollen einen höheren Durchsatz, fühlen sich aber einfach nicht wohl dabei, ihre Maschine mit Höchstgeschwindigkeit zu betreiben.“

Laut Neff werden Cobots gerne zum Eindrehen kleiner Schrauben in den Größen M1 bis M3 eingesetzt. „Normalerweise funktionieren Schrauben mit einer Länge von bis zu 20 Millimetern am besten“, betont er.

„Cobot-Schrauben erfordern langsamere Bewegungen, geringere Durchsätze und leichtere Werkzeuge am Ende des Arms“, behauptet Neff. „Als allgemeine Faustregel sollte jede Anwendung, die ein Drehmoment von 50-Zoll-Pfund oder weniger erfordert, für die Verwendung mit Cobots geeignet sein.“

Russ Hughes, Marketingmanager bei Desoutter Industrial Tools, sagt, dass Cobot-Schrauben in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilbranche beliebt sei, insbesondere bei Tier-1-Zulieferern. „Ein führender Hersteller hat kürzlich eines unserer Werkzeuge an einen Cobot angeschlossen, weil dort Arbeitskräftemangel herrschte“, erklärt er. „Die Bewerbung war so erfolgreich, dass das Unternehmen bald sechs weitere in seiner Anlage hinzufügte.

„Ein anderer Kunde aus der Luft- und Raumfahrtindustrie hat uns gebeten, die Montage eines Antennenarrays zu automatisieren, bei der mehr als 2.000 Schrauben erforderlich sind“, sagt Hughes. „Es handelte sich um einen manuellen Prozess, der zwei Bediener erforderte und fünf Tage dauerte. Wir haben ein System mit einem Cobot und einem Schraubenvorführer zusammengestellt, das den Vorgang auf 30 Minuten reduziert hat.

„Eines unserer beliebtesten Werkzeuge für Cobot-Anwendungen ist unser EFB-Akkuwerkzeug, das speziell für den Einsatz mit kollaborativen Robotern entwickelt wurde“, bemerkt Hughes. „Wir haben auch gesehen, dass einige Kunden unser ELRT-Impulsgerät mit Pistolengriff verwenden. Es handelt sich um ein Standardprodukt, das unser Ingenieursteam für die Zusammenarbeit mit einem Cobot modifiziert hat.“

Laut Hughes und anderen Beobachtern werden Automobil-Endmontagelinien in naher Zukunft ein wachsender Markt für kollaborative Automatisierung sein.

Eine bahnbrechende Anwendung betrifft Stellantis, das mehrere Montagewerke in Europa mit Cobots ausgestattet hat, die verschiedene Arten von Schraub- und Schraubanwendungen durchführen. In einer Linie, in der Elektrofahrzeuge gebaut werden, sind sechs Maschinen auf einer beweglichen Vorrichtung montiert. Sie werden verwendet, um mehrere Montageaufgaben zu automatisieren, die traditionell von Menschen ausgeführt werden.

„Es ist eine interessante Anwendung, da man in diesem Teil des Montageprozesses normalerweise nicht viele Roboter findet“, sagt Campbell von UR. „Wir glauben, dass dies erst der Anfang eines Trends ist und erwarten, dass mehr Cobots an Endbearbeitungslinien eingesetzt werden, um verschiedene ergonomische Probleme im Zusammenhang mit Bücken, Greifen und unangenehmen Körperhaltungen zu lösen.

„Da Cobots in unmittelbarer Nähe von Menschen arbeiten können, müssen Arbeitsplätze oft nicht wie früher eingezäunt und vollständig bewacht werden“, behauptet Campbell. „Bediener können Seite an Seite mit Cobots arbeiten. Der Mensch konzentriert sich auf Aufgaben, die leicht zugänglich sind, während sich die Maschinen mit schwierigeren Aufgaben befassen, wie etwa dem Einsetzen und Eindrehen von Schrauben an schwer zugänglichen Stellen oder in engen Räumen, in denen Befestigungselemente nicht immer sichtbar sind.“

„Bei den meisten Cobot-Anwendungen handelt es sich derzeit um die Montage mit hohem Mix und geringem Volumen“, fügt Don Seay, General Manager bei ESTIC America Inc., hinzu. „Aber für den Rest dieses Jahrzehnts erwarte ich eine stärkere Durchdringung von Mittel- und Hochgeschwindigkeitsrobotern.“ Montagelinien.

„Insbesondere werden wir viel mehr Cobots sehen, die an Automobilmontagelinien eingesetzt werden“, prognostiziert Seay. „Neben Stallantis experimentiert auch Nissan mit der Technologie in Europa. Drehmomentanwendungen an Cobots werden in den nächsten fünf Jahren einer der größten Störfaktoren für die Montage sein.“

Obwohl Cobots eine sexy Technologie sind, über die jeder gerne spricht, spielen viele Arten von Industrierobotern eine wichtige Rolle beim automatisierten Schrauben. Wie bei den meisten Debatten in der Fertigung kommt es auf die Art der Anwendung an.

„Während sich die Welt der Industrieroboter ständig weiterentwickelt, haben sich Cobots nicht nur als praktikable, sondern oft auch als bevorzugte Lösung für Fertigungsanforderungen herausgestellt“, sagt Leclerc von Robotiq. „Während herkömmliche SCARA- und Sechs-Achsen-Roboter für sehr schnelle Schraubanwendungen auf speziellen, langlebigen Montagelinien immer noch die beste Wahl sind, bieten diese Systeme den meisten heutigen Herstellern nur sehr wenig.

„Angesichts immer kürzerer Produktlebenszyklen, immer größerer Produktportfolios und damit sich ständig ändernder Produktionslinien ist Flexibilität der Ausrüstung von entscheidender Bedeutung“, erklärt Leclerc. „In Bezug auf die Art der Anwendungen können kollaborative Roboter das Gleiche bieten, wofür herkömmliche SCARA- und Sechs-Achsen-Roboter bekannt sind, mit Ausnahme vielleicht von Anwendungen mit sehr hohem Drehmoment über 150 Newtonmeter.

„Andererseits sind Cobots viel zugänglicher“, bemerkt Leclerc. „Sie ermöglichen einer viel größeren Vielfalt an Branchen, von diesen Vorteilen zu profitieren. Durch ihre Fähigkeit, einfach programmiert und je nach Projektumfang verschoben zu werden, sparen Unternehmen Zeit und Geld und gewährleisten gleichzeitig Präzision und Genauigkeit bei der Produktlieferung.“

„SCARAs und andere Arten von Industrierobotern haben im Vergleich zu Cobots normalerweise die Vorteile von Geschwindigkeit und Genauigkeit“, fügt Emanuele von ASG hinzu. „Nutzlast und Reaktionskräfte sind zwei weitere wichtige Faktoren.

„Für unser Cobot-Schraubsystem mit X-PAQ SD2500 und integrierter Schraubenzuführung mit UR-Roboter empfehlen wir eine Traglast von mindestens 5 Kilogramm“, erklärt Emanuele. „Dabei ist kein zusätzliches Zubehör wie Kameras oder Werkzeugwechsler enthalten. Im Allgemeinen sind die von uns angebotenen Lösungen das, was die meisten in der Branche als niedrigeres Drehmoment bezeichnen würden, sodass Reaktionskräfte bei den meisten unserer Anwendungen normalerweise nicht berücksichtigt werden müssen.“

„Wie bei jeder Anwendung gibt es Fälle, in denen der ROI einfach besser und lohnender ist als bei anderen, unabhängig von der Art des für die Automatisierung verwendeten Roboters“, sagt Leclerc. „Im Gegensatz zu einigen anderen Anwendungen wie der Maschinenbeschickung oder der Palettierung, bei denen es sich um eigenständige Aufgaben handelt, denen sich ein Bediener normalerweise widmet, ist das Schrauben eine von vielen Montageaufgaben, die ein Bediener ausführen kann.

„Um einen Schraub-Cobot einzuführen, muss man sicherstellen, dass die Aufgabe in den gesamten Montageschritten viel Zeit in Anspruch nimmt“, erklärt Leclerc. „Als extremes Beispiel wäre es schwer zu rechtfertigen, dass ein Roboter in einem Zeitrahmen von vier Minuten nur zwei Schrauben anzieht.

„Im Allgemeinen eignen sich High-Mix- und Low-Volume-Anwendungen am besten für Cobot-Schrauben“, behauptet Leclerc. „Sie erfordern normalerweise einen geringeren Durchsatz, müssen aber in der Lage sein, Produktionsumstellungen zu bewältigen. Ein weiterer Faktor ist die begrenzte Stellfläche und die Notwendigkeit, in unmittelbarer Nähe der automatisierten Zelle zu arbeiten.“

Laut Seay von Estic erfordert das Schrauben mit Cobots ein Umdenken der Ingenieure. Tatsächlich glaubt er, dass es eine völlig andere Denkweise erfordert.

„Anstatt einen vollautomatischen Montageprozess mit Sicherheitskäfig zu konzipieren, der normalerweise teuer, kompliziert und wartungsintensiv ist, können Ingenieure jetzt einen hybriden Ansatz wählen und überlegen, welche Montageprozesse am besten von einem Bediener bedient werden können und welche Prozesse durchgeführt werden könnten durch ein Drehmomentwerkzeug, das in einen Cobot integriert ist, der neben einem Menschen arbeitet“, sagt Seay.

„Ingenieure müssen überlegen, welche Anwendungen ein Bediener besser ausführen kann als ein Roboter“, betont Seay. „Dann weisen Sie der Maschine Aufgaben zu, die dem Menschen die Arbeit erleichtern würden. Möglicherweise sehen Sie, wie Menschen die Schrauben von Hand anziehen, während Cobots später mit einem Drehmomentwerkzeug das endgültige Anziehen übernehmen. Dadurch können die Zykluszeiten für den Menschen schneller sein.“

„Ich würde nicht unbedingt sagen, dass es einen anderen Ansatz erfordert“, argumentiert Leclerc. „Stattdessen würde ich sagen, dass es einen anderen, einfacheren Ansatz ermöglicht. Für das Schrauben mit Cobots sind praktisch keine Programmier- oder Programmierkenntnisse erforderlich. Damit eignet es sich perfekt für [Ingenieure], die Automatisierung in ihrem Werk einführen möchten.

„Aktuelle Mitarbeiter können die automatisierte Zelle selbst integrieren“, bemerkt Leclerc. „Dies fördert mehr Innovation und Kommunikation in der Fabrikhalle als je zuvor und hilft den Arbeitern, die neue Technologie besser zu verstehen und Kollegen, die damit vielleicht weniger vertraut sind, Tipps zu geben.“

„Aufgrund ihrer kollaborativen Natur sind Cobots in der Lage, sicher und effektiv mit Menschen zusammenzuarbeiten“, schließt Leclerc. „Da die meisten Montagelinien typischerweise hochoptimiert und überfüllt sind, wäre eine umzäunte Lösung schwierig umzusetzen. Alles in allem ist das Schrauben mit Cobots ein unkomplizierter und zugleich revolutionärer Ansatz für jedes Unternehmen, das nach einer effizienten Möglichkeit zur Produktionsverbesserung sucht.“