Echte Teamarbeit: Mensch & Roboter im Zusammen­spiel

Die Fertigung von modernen LED-Beleuchtungssystemen für Premium–Fahrzeuge ist ein komplexer Vorgang. Diese erfolgt bei der ZKW, einem Spezialisten für Premium-Lichtsysteme und Elektronik, in zahlreichen Arbeitsschritten und an bis zu 15 Fertigungsstationen. Teilweise sind die Komponenten so filigran und auch flexibel, dass sie von einer Person allein gar nicht montiert werden können, weil dafür mehr als zwei Hände notwendig wären. Neben dieser Schwierigkeit dürfen die Werkstücke bei der Montage nicht beschädigt werden. ZKW Lichtsysteme beschloss daher, Teile der Fertigung mit einer kollaborativen Roboter-Applikation umzusetzen. Diese musste allen rechtlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen genügen und ein hocheffizientes, gleichzeitiges Arbeiten an einem Werkstück ermöglichen. 

Moderne Lichtsysteme an Fahrzeugen bestehen unter anderem aus einer Vielzahl an LEDs. Diese werden aber häufig nicht einzeln appliziert, sondern in Form eines beweglichen Streifens mit zahlreichen LEDs vorproduziert und dann in mehrere Phasen in die vorgefertigte Lichteinheit montiert. Dieser in FlexPrint-Technologie produzierte Streifen ist bei den von ZKW produzierten Lichtmodulen circa 60 Zentimeter lang, sehr flexibel und empfindlich gegen Vorschädigungen. Es ist daher sinnvoll, ihn mit einem Roboterarm aufzunehmen und präzise am Werkstück zu positionieren, sodass ein Mitarbeiter beziehungsweise eine Mitarbeiterin den bereits richtig positionierten Teil des Streifens festschrauben kann. Roboter und Mensch arbeiten so gleichzeitig am Werkstück. 

Für die Aufnahme und Positionierung hat die ZKW Lichtsysteme ein Greifersystem selbst entwickelt, das an einem kollaborativen ABB-Roboter vom Typ GoFa CRB 15000 installiert ist. Der Greifer hat sechs „Finger“, der den LED-Streifen von einem Träger aufnimmt und zur ersten Ablage- und Schraubposition bringt. Liegt der LED-Streifen in der richtigen Position, fährt jeweils ein „Finger“ zur Seite, damit die/der Mitarbeitende die Schrauben setzen und festschrauben kann. Der elektrische Stabschrauber kommuniziert dabei mit der übergeordneten SPS. Zudem orchestriert die Ablaufsteuerung die einzelnen Arbeitsschritte und Bewegungen des Roboters. Nach Bestätigung jedes erfolgreichen Schraubprozesses geht der Roboter in die nächste Phase über, um den restlichen Teil des Streifens in gewünschten Positionen zum Festschrauben zu bringen. 

Das Greifsystem ist komplex, darf dabei aber nicht die maximale Traglast von fünf Kilogramm des eingesetzten ABB GoFa CRB 15000 überschreiten. Daher haben die Techniker der ZKW Lichtsysteme, die den Greifer entwickelt haben, eine Carbon-Konstruktion gewählt. Gefräst, montiert und justiert wurde das Greifsystem durch die Auszubildenden des internen Anlagenbaues. Wichtig war zusätzlich, das Greifsystem gewichtstechnisch optimal auszutarieren, um keine Unwuchten bei den Drehbewegungen zu erzeugen.  

Das Anlernen der Bewegungen und die Programmierung des Roboters hat ein Auszubildender im dritten Lehrjahr mithilfe der Simulations- und Programmier-Software RobotStudio sowie SafeMove von ABB umgesetzt. Das Robotersystem ist auch in der Lage, während der Produktion das Werkzeug zwischen linkem und rechtem Greifsystem zu wechseln. Aus Effizienzgründen wird dies im laufenden Betrieb aber so selten wie möglich durchgeführt. Der Produktionsschritt ist vollständig in die von ZKW konzipierte und programmierte SPS-Steuerung integriert. Die gesamte Anlage ist darüber hinaus ins interne SCADA-System eingebunden. 

Ein weiterer ABB GoFa CRB 15000 kommt in einer anderen Produktionsstraße zum Einsatz. Dort müssen Schrauben auf sehr engem Raum zur Fixierung unterschiedlicher Bauteile eingesetzt werden. Wichtig ist hier, im Prozess keine Schäden an der Lichteinheit zu erzeugen und die Schrauben sicher in verwinkelten Räumen und größeren Vertiefungen präzise zu applizieren. Die Schraubspindel ist ebenfalls eine Entwicklung des ZKW Anlagenbaus. Die Zuführung und Vereinzelung der Schrauben erfolgen automatisch. Auch hier wechseln sich Mensch und Roboter direkt an der Lichteinheit ab und sind häufig nicht weiter als 30 Zentimeter voneinander entfernt. 

Die ZKW Lichtsysteme ist Mitte 2023 in Österreich das Unternehmen mit den meisten im Einsatz befindlichen ABB-Cobots. „Leistung, Professionalität und Kreativität sind bei der ZKW Lichtsysteme besonders ausgeprägt. Die Einführung, Tests und Prüfungen wurden mustergültig umgesetzt. Die Roboter wurden nicht nur für einen Use Case als Prototyp validiert, sondern zügig in die industrielle Fertigung und Serienproduktion integriert“, beschreibt Dario Stojicic, Produktbereichsspezialist für kollaborative Roboter bei ABB Österreich, das gemeinsame Projekt. 

Ein großer Vorteil bei der Umsetzung war die sehr gute Zusammenarbeit zwischen dem Sondermaschinenbau-Team bei ZKW und ABB. Die Entwicklung ist örtlich direkt neben der Fertigung. So konnte das Feedback aus der Prototypen-Produktion direkt in den Entwicklungsprozess einfließen. Bei der Entwicklung waren frühzeitig alle relevanten Personen – etwa Betriebsrat, Arbeitssicherheit, und Produktionsverantwortliche – eingebunden. 

Der Einsatz der Roboter ist für die ZKW Lichtsysteme ein wichtiger Baustein in Hinblick auf die Wettbewerbsfähigkeit. Zudem entlasten die Cobots die Mitarbeitenden von monotonen Tätigkeiten, so dass diese sich wertschöpfenderen Aufgaben widmen können. So bietet sich dem Unternehmen die Gelegenheit, attraktive Arbeitsplätze zu schaffen und diese langfristig zu sichern. Durch die enge, echte Kooperation zwischen Mensch und Maschine hat ZKW außerdem den optimalen Mix aus Automatisierung, Wirtschaftlichkeit und Investitionskosten gefunden und arbeitet bereits an den nächsten Projekten, bei denen wieder ABB-Cobots zum Einsatz kommen werden.