Sichere Robotik-Prozesse in der Gaseabfüllung

Mit diesen herausfordernden Ausgangsbedingungen wandte sich die caratgas GmbH im Jahr 2020 an die Sondermaschinenbau-Experten der VS-Automatisierung GmbH. Seit 2015 entwickelt das elfköpfige Team aus dem Westmünsterland maßgeschneiderte Fertigungsstraßen, unter anderem für die Food-, Non-Food- und Chemie-Branche. Das Projekt bei der caratgas GmbH war eine Premiere für die Experten von VS. Für die Automatisierung der Abfüllstrecke in Krefeld entschieden sich die Maschinenbauer zusammen mit dem Kunden für jeweils zwei Modelle der ABB-Roboter IRB 1600 sowie IRB 2600, die in insgesamt drei Roboterzellen für reibungslose Prozesse sorgen. Die Roboter vom Typ IRB 1600 schrauben die schwarze Verschlussmutter auf die Gasflaschen, die IRB 2600 händeln die rote Verschlusskappe der Propanflaschen.

Für den Einsatz in der Ex-Zone 1 wurden die Roboterzellen baulich angepasst, um gemäß den Anforderungen des Ex-Schutzes die Reibungsfläche aller Komponenten zu minimieren und statische Aufladung zu eliminieren. Unter anderem mussten alle eingesetzten Servomotoren mit dem jeweiligen Gehäuse gekapselt und mit Spülluft beaufschlagt werden. Ein sogenanntes Purge-Modul stellt sicher, dass stets Spülluft in der Anlage mit 0,2 bar Überdruck zirkuliert. Unterschreitet der Druck diesen Grenzwert, führt dies automatisch zum Not-Halt der Anlage. Der Schaltschrank der Anlage wurde außerhalb der Ex-Zone positioniert. Die Ex-Tauglichkeit der Roboterzelle wurde vom TÜV Nord zertifiziert.

Dank ihrer kompakten Handgelenke und der patentierten Steuerungstechnologien QuickMove und TrueMove arbeiten die platzsparenden Knickarmroboter von ABB besonders schnell und präzise. „Da wir bereits über die VS-Robotics GmbH, einem Tochterunternehmen der VS-Gruppe, erfolgreich mit ABB-Robotern gearbeitet haben, konnten wir hier auf gute Erfahrungswerte für das Projekt bei caratgas zurückgreifen“, erklärt Ralf Warmers, Geschäftsführer der VS-Automatisierung GmbH.

Um sicherzustellen, dass sich die neue Automatisierungslösung nahtlos in die bestehende Anlage bei caratgas fügt, hat VS-Automatisierung die Roboterzellen mit der ABB-Simulationssoftware RobotStudio präzise geplant und die Simulation mittels Virtual Reality präsentiert. „Die Simulation der Anlage hat caratgas so überzeugt, dass wir den Zuschlag erhalten haben. RobotStudio war also für uns auch ein wertvolles Tool bei der Auftragsvergabe“, fügt Dirk Hoffboll, ebenfalls Geschäftsführer der VS-Automatisierung GmbH, hinzu.

Ein weiteres Detail sei unterstrichen: Da es sich bei Propan um ein entzündliches Gas handelt, ist sehr wichtig, dass die Ventile zu 100 Prozent dicht schließen. Entsprechend muss die Position der Ventile und der roten Verschlusskappen der Propangasflaschen sowie die Dichtheit genauestens kontrolliert werden. „Die Propangasflaschen verlassen die Anlage erst, wenn sichergestellt ist, dass sie zu 100 Prozent dicht sind“, betont Ralf Warmers.

Eine weitere Herausforderung war die Vielzahl unterschiedlicher Varianten der Gasflaschen, die es anhand ihrer Kennzeichnung zu unterscheiden gilt. Diese anspruchsvollen Inspektionsaufgaben übernimmt in der neuen caratgas-Anlage ein fortschrittliches Vision-System, das in das SPS-System der Roboterzellen integriert ist. Dank Deep-Learning-Funktionen lesen die hier eingesetzten Kameras von Cognex die Kennzeichnungen der Gasflaschen sowie Position und Winkel der Ventilschutzkappen, Griffe und Bügel besonders präzise aus und melden diese Informationen an die SPS, die die Roboterbewegungen entsprechend steuert. Für den Einsatz in der Ex-Zone 1 wurden die Kameras eigens mit einem gasdichten Gehäuse versehen.

Gabelstapler transportieren die Transportpaletten mit den Propangasflaschen zur automatischen Depalettieranlage, wo die Gasflaschen aus den Gitterboxen vereinzelt und über die Fördertechnik zur ersten Roboterzelle transportiert werden. Nachdem die Gasflaschen mithilfe des Bildverarbeitungssystems präzise ausgerichtet wurden, entfernen die ABB-Roboter im Tandem die Ventilschutzkappen und Ventilverschlussmuttern.

Anschließend geht es in den Ex-Bereich – zunächst zur Abfüllanlage und anschließend zur zweiten Roboterzelle. Die befüllten Gasflaschen werden hier erneut ausgerichtet, die Ventilverschlussmutter wird zugeführt und aufgeschraubt. Das integrierte Bildverarbeitungssystem prüft erneut, ob die Position und die Winkel der Ventile stimmen. Anschließend wird eine Dichtigkeitsprüfung vorgenommen. In der dritten Roboterzelle werden schließlich die roten Ventilschutzkappen zugeführt und von einem ABB-Roboter präzise aufgesetzt. Die Gasflaschen mit einem Gesamtgewicht zwischen acht und 25 Kilogramm, werden schließlich zur Palettierung befördert und automatisch in die Transportpaletten geschoben. Die fertigen Paletten werden per Gabelstapler verladen.

„Seit dem Projektabschluss im Jahr 2023 ist unser Durchsatz in der Flaschenabfüllung gleichbleibend hoch, nur wesentlich kosteneffizienter, freut sich Joachim Esser, Geschäftsführer der caratgas GmbH. Die vollautomatisierte Anlage ermöglicht einen Durchsatz von bis zu 600 11-Kilogramm-Gasflaschen pro Stunde. Zudem müssen keine Mitarbeitenden mehr repetitive Bewegungen ausführen. „Mechanisch ist die Anlage finalisiert, während die Deep-Learning-Algorithmen des Bildverarbeitungssystems weiterhin mit neuem Bildmaterial gefüttert werden – denn eine solche Maschine lernt nie aus“, ergänzt Joachim Esser.