Nachtsschicht automatisieren mit Universal Robots Cobot: Toolcraft spart 23 % Kosten, steigert Durchsatz 43 %

Nachdem Troy Ojalehto von Rapid Design Solutions die initiale Applikation entwickelte, konnte Toolcrafts Automation Engineer Brian Laulainen den täglichen Betrieb übernehmen und eine Teile-Spül- und Trocknungsstation als Zusatzapplikation für den UR5e, einen Cobot von Universal Robots, entwickeln. Laulainen absolvierte das Training über die UR Academy und ergänzte es mit wenigen Stunden Hands-on-Training mit Ojalehto.

Toolcraft, ein kleiner Zerspanungsbetrieb in Seattle, musste eine anspruchsvolle Dreistufen-Maschinenbedienungsaufgabe in seiner CNC-Maschine automatisieren. Beeindruckt von Universal Robots neuem Flaggschiff-Cobot UR5e mit 30 µm Wiederholgenauigkeit und Kraft/Drehmoment-Sensorik, wagte der Betrieb den Schritt – und sparte 23 % Produktionskosten bei 43 % höherem Durchsatz.

Der Auslöser: Großauftrag erzwingt Drittschicht

Der kritische Moment kam, als ein Großauftrag Toolcraft zwang, eine Drittschicht für 24/7-Produktion einzurichten. „Niemand will hier Drittschicht fahren“, sagt Steve Wittenberg, Operations Director. Bei 3 % Arbeitslosigkeit brachte die Stellenanzeige kaum Resonanz. Er prüfte verschiedene Automationoptionen, zunächst klassische Industrieroboter.

Rein hardwaremäßig schienen klassische Roboter kosteneffizienter, so Wittenberg. „Aber sobald wir die Einsparungen durch fehlenden Sicherheitszaun und die Zeitersparnis durch einfache Bedienung, Vermeidung komplexer Programmierung einrechneten, war Universal Robots die richtige Lösung.“

Cobot übernimmt die Nacht

Der auslösende Auftrag: ein mehrgängiges Medizintechnik-Teil. Es musste in einen dreistufigen CNC-Bearbeitungszyklus geladen werden, der in der Drittschicht laufen sollte. Toolcraft besprach die Herausforderung mit Rapid Design Solutions, zertifiziertem Systemintegrator von Universal Robots.

„Bei Mehrfach-Präzisionsbearbeitung steigen die Genauigkeitsanforderungen massiv“, sagt Troy Ojalehto, Inhaber von Rapid Design Solutions. „Als wir hörten, dass die Wiederholgenauigkeit des UR5e bei 30 µm liegt, waren wir begeistert. Das konkurriert mit klassischen Industrierobotern – riesig für uns. Ich habe keine anderen Cobots gesehen, die dieses Präzisionsniveau bei Mehrfachoperationen mit Rohmaterial-Einlauf und Fertigteil-Auslauf bewältigen.“

Sechs Monate nach Implementierung sah Wittenberg sofortige Produktionssteigerung: „Wir konnten die Drittschicht besetzen und stiegen von 255 auf 370 Teile pro Woche. Dazu beendeten wir die Jahresproduktion sieben Wochen früher – die Maschine wurde für andere Jobs frei.“ ROI wird auf ca. 12 Monate geschätzt.

Roboter mit menschlichem Fingerspitzengefühl

Eine Neuerung in Universal Robots Flaggschiff-Linie: Kraftfeedback in allen Gelenken – entscheidend, damit das Teil fest in die Maschinenvorrichtung passt. „Mit Kraftbewegung in X, Y und rotativer Z-Achse können wir das Teil hineindrücken, wackeln lassen und diese Compliance sehr einfach programmieren – im Grunde einen menschlichen Touch mit dem Roboter“, so Ojalehto. Dabei berichtet Toolcraft-Inhaber Karl Niemela, dass sie den Roboter „Clarence“ getauft haben – „ein sophistizierter Name für einen sophistizierten Roboter“, schmunzelt er.

„Die Free-Drive-Funktion des UR verkürzt die Zeit zum Einlernen von Roboterpunkten massiv“, sagt Ojalehto. UR-Cobots lassen sich einfach per Teach-In programmieren: Arm durch gewünschte Wegpunkte bewegen, die auf dem Teach Pendant zum Programm hinzugefügt werden. Während der Cobot im Einsatz war, nutzte Toolcraft den UR-Simulator, um das gesamte Programm für die Spül- und Trocknungsstation offline zu erstellen und die Wegpunkte beim Transfer zum Teach Pendant einzufügen.

Cobot putzt nach

Während der Cobot 24/7-Produktion ermöglichte, war er noch nicht voll ausgelastet. Der Bearbeitungszyklus dauert 56 Minuten, aber der UR5e bedient Teile nur 6 Minuten. „Die restliche Zeit hing der Cobot nur rum und wartete. Wir wollten ihn beschäftigen“, sagt Wittenberg. Also fügte der Betrieb eine Spül- und Reinigungsstation hinzu.

Mit 30 µm Wiederholgenauigkeit setzte der UR5e das mehrgängige Teil präzise in die Vorrichtung ein. Der CNC-Zyklus umfasst drei Operationen in einem vertikalen BAZ: zwei in Schraubstöcken, eine in einer 4. Achse. Der UR5e nimmt das bearbeitete Teil aus der CNC, taucht es in Spüllösung, führt es durch einen Luftstrahl und legt das gewaschene, getrocknete Teil auf ein Versandrack. Die pneumatischen Vorrichtungen und Türantriebe konnten über die I/O-Schnittstellen des UR5e gesteuert werden. „Das reduziert CNC-Verkabelung massiv und erhält alle Standard-Sicherheitsfunktionen der CNC“, erklärt Ojalehto.

Programmieren lernen

Toolcraft holte für die initiale Applikation einen Systemintegrator, programmierte und installierte die Spülstation dann selbst. „Was uns das ermöglichte, war der ganze kostenlose Online-Support von Universal Robots“, sagt Wittenberg. „Nachdem unser Automation Engineer den UR Academy Online-Kurs absolvierte, brauchte er nur wenige Stunden mit dem Integrator, um die Station zum Cobot-Zyklus hinzuzufügen.“

Toolcraft wählte den PneuConnect-Greifer von PHD als End-of-Arm-Tooling für den UR5e. UR+-Zertifizierung bedeutet nahtlose Integration, alle Programmiersoftware direkt auf dem Teach Pendant.

„Wir hatten null Robotererfahrung bei Toolcraft“, sagt Brian Laulainen, Automation Engineer. „UR Academy war ein sehr intuitiver, interaktiver und spaßiger Kurs. Lernen wurde interessanter als nur ein Buch lesen.“

Wittenberg fürchtete zunächst Produktionsverlust während der Programmierung der Spülstation, da der Cobot von seinen regulären Aufgaben abgezogen würde. Das Team entdeckte jedoch, dass sie den UR-Simulator nutzen konnten, um fast die gesamte Zykluserweiterung offline zu programmieren, während der Cobot weiterarbeitete. Das Offline-Programm wird einfach per USB direkt in das Teach Pendant des UR5e geladen. „Im Büro setzte ich leere Wegpunkte. Am Cobot nutzte ich schnell Free-Drive, bewegte den Roboter in die korrekten Positionen und lernte die neuen Wegpunkte ein“, so Laulainen.

Mit dem UR5e beendete Toolcraft die Jahresproduktion sieben Wochen früher als mit manueller Arbeit.

Ein weiteres Jahr, ein weiterer Cobot

Nach der ersten erfolgreichen Cobot-Installation plant Toolcraft nun, jedes Jahr einen weiteren Cobot zu installieren. „Dass unser eigener Automation Engineer jetzt alles troubleshooten kann, ist der Schlüssel zu diesem Ziel“, sagt Wittenberg. Nächste Aufgabe: Bedienung eines Horizontalbearbeitungszentrums. „Eine potenzielle Herausforderung, da die Fräse Rundtisch-Wechsler nutzt, die ein- und ausgeschwenkt werden – Fixturing-Probleme. Aber wir sind zuversichtlich, das mit einem Universal Robot und Fixturing-Innovation zu lösen.“