Interne Integrationssysteme nutzen für Präzisionsfertigung

Niemand kennt das eigene Geschäft besser als die Menschen, die dort arbeiten. Eigentümer, Management und Belegschaft bewältigen täglich die vielen Vor- und Nachteile, die jedes Unternehmen prägen – besonders in der sich rasant wandelnden Welt der präzisionsmechanischen Fertigung.

Während viele externe Dienstleister bereitstehen, um Betriebe beim Übergang zu neuen, besseren Fertigungswegen zu unterstützen, liegen die besten Antworten manchmal innerhalb der eigenen vier Wände. Das fasst eine Kernphilosophie der Vanamatic Company in Delphos, Ohio, zusammen.

Vanamatic ist ein familiengeführtes Unternehmen in dritter Generation mit 90 Mitarbeitern, das Stolz auf seine Eigenständigkeit und Problemlösungskompetenz ist. Das Management sucht zuerst intern nach Lösungen, bezieht Mitarbeiter in den Problemlösungsprozess ein und schaut erst danach nach externen Ressourcen, um Lücken zu schließen.

Über die Jahre hat sich gezeigt, dass dieser „Mehr mit weniger“-Ansatz in einer Umgebung, die interne Talente zuerst nutzt, schneller zu Antworten führt – mit dem zusätzlichen Vorteil der Akzeptanz seitens der Belegschaft. Eine erfolgreiche Formel, die dem Unternehmen seit der Gründung 1954 half, viele Stürme zu überstehen.

Der jüngste große Integrationsschritt betrifft die Automatisierung mehrerer Operationen mittels kollaborativer Roboter (Cobots), die unabhängig oder als „Sidekick“ neben einem menschlichen Arbeiter agieren können. Cobots sind eine relativ neue Entwicklung, die Roboter zu weit praktischeren Werkzeugen auf dem Shopfloor macht – besonders in so beengten Verhältnissen wie bei Vanamatic.

Ein guter Anfang

Im Laufe der Jahre hat Werksleiter Adam Wiltsie arbeitsparende und prozessverbessernde Lösungen im gesamten Shop entwickelt. Ein solches Gerät begann als Kombinationsanlage aus Teile-Reinigung und Akkumulator-Karussell.

Es entwickelte sich zu einer maschinenbezogenen Messstation, ausgestattet mit den passenden Messmitteln für die gefertigten Teile. Sie ist mit dem zentralen ERP-System des Shops verknüpft und gibt Bedienern Echtzeit-Statusinformationen sowie Zugriff auf Rüst-, Mess- und Auftragsdaten direkt an der Maschine. Diese Einheiten wurden intern entworfen, gebaut und integriert.

Herr Wiltsie trieb auch Pick-and-Place-Automation für Be- und Entladen von Dreh- und Fräsmaschinen voran. Es handelte sich im Wesentlichen um mechanische Shuttle-Lader/Entlader, die die Monotonie manueller Bedienung abnahmen. Es war weitgehend starre Automation mit wenig Flexibilität.

Roboter waren der logische nächste Schritt. Nachdem Herr Wiltsie auf einer Messe einen Cobot (einen Roboter mit Annäherungssensorik für sichere Zusammenarbeit mit Menschen) in Aktion sah, erkannte er, dass die Technologie den Bedürfnissen seines Shops gerecht wurde. Ein sechsechsgelenkiger Arm, der neben einem Bediener ohne Schutzkäfig arbeitet, war ideal. Und Rich Lindemans Montagestation war der perfekte Startpunkt.

Vanamatics erster Cobot hieß Ethel – benannt von ihrem „Handler“ Rich Lindeman, der kürzlich 50 Jahre Vollzeitservice im Unternehmen feierte. Für die Montageaufgabe, die Rich und Ethel gemeinsam erledigten, sah Rich vielleicht sich selbst in der Rolle von Lucille Ball und seinen Cobot als ihre treue Freundin Ethel Mertz am Schokoladenförderband.

Die Montageaufgabe, die Herr Lindeman ausführte, ist ein achtstufiger Prozess, der mit einer Palette von 144 Teilen beginnt. Er nimmt das Teil, prüft eine kritische Längenmaß auf einer Lehre, montiert einen kleinen O-Ring am Ende des Teils, bläst die Innenbohrung aus, schiebt einen Distanzring über ein Gewinde bis an einen Sechskant an, verifiziert die Montage und legt das Teil in die Versandverpackung.

Laut Werksleiter Adam Wiltsie: „Rich hat kein Problem damit, das zu tun, und hat diesen Job erfolgreich lange gemacht. Es geht nicht darum, die Aufgabe einmal auszuführen, sondern 500.000 Mal – das war die Auftragsmenge für diese Montage. Es ist ein einbaufertiges Teil für ein Kraftstoffeinspritzsystem und muss perfekt sein. Ich bin erst 40 und habe die Montage selbst gemacht – nach ein paar Tausend Teilen hatte ich Schmerzen und die Qualität war nicht perfekt. Keine Abwertung von Herrn Lindeman, aber diese Montage war für einen Menschen nicht gedacht und, wie ich feststellte, auch nicht menschengerecht.“

Ethel ist ein UR3-Modell von Universal Robots – der kleinste Cobot von UR mit einer Reichweite, die der menschlichen fast entspricht. Traglast: 3 kg (6,6 lbs), Radius: 500 mm (19,7 Zoll), Standfläche: 38 cm² (5,9 sq in). Für Vanamatics Kraftstoffeinspritz-Montage war der Roboter jedoch nur der Anfang.

Ergonomie ist wichtig für die Gestaltung eines menschlichen Arbeitsplatzes: Wo das Werkstück in die Arbeitszone gelangt, Platzierung von Messlehren, O-Ringen, Distanzringen, Orientierung der Bearbeitungsteile und Lage der Ausgangsverpackung.

Während Ergonomie für Herrn Lindeman wichtig ist, ist sie für Ethel kritisch. Sie ist intelligent, aber unfähig, subtile Bewegungsentscheidungen zu treffen oder sich über ihre Programmierung hinaus anzupassen – auch wenn sie Subroutinen für fehlende O-Ringe oder Distanzringe enthält. Das wird künftig durch Vision-Systeme gelöst. Derweil sorgt „Poka-Yoke“ (Fehlersicherung) bei den Eingangsschalen dafür, dass Ethels Programm jedes Mal am richtigen Startpunkt beginnt.

Vanamatic-Ingenieure nutzen CAD-Modellierung, um Aspekte des Fertigungsprozesses zu visualisieren: Hallenlayout, Maschinensimulationen, virtuelle Darstellungen von Unternehmensbereiche. Diese Fähigkeiten wurden für die Vorbereitung des Arbeitsbereichs für Herrn Lindeman und Ethel angewendet. Die Ingenieure können es sehen, simulieren und „Was-wäre-wenn“-Tests durchführen, bevor etwas gebaut oder gekauft wird.

„Die Programmiertools für den Cobot sind umfangreich und gut auf Benutzerfreundlichkeit ausgelegt“, sagt Herr Wiltsie. „Wir brachten unsere intern verfeinerte Fähigkeit, die Arbeitsumgebung für die Zelle zu entwerfen und zu bauen, ein. Unsere Fähigkeit, den Cobot in ein System zu integrieren, das die acht Montageoperationen für das Kraftstoffeinspritzteil umfasst, sparte dem Unternehmen erhebliche Investitionen. Ein weiterer Vorteil: Mit unserer internen Design- und Baukapazität können wir Änderungen und Verbesserungen im Laufe der Zeit leicht umsetzen.“

Heute besteht Herrn Lindemans Montageoperation aus zwei Schritten: Palette laden und Fertigteil verpacken. Ethel erledigt die sechs dazwischen. Sie haben ein großartiges Verhältnis.

Zugabe

Die Installation von Ethel bei Vanamatic war ein Erfolg. Sie erledigt ihren Montagejob ohne Beanstandungen und – am wichtigsten – ohne Ausschussteile.

Weniger als ein Jahr nach Ethel traf ein zweiter Cobot ein, ebenfalls ein UR3. Benannt „Roxy“ von ihrem Handler Gene Dickman, war ihre Aufgabe einfacher: Sie bedient eine Omni-Turn-Drehmaschine, lädt Rohlinge und entnimmt Fertigteile.

Hier ist Roxys Flexibilität ihre Stärke. Die Omni läuft Teile mit geringeren Stückzahlen und höherem Mix. Die Fähigkeit, schnell Programme und Endeffektoren (Greifer) zu wechseln, ist der Schlüssel zum Erfolg.

Für diese Anwendung nutzte Vanamatic seine interne Engineering-Kompetenz, um einen Doppelgreifer zu entwerfen und zu integrieren, sodass Roxy nur einmal in die Maschine einfahren muss, um zu laden und zu entladen. Der kleine Fußabdruck und das geringe Gewicht (11 kg / 24,3 lbs) erlauben die einfache Montage an der Front der Omni-Turn. Vanamatics Ingenieure konstruierten und fertigten die kundenspezifischen Montagehalterungen, die Maschine und Roxy verbinden. Sie schrieben auch die Schnittstellen-Software, die Roboter und Maschine kommunizieren lässt.

Lernen durch Tun

Bildung ist kumulativ. Menschen lernen Neues, indem sie auf dem Fundament früherer Lektionen aufbauen.

Das gilt für Vanamatics dritten Cobot-Einsatz: Rocky. Rocky kam etwa 196 Tage nach Roxys Integration in den Shop, und da die Lernkurve für die Integration dieser Maschinen und notwendigen Peripherie schneller wurde, verkürzte sich die Zeit zwischen den Projekten.

Rocky, benannt von seinem Handler Paul Meiring, ist ein weiteres UR3-Modell. „Wir haben das Gelernte aus den ersten beiden Cobot-Anwendungen angewandt, um Rocky ans Laufen zu bringen“, sagt Herr Wiltsie.

Die Aufgabe für Rocky war ein weiterer Maschinenbedienungsjob – diesmal an einem Bearbeitungszentrum (VMC) – der komplexer ist als Roxys. Wie bei den anderen Anwendungen erstellten Vanamatic-Ingenieure ein virtuelles Modell der Operation inklusive Orientierung der Ein- und Auslaufbänder.

Für diesen Ladejob musste der Cobot in den Arbeitsraum der Maschine platziert werden, um das Öffnen und Schließen der Tür zu vermeiden. Aufgrund der beengten Verhältnisse im Maschineninneren ist Rocky kopfüber an der Maschinensäule mittels einer im Haus entworfenen und gefertigten Halterung montiert. Rohlinge werden auf Förderbändern außerhalb der Schutzeinrichtung zugeführt und an Rocky übergeben.

Rocky nimmt die Rohlinge von einer festen Position auf dem Förderband, hat aber die zusätzliche Aufgabe, das Werkstück zu einer zweiten Spannstation auf dem Werkzeughalter zu bewegen. Die Synchronisation zwischen Cobot und Maschinen-CNC wurde von Vanamatic über die Kommunikation zwischen Roboter und Maschine programmiert.

Nach der Bearbeitung prüft Rocky jedes Teil mittels eines In-Prozess-Cognex-Messsystems, bevor er es auf das Auslaufband gibt. Der Cobot ist programmiert, Ausschussteile in einen separaten Behälter abzulegen und bei drei aufeinanderfolgenden Fehlern Alarm auszulösen.

„Diese Installation ist ein Schritt nach vorne von unserem VMC-Laden“, sagt Herr Wiltsie. „Im Vergleich zu den Shuttle-Ladern, die wir zuvor in unsere VMCs integriert hatten, stellt die Flexibilität des jetzigen Cobot-Systems ein Bekenntnis zu unserem künftigen Geschäftswachstum dar.“

Unerwartete Hilfequelle

Als Vanamatics Management die Integrationspläne für den Shopfloor vorantrieb, stieß es auf einen Verbündeten, den man vielleicht nicht vermuten würde: das Bureau of Workers' Compensation (BWC). Wie die meisten Unternehmen hat Vanamatic mit dem BWC zu tun – manchmal weniger harmonisch wegen dessen regulatorischer Durchsetzungsrolle.

Doch im Fall von Vanamatics Cobot-Projekt fand man im BWC einen Gleichgesinnten. In Ohio stellt das BWC Fördergelder für Unternehmen bereit, um potenzielle Arbeitsunfallansprüche durch Maßnahmen – einfach oder komplex – zu reduzieren.

Vanamatic beantragte und erhielt Zuschüsse für seine Automatisierungsbemühungen, die die Anschaffungs- und Installationskosten der Cobots erheblich deckten. Solche Förderprogramme gibt es vielleicht nicht in allen Bundesstaaten, aber fragen kostet nichts.

Ob ein Shop Systemintegration durch Automation, Kommunikation oder bessere Workflow-Techniken anstrebt – die Rechtfertigung des Shopfloors geht nicht um Arbeitsplatzersatz. Es geht um Arbeitsplatzaufwertung. Herr Wiltsie und das Ohio BWC scheinen sich einig: Manchmal sind branchenweite Rekrutierungsprobleme weniger eine Frage der Menschen als der Jobs, die wir ihnen zumuten.

*Vanamatic ist seit 1957 Mitglied der PMPA.