Automatisierte Schaltschrankfertigung Kraftgeregelt klappt’s: Roboter bestücken Tragschienen mit Reihenklemmen

Autor / Redakteur: Frank Nägele und Burkhard Niemann* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Schlau programmierte Roboter anstelle einer kostspieligen Anlage für die automatisierte Tragschienenmontage: Wissenschaftler am Fraunhofer IPA haben eine Software entwickelt, die dies möglich macht. Ein gemeinsames Forschungsprojekt des Instituts mit Wago zeigt eine solche Anwendung.

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Gemeinsam testeten Wago und das Fraunhofer IPA in einem Forschungsprojekt, inwieweit sich Standard-Roboterhardware auch für das Aufrasten von Reihenklemmen eignet.
Gemeinsam testeten Wago und das Fraunhofer IPA in einem Forschungsprojekt, inwieweit sich Standard-Roboterhardware auch für das Aufrasten von Reihenklemmen eignet.
(Bild: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez.)

Ein Leichtbauroboter nimmt ein Kunststoffbauteil mit seinem Zweifingergreifer auf, führt es zu der Komponente, auf die das Bauteil aufgesteckt werden soll. Mithilfe einer kraftgeregelten Einkipp-Bewegung lässt er es fest einrasten. Sollte die Montage einmal neu angeordnet werden, müssen die Bewegungen nicht mehr neu programmiert werden. Denn dies erfolgt werkstückbezogen und die Kraftregelung kann Bauteil- und Lagetoleranzen geschickt kompensieren.

Die beschriebene Anwendung haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA umgesetzt. Bereits seit vielen Jahren arbeiten sie an Lösungen für eine voll- oder teilautomatisierte Montage. Denn dieser Produktionsschritt erfolgt noch weitgehend manuell: Im Jahr 2020 arbeitete nur etwa jeder zehnte aller weltweit verkauften Roboter in der Montage. Kleine Losgrößen, viele Varianten und zahlreiche individuelle Prozesse machen es oft schwer, hier eine wirtschaftliche Automatisierung umzusetzen.

Flexible Automatisierungslösung gesucht

Vor ähnlichen Herausforderungen stehen auch viele Schaltschrankbauer. Als Lösungspartner kennen das die Wago-Experten aus Kundengesprächen. Ein Beispiel dafür ist die Bestückung von Schaltschränken mit Schienen, Komponenten und Drähten – was viele manuelle Arbeitsschritte erfordert. Solche Prozesse sind häufig zeitaufwendig, teuer und fehleranfällig. Allein 500 Verbindungen sind in einem durchschnittlichen Schaltschrank für die Steuerungstechnik verlegt, mit unterschiedlichen Farben, Querschnitten und Konfektionierungen.

Um bestehende Prozesse zu optimieren, ist die Vollautomatisierung nicht immer die passende Lösung für jede Anforderung. Hier sind verschiedene Punkte zu berücksichtigen: Zwar bringt eine Automatisierung eindeutige Prozesse und eine Arbeitsentlastung der Fachkräfte mit sich, ist jedoch teurer und rechnet sich erst bei großen Stückzahlen. Außerdem passen spezialisierte Bestückungsautomaten nicht immer zu den individuellen Anforderungen. Wie Wago aus Erfahrung weiß, reicht es häufig aber schon aus, Prozesse zu vereinfachen oder zu digitalisieren, um Fachkräfte zu entlasten.

Ist dennoch eine Automatisierung notwendig, kann die Nutzung von handelsüblichen Roboterarmen eine Lösung sein. Die Vorteile von Standardroboterarmen liegen auf der Hand: Sie sind vergleichsweise günstig sowie flexibel einsetz- und erweiterbar. Doch können Standardroboter überhaupt Tragschienen bestücken? „Ja, das können sie, sogar bei Klemmen mit komplexen Bauformen”, sagt Michael Dörbaum, Teamleiter Produktmanagement Schaltschrankkomponenten bei Wago.

Testprojekt für die Tragschienenbestückung

Um genau das auszuloten, haben das Unternehmen und das Fraunhofer IPA in einem gemeinsamen Projekt ein Testszenario für Tragschienenbestückung aufgesetzt:

Ein Roboter sollte Wago-Reihenklemmen auf Tragschienen aufrasten. Und zwar Topjob-S-Reihenklemmen unterschiedlicher Größen (Nennquerschnittsbereich 1 bis 16 mm²), darunter auch Mehrstockklemmen oder Gebäudeinstallationsklemmen mit teilweise komplexen Bauformen. Ebenfalls getestet wurden Klemmen mit leitfähiger Tragschienenkontaktierung, die sich durch ihren PE-Fuß etwas schwerer aufrasten lassen. Ein weiteres Kriterium war die Packungsdichte der montierten Klemmen, da diese für das spätere Beschriften zum Beispiel mit dem Wago-Endlosbeschriftungsstreifen ebenso dicht wie bei manueller Montage sein muss.

Software für kraftgeregelte Montageaufgaben

Das Fraunhofer IPA bietet für herausfordernde Montageaufgaben dieser Art – sowohl hinsichtlich der Variantenvielfalt der Klemmen als auch des anspruchsvollen Steckprozesses – seinen Softwarebaukasten Pitasc. Er ermöglicht, Montageanwendungen strukturiert zu programmieren. „Bisher war es erforderlich, ein Robotersystem für jede Anwendung weitgehend neu einzurichten. Mit unserer Software sind einmal modellierte Aufgaben schnell auf neue Produktvarianten, in diesem Fall eben die Klemmen, auf neue Produkte und sogar auf Roboter anderer Hersteller übertragbar“, sagt Lorenz Halt, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA und Mitentwickler der Software. Als Baukastensystem strukturiert, enthält sie fertig einsetzbare und wiederverwendbare Programmbausteine. Diese lassen sich bei der Einrichtung eines Robotersystems individuell zusammenstellen, parametrieren und einsetzen.

Pitasc nutzt zudem Sensorik, um Prozesskräfte aktiv regeln zu können. Für den Wago-Test kam der Roboter UR10e mit bereits integrierter Kraftsensorik zum Einsatz. „So kann er Bauteil- und Lagetoleranzen ausgleichen und setzt keine zu hohen Kräfte ein“, erklärt Halt. „Das schont die empfindlichen Bauteile.“ Weil der Prozess aus Sicht der Werkstücke programmiert wird, ist das einmal erstellte Programm leicht an Varianten anpassbar. Denn es müssen nur bestimmte Parameter wie Prozesskräfte und Greifpositionen geändert werden. Nicht zuletzt ist die Software roboterherstellerunabhängig.

Roboter meistert Varianten und Steckprozess

Im Test konnte der eingesetzte Roboter alle Klemmen erfolgreich stecken. Die Projektpartner passten die Software an die verschiedenen Klemmenvarianten einfach mithilfe der Programmparameter an. Es war keine aufwendige Umprogrammierung erforderlich. Selbst bei PE-Klemmen ließ sich zudem eine hohe Packungsdichte erreichen, indem der Roboter kraftgeregelt gegen das bereits montierte Pack drückte.

Diese Testergebnisse zeigen, dass eine Montageautomatisierung für das Bestücken von Tragschienen auch mithilfe von Roboter und Klemmen „von der Stange“ technisch möglich ist – sofern die Software die Herausforderungen der Anwendung meistern kann. „Unsere Erfahrungen mit Anwendern verdeutlichen, dass bei der Automatisierung der Schaltschrankfertigung viele individuelle Anforderungen berücksichtigt werden müssen. Ist Standardhardware einsetzbar, kann die Lösung einfach sein“, erklärt Dörbaum. Vorteil: die Investitionskosten für die Anwendung bleiben überschaubar, die Lösung ist zugleich flexibel. Die Variantenvielfalt lässt sich ebenfalls mithilfe der Software sinnvoll in den Griff bekommen.

Am Start: automatisierte Schaltschrankfertigung

Gleichwohl bedarf es für den industriellen Einsatz einer solchen Anwendung noch weiterer Arbeiten. Denn erfahrungsgemäß unterscheiden sich die Anforderungen je nach Schaltschrankbauer erheblich im Hinblick auf die Anzahl der verschiedenen Komponenten, die Durchlaufzeiten und die Integration verschiedener Prozessschritte.

Die Ausführungen zeigen: Es gibt nicht den einen Weg zur Automatisierung der Schaltschrankfertigung. Aufbauend auf dem hier gezeigten Ansatz mit „Standardrobotern und -klemmen“ sind noch weitere Fragen zu beantworten. Kann zum Beispiel auch direkt in Kleinverteilern bestückt und anschließend verdrahtet werden? Wie werden Klemmen optimal zugeführt? „Das erfolgreich getestete, roboterbasierte Bestücken von Tragschienen mit der IPA-Software ist ein guter Startpunkt für weitere Kooperationen auf diesem Gebiet der industrienahen Forschung und weiteren Entwicklungen hin zur produktiven Nutzung“, so Dörbaum.

* Frank Nägele, Leiter der Gruppe Roboterprogrammierung und -regelung am Fraunhofer IPA; Burkhard Niemann, Produkt Manager Schaltschrankkomponenten bei Wago

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