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Pick and Place

Effizient verpacken

Im Nürnberger Stammwerk betreibt Staedtler seit September 2015 eine zweite Blisterverpackungslinie mit einem ABB Flexpicker zum Verpacken von Bleistiften, Fasermalern und Radiergummis. Kompaktes Anlagendesign, kurze Pick and Place-Zyklen, schnelles Tauschen von Werkzeugen und Greifern sowie Programmwechsel auf Knopfdruck sind die Zutaten für hocheffizientes Verpacken. Und das bei über 145 unterschiedlichen Produkten auf einer Anlage.



Bild: Matthias Merz/vor-ort-Foto.de

Staedler zählt als Hersteller von holzgefassten Stiften, Folienstiften, Radierern, Feinminen und Modelliermassen zu den ältesten Industriebetrieben Deutschlands. 80 Prozent der Produkte stammen aus deutscher Produktion. Diese Position zu erreichen und auszubauen erfordert auch eine weitgehende Automatisierung aller Produktions-, Verarbeitungs- und Handhabungsschritte. Ein Beispiel ist das Verpacken der Schreib- und Malgeräte in unterschiedliche Blister. Vor über zehn Jahren hat Staedtler in seine erste robotergestützte Verpackungslinie investiert. Auf der Automatica 2004 sah Martin Paul, Bereichsleiter Fertigung Einfüllzentrum und Nassschreibgeräte, erstmals einen ABB-Flexpicker IRB 340 in Aktion. Sofort erkannte er das Potenzial dieses Roboters, das Handling beim Verpacken der unterschiedlichen Staedtler-Produkte deutlich zu verbessern und höchste Verpackungsleistungen auf engstem Raum zu erzielen. Ein knappes Jahr später konnte er dann die erste Blisterverpackungslinie mit einem IRB 340 in Betrieb nehmen.

Zweite Verpackungslinie

Aufgrund der Erfahrungen mit diesem Roboter entschloss Staedtler sich 2014 zur Anschaffung einer weiteren robotergestützten Verpackungslinie, allerdings auf Basis des Nachfolgemodells IRB 360. Neben schnellem und präzisem Pick and Place soll die Anlage vor allem kürzestmögliche Umrüstzeiten ermöglichen, da das Unternehmen auf dieser Linie rund 145 verschiedene Produkte in schnell wechselnden Folgen verpackt – und das bei 50 bis 100 Millionen geblisterten Staedtler-Artikeln pro Jahr. Im Normalfall läuft die Anlage im Zweischichtbetrieb, wobei je nach Marktanforderungen ein bis zwei Umrüstungen pro Schicht erfolgen. Die Umrüstzeiten der kompletten Verpackungslinie sind produktabhängig und können zwischen fünf bis 60 Minuten betragen. Der Roboter selbst lässt sich in knapp fünf Minuten (nur Programmwechsel) oder zehn Minuten (inklusive Greiferwechsel) durchführen. Die Applikationsprogramme für die unterschiedlichen Schreibprodukte sind über Artikelnummern in der Robotersteuerung hinterlegt und lassen sich vom Anlagenführer auf Knopfdruck abrufen. Für erforderliche Greiferwechsel steuert der Roboter ein Wechselmagazin an. Hier tauscht er die ebenfalls gekennzeichneten Sauggreifer. Konzeption und Realisation der gesamten Anlage erfolgte von der N.K.G. Sondermaschinenbau GmbH & Co. KG aus Zirndorf-Wintersdorf, einem erfahrenen Spezialisten für die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer Automatisierungstechnik sowie kameragesteuerter Montage- und Handlingsysteme. Die Simulation und Programmierung des Roboters inklusive der Fördereinrichtungen wiederum übernahm die in Viersen ansässige Eule Industrial Robotics GmbH & Co. KG, ein langjähriger ABB-Partner und Authorized Value Provider.



Mit einem fünffach-Sauggreifer nimmt der Flexpicker die Produkte vom Band und legt sie in die Trays des eine Ebene tiefer um 90 Grad zur Förderrichtung angeordneten Transportbandes ein. Bild: Matthias Merz/vor-ort-Foto.de


Flexibel verpackt

Ob einzelne Blei- oder Buntstifte, Fasermaler, Kugelschreiber, Radiergummis oder komplette Sets der genannten Produkte zu verpacken sind – der IRB 360 Flexpicker bewältigt mit bis zu 120 Pick and Place-Bewegungen pro Minute die Aufgaben. Die Produkt- oder Formatwechsel lassen sich in weniger als fünf Minuten realisieren. Der Werker muss dazu lediglich die mit Schnellwechselsystemen versehenen Werkzeuge und Sauggreifer austauschen sowie das passende, in der Robotersteuerung hinterlegte Applikationsprogramm über das Bedienpanel auswählen. So kann Staedtler auch kleine Losgrößen wirtschaftlich in kürzestmöglichen Durchlaufzeiten abwickeln. Die beiden folgenden Beispiele beschreiben exemplarisch die unterschiedlichen Möglichkeiten der Anlage anhand des Verpackens von Bleistiften in fünfer-Sets mit Stiften unterschiedlicher Härtegrade sowie von Faserstiften in Einzelverpackungen. Das Verpacken von Bleistiften in Sets erfolgt bis auf das Befüllen der Stiftmagazine der Anlage vollautomatisch. Die Bleistifte gelangen exakt ausgerichtet und sortiert in die Roboterzelle, wo sie der Flexpicker mit einem speziell für diese Aufgabe ausgelegten fünffach-Sauggreifer vom Band nimmt und in die Trays legt.

Diese passieren die Roboterzelle auf einem taktgesteuerten Transportband, das eine Ebene tiefer unter einem Winkel von 90 Grad zur Förderrichtung der Stifte angeordnet ist. Bei der hier beschriebenen Applikation muss der Flexpicker pro Takt sieben nebeneinander liegende Trays mit je einem fünfer-Pack bestücken. Sie gelangen anschließend über das getaktete Förderband in die nachgeschaltete Station zum Auflegen und Versiegeln der mit den entsprechenden Produktinformationen bedruckten Blister-Rückwände. Für das sichere Pick and Place sorgt die im ABB-Steuerungsprogramm Pickmaster 3 integrierte Bandverfolgungsfunktion, das sogenannte Conveyor Tracking. Es synchronisiert die Bewegungen des Flexpickers mit denen der unterschiedlichen Förderbänder. Etwas anders sieht das Verpacken der mit Kappen versehenen Fasermaler aus. Diese kommen in unterschiedlicher Lage und Orientierung auf einem kontinuierlich laufenden, glatten Zuführband in die Roboterzelle. An deren Eingang erfasst eine Kamera von jedem Stift Bandposition, Lage sowie Orientierung und sendet die Daten an das in Pickmaster 3 integrierte Bildauswerteprogramm. Das berechnet unter Berücksichtigung der Bandverfolgung die erforderliche Bahn und Pick-Position für den Roboter inklusive der erforderlichen Umorientierung des Greifers für eine einwandfreie Produktaufnahme. Auf dem Weg zum Tray dreht der Roboter den Greifer dann wieder in die zur Ablage vorgesehene Ausrichtung. Der restliche Ablauf erfolgt analog zum oben beschrieben Verpacken der fünfer-Sets.

Von der Idee zur Applikation

Schon in der Planungsphase einer neuen Produktions-, Verarbeitungs- oder Verpackungslinie kommt es darauf an, lange vor Fertigung der ersten Anlagenkomponenten Schwachstellen in der Konzeption zu ermitteln und zu beseitigen. Moderne 3D-CAD-Systeme und Simulationssoftware machen es möglich und sparen so Zeit und Kosten. Das gilt auch für die Entwicklung von Roboterzellen sowie deren Programmierung und Integration in Anlagen. Genau dafür hat ABB zwei Programmpakete entwickelt, nämlich die Simulations- und Offlineprogrammiersoftware Robotstudio und Pickmaster 3. Mit Robotstudio lassen sich reale Prozesse softwaremäßig abbilden und technische Abläufe anhand virtueller Modelle am PC realitätsnah simulieren. Der in Robotstudio integrierte Virtual Controller ist eine exakte virtuelle Kopie der realen ABB-Robotersteuerung IRC5 mit allen ihren Funktionen zur Bahnsteuerung. So können Anwender in Robotstudio den Roboter offline programmieren, die Erreichbarkeit von Objekten durch den Roboter prüfen, die Roboterbahnen und Taktzeiten optimieren oder das System auf Kollisionsrisiken und dergleichen testen.

Die offline erstellten Steuerungsprogramme lassen sich nach erfolgreicher Simulation 1:1 per Knopfdruck in die reale IRC5 übertragen. Für schnelle und vor allem hochpräzise Pick and Place-Applikationen von Robotern des Herstellers ist das Programm Pickmaster 3 zuständig. Es vereinfacht dank seiner intelligenten Funktionen zur Synchronisation der Roboter mit Förderbändern, Thermoform- und Verpackungsmaschinen das Programmieren von Greif-, Verpackungs-, Palettier- und Handhabungsapplikationen. Die integrierten Schnittstellen für CCD- und andere Kameras sowie hochentwickelte Module zur Bilderkennung und -verarbeitung ermöglichen dem Roboter das maschinelle Sehen. So kann er unregelmäßig verteilte oder unterschiedlich orientierte Objekte auf Förderbändern sicher erkennen und zielgerichtet greifen beziehungsweise an anderer Stelle ablegen. Mit diesen Werkzeugen hat auch der Systemintegrator Eule die Simulation und Programmierung des IRB 360 Flexpicker für die neue Verpackungslinie bei Staedtler vorgenommen. Da Pickmaster 3 aufgrund seiner vielen Möglichkeiten für viele Anlagenbediener zu umfangreich ist, entwickelte Eule ein Frontend mit deutlich vereinfachter Bedienoberfläche und erheblich reduzierter Komplexität, das quasi über der Nutzeroberfläche von Pickmaster 3 liegt. Dieses Frontend ist nicht zum Programmieren gedacht, sondern zum einfacheren Bedienen der Lösung. Auch gewinnen Virtualisierung und Simulation für Pick and Place-Linien zunehmend an Bedeutung – und damit steigt der Bedarf an intelligenten Programmierwerkzeugen. Dem trägt ABB mit seinem neu entwickelten Picking Powerpac Rechnung. Dabei handelt es sich um ein Add-on zu Robotstudio und Pickmaster 3. Das zwar umfangreiche, aber leicht zu bedienende Zusatzprogramm soll die Programmierung von Applikationen sowie die Planung von Pick and Place-Linien vereinfachen.


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