ABB-Robotersystem revolutioniert E-Auto-Teilefertigung
Ein neuartiges Roboterautomationssystem hat die Produktion von Wasserkannenanschlusskomponenten für Elektrofahrzeuge grundlegend transformiert. Dieses von einem Expertenteam entwickelte System integriert einen einzelnen Industrieroboter zur vollautomatischen Handhabung von Be- und Entladevorgängen an drei CNC-Drehmaschinen. Die Innovation steigert nicht nur die Produktionsleistung erheblich, sondern setzt auch neue Maßstäbe für kosteneffiziente, hochpräzise und menschensichere Fertigungsverfahren in der Serienproduktion.
Die globale Automobilindustrie vollzieht einen beschleunigten Wandel zur Elektrifizierung, was die Nachfrage nach präzisionsgefertigten E-Fahrzeugkomponenten stark ansteigen lässt. Wasserkannenanschlüsse als kritische Komponenten für Thermomanagementsysteme in elektrischen Antrieben erfordern durchgängige Qualität, enge Toleranzen und unterbrechungsfreie Produktionszyklen. Bisher wurden diese Teile manuell gefertigt, wobei Bediener Rohlinge einlegten und fertige Teile entnahmen. Dieser repetitive, arbeitsintensive Prozess erhöht nicht nur das Verletzungsrisiko, sondern führt auch zu Schwankungen in Zykluszeiten und Teilequalität.
Unter der Leitung von Haiping Wang, Yan Jin, Xiaomin Chen, Weiguang Qiu und Xiaowei Li entwickelte das Forschungsteam eine Lösung, die sich nahtlos in bestehende Fabriklayouts integrieren lässt und gleichzeitig die Automatisierungseffizienz maximiert. Der Durchbruch gelang mit einer stationären Roboterarbeitsstation, die mehrere Maschinen ohne zusätzlichen Platzbedarf oder komplexe Schienensysteme bedienen kann. Das Ergebnis ist eine flexible, zuverlässige und skalierbare Automationszelle mit messbaren Verbesserungen in Produktivität, Sicherheit und Betriebswirtschaftlichkeit.
Herzstück des Systems ist der ABB IRB1410 Industrieroboter – ein artikulierter Sechsachsen-Manipulator mit hoher Präzision, Geschwindigkeit und kompaktem Fußabdruck. Mit einer Nennlast von 5 kg und einer wiederholbaren Positioniergenauigkeit von ±0,02 mm eignet sich der IRB1410 ideal für die Handhabung kleiner bis mittelgroßer Komponenten. Im Gegensatz zu mobilen Roboterplattformen bleibt der Roboter stationär in einer dreieckigen Anordnung von drei S-30 CNC-Drehmaschinen montiert. Diese strategische Positionierung minimiert die Wegstrecken und optimiert die Zykluszeit.
Das ursprüngliche Fabriklayout mit dreieckiger Anordnung der Drehmaschinen wurde beibehalten, wodurch die Implementierungskosten und Stillstandszeiten erheblich reduziert wurden. Für einen nahtlosen Materialfluss integrierten die Ingenieure zwei Förderbänder – eines für die Zuführung von Rohlingen zur Roboteraufnahmestation, das andere für den Abtransport fertiger Teile. Beide Förderer werden von einem einzigen Elektromotor über identische Zahnräder angetrieben, was synchronisierten Betrieb gewährleistet und Geschwindigkeitsunterschiede vermeidet.
Ein besonders innovativer Aspekt ist der duale Endeffektor, speziell entwickelt für simultanes Be- und Entladen. Der Greifer verfügt über zwei unabhängige Spannbacken, die jeweils ein Werkstück aufnehmen können. Durch eine 180-Grad-Rotation des Handgelenks kann der Roboter sowohl das fertige Teil entnehmen als auch den Rohling in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf einlegen. Dieser „Wechsel-und-Rotieren“-Mechanismus reduziert die Leerlaufzeiten erheblich und maximiert die Maschinenauslastung.
Der Greifer wird durch einen pneumatischen Zwei-Finger-Zylinder betätigt, wobei magnetische Sensoren Echtzeit-Feedback zur Backenposition liefern. Über eine Schnellwechseleinheit können Techniker Endeffektoren innerhalb weniger Minuten austauschen, was die Anpassung an verschiedene Komponententypen ohne umfangreiche Neuprogrammierung ermöglicht.
Auf der Maschinenseite wurden die CNC-Drehmaschinen von manuellen auf hydraulische Spannsysteme umgerüstet. Diese Änderung ermöglicht konsistente Spannkräfte und schnellere Betätigung, was für die Wahrung der Maßgenauigkeit und die Reduzierung der Zykluszeit entscheidend ist. Die Hydraulik wird direkt über die Roboterschnittstelle gesteuert, was separate PLC-Programmierung überflüssig macht.
Die Kommunikation zwischen Roboter, CNC-Maschinen und dem zentralen Steuerungssystem erfolgt über eine robuste Industrienetzwerkarchitektur. Der Master-Controller ist eine Siemens S7-1214C SPS, die alle Peripheriegeräte koordiniert, während der ABB-Robotercontroller die Bewegungssequenzen und Greifoperationen verwaltet.
Die Sicherheit war ein wesentlicher Gestaltungsfaktor. Der Arbeitsbereich des Roboters ist mit verriegelten Schutzzäunen und Zugangstüren umgeben. Bei Öffnung einer Tür stoppt das System sofort alle Bewegungen. Lichtvorhänge und Not-Aus-Tasten an wichtigen Zugangspunkten bieten mehrstufigen Schutz gemäß internationaler Sicherheitsstandards.
Der Betriebsablauf folgt einer genau choreografierten Sequenz. Nach Abschluss des Bearbeitungszyklus signalisiert die Maschine ihre Bereitschaft zur Entladung. Der Roboter bewegt sich zum Förderband, nimmt einen Rohling auf und fährt zur Maschine. Nach dem Entnehmen des fertigen Teils erfolgt die Rotation und das Einlegen des neuen Rohlings, bevor das verwendete Teil auf dem Ausgangsförderer abgelegt wird.
Tests in der Partnerfertigungsstätte erbrachten transformative Ergebnisse: Die automatisierte Be- und Entladezeit reduzierte sich von 72 auf 50 Sekunden – eine Verbesserung um 30%. Da der Roboter rund um die Uhr ohne Ermüdung arbeitet, stieg die Maschinenauslastung von 18 auf 24 Stunden täglich. Die Stundenkapazität erhöhte sich von 15 auf 36 Teile pro Stunde – eine Steigerung von 140%.
Der Personalbedarf reduzierte sich signifikant: Statt sechs Bediener im Zwei-Schicht-Betrieb sind nun nur noch vier Mitarbeiter erforderlich – je einer pro Schicht zur Überwachung des Systems und zur Handhabung der Materialzufuhr an den Förderstationen. Dies bedeutet eine 33%ige Reduzierung der direkten Arbeitskosten und jährliche Einsparungen von etwa 500.000 RMB.
Über die finanziellen Vorteile hinaus verbesserte das System die Produktkonsistenz und Prozesszuverlässigkeit. Im Gegensatz zu menschlichen Bedienern führt der Roboter jede Aufgabe mit identischer Präzision aus, was zu engeren Toleranzen und weniger Ausschuss führt. Diese Wiederholgenauigkeit ist besonders wertvoll in Automobil-Lieferketten mit strengen Qualitätsanforderungen.
Das Projekt demonstriert die wachsende Bedeutung von akademisch-industrieller Zusammenarbeit für die Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie. Das Forschungsteam vereinte Expertise in mechanischem Design, Robotik, Automatisierungssteuerung und Industrieingenieurwesen. Die mehrstufige Förderung unterstreicht die nationale Bedeutung von intelligenter Fertigung und technologischer Selbstständigkeit.
Das Designkonzept betont Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit. Obwohl aktuell für drei CNC-Drehmaschinen konfiguriert, könnte die Architektur um zusätzliche Maschinen oder andere Anlagentypen erweitert werden. Der Einsatz standardisierter Kommunikationsprotokolle und modularer Komponenten gewährleistet zukünftige Erweiterungen mit minimalen Störungen.
Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil ist die Fähigkeit des Systems, in rauen Industrieumgebungen zu operieren. Im Gegensatz zu menschlichen Arbeitern ist der Roboter unempfindlich gegenüber Lärm, Hitze, Metallspänen oder Kühlnebel – häufige Bedingungen in Werkstätten. Diese Widerstandsfähigkeit verbessert nicht nur die Betriebszeit, sondern schützt auch Arbeiter vor potenziell gefährlichen Bedingungen.
Aus Nachhaltigkeitssicht trägt das Automationssystem zu effizienterer Ressourcennutzung bei. Durch reduzierte Ausschussquoten und Energieverschwendung unterstützt es umweltfreundlichere Fertigungspraktiken. Die Reduzierung des Arbeitskräftebedarfs ermöglicht Unternehmen zudem, Personal für höherwertige Aufgaben wie Qualitätskontrolle, Prozessoptimierung und vorbeugende Wartung einzusetzen.
Zukünftige Entwicklungen umfassen die Integration von Vision-Systemen zur Teileidentifikation und Ausrichtung, vorausschauende Wartungsalgorithmen basierend auf Sensordaten und cloud-basiertes Monitoring für Ferndiagnosen. Diese Verbesserungen würden das System näher an die vollständige Autonomie führen und sich mit den übergreifenden Zielen von Smart Factories und digitalen Zwillingen decken.
Die Entwicklung und Implementierung dieses robotergestützten Be- und Entladesystems markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Evolution der CNC-Bearbeitungsautomation. Durch die Fähigkeit, mehrere Maschinen mit hoher Zuverlässigkeit und Flexibilität zu bedienen, bietet das System ein überzeugendes Modell für Hersteller, die Produktivität steigern, Kosten senken und Arbeitssicherheit verbessern möchten. Der Erfolg demonstriert, dass intelligente Automation nicht länger exklusiv großen Unternehmen mit hohen Budgets vorbehalten ist – sie ist jetzt zugänglich, praktisch und wirtschaftlich rentabel für eine breite Palette industrieller Anwendungen.
Da der globale Wettbewerb intensiver und die Kundenerwartungen steigen, bleibt die Fähigkeit, hochwertige Komponenten in großer Stückzahl zu produzieren, ein entscheidender Differenzierungsfaktor. Systeme wie dieses, entstanden aus rigoroser Forschung und praktischem Engineering, ebnen den Weg für eine neue Ära der Fertigungsexzellenz – eine Ära, in der Menschen und Maschinen zusammenarbeiten, um Ergebnisse zu erreichen, die keiner allein erreichen könnte.
Haiping Wang, Yan Jin, Xiaomin Chen, Weiguang Qiu, Xiaowei Li
Xianning Vocational Technical College
Changsha University of Science and Technology
Hubei Qingtuo Precision Machinery Co., Ltd.
Mechanical & Electrical Engineering Technology
DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2024.06.013