Optimierung der Fertigung durch Simulation und Offline-Programmierung von Robotern
Hersteller setzen zunehmend auf Simulation und Offline-Programmierung von Robotern, um die Variantenvielfalt zu bewältigen, die Qualität zu verbessern und die Zykluszeiten vorhersehbar zu halten. In diesem Artikel wird untersucht, wie Simulation, digitale Zwillinge und Offline-Programmierung Unternehmen dabei helfen, Ideen in die Umsetzung zu bringen, die Produktion von Losgröße 1 zu ermöglichen und sowohl neue als auch bestehende Fabriken zu modernisieren.
Die Fertigung entwickelt sich hin zu einer größeren Produktvielfalt, kürzeren Vorlaufzeiten und einer höheren Nachfrage nach Individualisierung. Kunden erwarten mehr Varianten, schnellere Lieferungen und gleichbleibende Qualität, oft ohne höhere Kosten.
Dies stellt Hersteller vor eine grundlegende Herausforderung: Wie lässt sich die Flexibilität erhöhen, ohne dabei an Produktivität oder Vorhersagbarkeit einzubüßen? Ein wichtiger Faktor ist die Kombination aus Fertigungssimulation und Offline-Roboterprogrammierung, die es Unternehmen ermöglicht, Produktionssysteme digital zu testen, zu validieren und zu optimieren, bevor sie Zeit, Kapital und Ressourcen in der Fertigung investieren.
Durch die Verlagerung kritischer Entscheidungen in vorgelagerte Phasen können Hersteller Probleme vor der Inbetriebnahme oder dem Hochlauf antizipieren. Dies wird immer wichtiger, da die Losgrößen schrumpfen und die Produktvarianten zunehmen, wodurch Trial-and-Error-Ansätze in der Fertigung weniger praktikabel werden.
In einem aktuellen Podcast mit MM MaschinenMarkt sprach Heiko Obmann, Territory Sales Manager DACH bei Visual Components, darüber, wie Simulation und Offline-Programmierung Herstellern helfen, die Effizienz und Flexibilität in modernen Produktionsumgebungen zu steigern.
Fertigungssimulation als Grundlage für bessere Produktionsentscheidungen
Die Fertigungssimulation spielt eine zentrale Rolle beim Verständnis des Gesamtverhaltens eines Produktionssystems, das über einzelne Maschinen oder Roboter hinausgeht. Anstatt sich nur auf einzelne Roboter zu konzentrieren, können Hersteller komplette Produktionsabläufe modellieren, einschließlich Materialfluss, Puffer, Zykluszeiten und Interaktionen zwischen Maschinen. Diese Sichtweise auf Systemebene ermöglicht es, verschiedene Layoutkonzepte, Sequenzierungsstrategien und Automatisierungsgrade zu bewerten, bevor etwas physisch installiert wird.
Mit Hilfe von durch Simulationen erstellten digitalen Zwillingen können Ingenieure schon frühzeitig praktische Fragen beantworten. Kann die erforderliche Zykluszeit erreicht werden? Wo liegen die Engpässe? Wie empfindlich reagiert der Prozess auf Abweichungen in der Teilegeometrie oder den Ankunftszeiten? Durch die Simulation mehrerer Szenarien können Hersteller Alternativen vergleichen und fundierte Kompromisse zwischen Flexibilität, Durchsatz und Investitionen eingehen.
Wichtig ist, dass die Simulation nicht auf Greenfield-Projekte beschränkt ist. Auch bestehende Produktionslinien können digital nachgebildet werden, was Transparenz in Prozesse bringt, die sich möglicherweise über Jahre hinweg entwickelt haben. Dies schafft ein gemeinsames Verständnis zwischen Technik, Betrieb und Management und bildet eine zuverlässige Grundlage für Optimierungen und zukünftige Veränderungen.
Offline-Programmierung von Robotern im Vergleich zur Programmierung mit Teach-Pendant in der Fertigung
Bei der Offline-Programmierung von Robotern werden Roboterprogramme in einer virtuellen Umgebung erstellt, simuliert und validiert, während bei der Teach-Pendant-Programmierung der Roboter manuell geführt und Punkte direkt in der physischen Fertigungsumgebung definiert werden müssen. Die Teach-Pendant-Programmierung erfordert physischen Zugriff auf den Roboter und blockiert häufig die Produktion während der Programmierung und des Testens. Dieser Ansatz kann zwar für einfache, sich wiederholende Aufgaben funktionieren, wird jedoch schnell zu einem Engpass, wenn sich Produkte häufig ändern oder Prozesse komplexer werden.
Die Offline-Programmierung von Robotern trennt die Roboterprogrammierung von der Produktion vor Ort und ermöglicht eine Programmierung unabhängig von der Fertigungshalle. Roboterbahnen, Prozessparameter und Abläufe werden in einer virtuellen Umgebung erstellt und getestet. Dies reduziert die Ausfallzeiten des Systems erheblich und ermöglicht die Fortsetzung der Produktion, während neue Programme vorbereitet werden. Wenn das Programm schließlich auf den Roboter übertragen wird, wurde es bereits auf Erreichbarkeit, Kollisionen und Kinematik validiert, wodurch der Bedarf an manuellen Nachbesserungen reduziert wird.
Für Hersteller bedeutet dies eine schnellere Inbetriebnahme, besser vorhersehbare Anlaufphasen und eine höhere Wahrscheinlichkeit einer fehlerfreien Produktion beim ersten Mal. Die Offline-Programmierung macht die Roboterprogrammierung auch für eine breitere Gruppe von Anwendern zugänglich, da ein Großteil der Komplexität digital und nicht in der Fertigung bewältigt wird.
Von CAD-Daten und digitalen Zwillingen zu ausführbaren Roboterprogrammen
Genaue digitale Daten sind eine Voraussetzung für eine effektive Fertigungssimulation und die Offline-Programmierung von Robotern. CAD-Modelle bilden die Grundlage für die Definition von Produkten, Vorrichtungen und Arbeitszellen. In Kombination mit der modellbasierten Definition können Fertigungsinformationen wie Schweißnähte, Toleranzen und Referenzmerkmale direkt in nachgelagerten Prozessen wiederverwendet werden.
In der virtuellen Umgebung werden die Roboterkinematik und die Bewegungsplanung realistisch simuliert. Achsenbegrenzungen, Singularitäten und Erreichbarkeitsbeschränkungen werden frühzeitig berücksichtigt, wodurch das Risiko von Überraschungen bei der Inbetriebnahme verringert wird. Dies ist besonders wichtig für Prozesse wie Schweißen oder Zerspanen, bei denen die Bahngenauigkeit und die Prozessreihenfolge direkten Einfluss auf die Qualität haben.
Erfolgreiche Offline-Programmier projekte hängen von einer engen Zusammenarbeit zwischen dem OLP-Softwareanbieter, den Roboterherstellern und den Systemintegratoren ab. Genaue kinematische Modelle, das Verhalten der Steuerung und die Nachbearbeitung stellen sicher, dass das, was in der Simulation funktioniert, sich auf dem realen Roboter genauso verhält. Diese Übereinstimmung zwischen der virtuellen und der physischen Welt macht die Offline-Programmierung in großem Maßstab möglich.
Vorhersagbarkeit, Qualität und Zykluszeit als messbare Fertigungsergebnisse
Einer der wichtigsten Vorteile der simulationsbasierten Planung besteht darin, dass sie die Leistung frühzeitig messbar macht. Vor Produktionsbeginn lassen sich Zykluszeiten berechnen und vergleichen, Qualitätsrisiken identifizieren und die Prozessstabilität bewerten. So können Hersteller realistische KPIs definieren und beurteilen, ob die Ziele unter realen Bedingungen erreicht werden können.
Durch die Simulation alternativer Prozessabläufe oder Roboterstrategien können Ingenieure nachvollziehen, wie empfindlich das System auf Abweichungen reagiert. Beispielsweise kann eine Änderung der Schweißreihenfolge Verformungen reduzieren oder eine Anpassung der Roboterkoordination die Zykluszeit verkürzen. Diese Erkenntnisse sind allein durch physikalische Tests nur schwer zu gewinnen, insbesondere wenn die Produktionskapazität begrenzt ist.
Somit tragen Simulation und Offline-Programmierung nicht nur zu einer schnelleren Inbetriebnahme bei, sondern auch zu einem stabileren Langzeitbetrieb. Die Qualität wird wiederholbarer und Abweichungen können systematisch statt reaktiv behoben werden.
Praktische Anwendungsfälle für Roboterprogrammierung und -simulation in verschiedenen Branchen
Die Diskussion macht deutlich, dass Simulation und Offline-Programmierung weit über eine einzelne Branche hinaus relevant sind. In der Automobilfertigung sind sie aufgrund der hohen Komplexität und engen Toleranzen bereits fest etabliert. Zunehmend finden sie jedoch auch in Bereichen wie dem Schwermaschinenbau, der Dickblechfertigung und dem sogenannten Gelbwarenbereich Anwendung.
In diesen Umgebungen sind die Teile groß, die Toleranzen können variieren und die Prozesse umfassen häufig Schweißen, Handhabung und komplexe Vorrichtungen. Die Simulation hilft Ingenieuren zu verstehen, wie Roboter, Positionierer, Greifer und Sensoren zusammenwirken und wie sich Abweichungen auf den Gesamtprozess auswirken. Die Offline-Programmierung ermöglicht eine effiziente Vorbereitung von Roboterprogrammen, selbst wenn sich die Produkte häufig ändern.
Für kleine und mittlere Unternehmen ist die Einstiegshürde geringer als oft angenommen. Viele beginnen mit fokussierten Anwendungsfällen wie dem Greifen, Montieren oder Schweißen einer begrenzten Anzahl von Teilen. Durch die Simulation dieser Prozesse und die Offline-Programmierung von Robotern können sie eine schnelle Amortisation erzielen und die Automatisierung schrittweise ohne großes Vorabrisiko ausbauen.
Nachrüstung und Modernisierung bestehender Brownfield-Produktionssysteme
Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass Simulation und Offline-Programmierung nur für neue Produktionslinien nützlich sind. In der Praxis konzentrieren sich viele Projekte auf Brownfield-Umgebungen. Vorhandene Roboter und Anlagen können aufgezeichnet, vermessen oder gescannt und anschließend digital nachgebildet werden.
Sobald eine digitale Darstellung vorliegt, können Hersteller virtuell mit Änderungen experimentieren. Neue Produkte können eingeführt, Layouts angepasst oder zusätzliche Automatisierungen hinzugefügt werden, ohne die laufende Produktion zu stören. Dieser Ansatz reduziert Risiken und trägt dazu bei, die Lebensdauer bestehender Anlagen zu verlängern.
Die Möglichkeit zur Nachrüstung und Modernisierung wird immer wichtiger, da Hersteller Flexibilität ohne große Kapitalinvestitionen anstreben. Die Simulation bietet die erforderliche Transparenz, um schrittweise Verbesserungen vorzunehmen und gleichzeitig den Betrieb stabil zu halten.
Von der Automatisierungsidee zur Umsetzung mithilfe von Simulation und Offline-Programmierung
Der Weg von einer ersten Automatisierungsidee zu einem laufenden Produktionssystem erfordert die Koordination zwischen mehreren Beteiligten. Ingenieure, Betriebsleiter, Systemintegratoren und Technologieanbieter müssen alle ein gemeinsames Verständnis des Prozesses haben. Simulation und Offline-Programmierung bieten eine gemeinsame digitale Sprache, die diese Zusammenarbeit unterstützt.
Durch die frühzeitige Validierung von Konzepten und die Reduzierung von Unsicherheiten können Unternehmen Entscheidungszyklen verkürzen und die Umsetzung mit mehr Zuversicht angehen. Dieser strukturierte Ansatz macht fortschrittliche Fertigungsstrategien wie Batch Size 1 greifbarer und wirtschaftlich rentabler.
Häufig gestellte Fragen zur Fertigungssimulation und Offline-Roboterprogrammierung
Offline-Roboterprogrammierung ist die Erstellung und Validierung von Roboterprogrammen in einer virtuellen Umgebung statt in der Fertigungshalle. So kann die Produktion weiterlaufen, während neue Roboterprogramme vorbereitet und getestet werden.
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Offline-Programmierung kann sehr genau sein, wenn das digitale Modell das reale System genau widerspiegelt. Dies erfordert korrekte Roboterkinematik, Werkzeugdaten, Vorrichtungen und Referenzrahmen. In Branchen mit engen Toleranzen ist die Offline-Programmierung bereits Standard. In Umgebungen mit größeren Abweichungen wird sie häufig mit Sensoren oder adaptiven Strategien kombiniert, um Abweichungen bei realen Teilen zu bewältigen.
Auf jeden Fall. Die Offline-Programmierung ermöglicht es Herstellern, Programme für die Einzelstück- oder Kleinserienfertigung effizient zu entwickeln. Durch das digitale Testen und Validieren von Programmen können Ingenieure die Einrichtungszeit reduzieren, eine fehlerfreie Produktion sicherstellen und Prozesse schrittweise skalieren.
Ja. Bestehende Brownfield-Produktionslinien können mithilfe von CAD-Modellen, Scans oder Messungen digitalisiert werden. Durch Offline-Programmierung und Simulation können aktuelle Roboter und Systeme nachgerüstet werden, wodurch Flexibilität und Effizienz verbessert werden, ohne dass Geräte ausgetauscht werden müssen.
Mit Fertigungssimulationssoftware können Unternehmen ein digitales Modell eines Produktionssystems erstellen, um Layouts, Roboterbewegungen, Materialfluss und wichtige Leistungsindikatoren wie Zykluszeit und Durchsatz zu testen, bevor etwas physisch gebaut wird.
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Die Fertigungssimulation konzentriert sich auf das Verständnis und die Optimierung des gesamten Produktionssystems. Dazu gehören die Modellierung von Arbeitsabläufen, Materialfluss, Interaktionen zwischen Stationen und Zykluszeiten. Die Offline-Programmierung von Robotern baut auf dieser Grundlage auf, indem sie validierte Prozesspläne in ausführbaren Roboter-Code umwandelt. Einfach ausgedrückt definiert die Simulation, wie das System funktionieren soll, während die Offline-Programmierung sicherstellt, dass der Roboter diesen Plan genau ausführt.
Ja. Die Fertigungssimulation ermöglicht es Teams, verschiedene Layouts, Abläufe und Prozessstrategien zu testen, bevor etwas physisch gebaut oder geändert wird. Dazu gehören die Bewertung der Reichweite und Bewegung des Roboters, der Ausgleich der Arbeitslasten zwischen den Stationen, die Schätzung der Taktzeiten und die frühzeitige Erkennung von Engpässen. Die Optimierung von Arbeitsabläufen in einer virtuellen Umgebung reduziert die Kosten und den Aufwand für spätere Änderungen in der Produktion.
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