CAD Roboterprogrammierung leicht gemacht in Siemens NX CAM

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Roboterprogrammierung der nächsten Generation: Zimmer Biomet, Anbieter von orthopädischen Implantaten, hat in Winterthur (Schweiz) einen Produktionsstandort mit rund 1.000 Beschäftigten. Nahezu alle CNC-Bearbeitungsarten kommen in der Fertigung zum Einsatz. Mit Hilfe von Janus Engineering programmiert das Unternehmen die Roboter seines INSYS-Schleifzentrums aus dem CAM-System heraus selbst.

Prozesssicherheit und Prozessstabilität sind unverzichtbare Grundpfeiler in der Medizintechnik. Sie zu gewährleisten, ist eine große Herausforderung. Je mehr Anteile an diesen Prozessen in eigener Hand liegen, desto flexibler und effizienter ist ein Unternehmen. Antonio Bressi ist Senior Teamleiter Produktion bei Zimmer Biomet in Winterthur. Er hat genau das geschafft. In seinen Verantwortungsbereich fallen zwei INSYS-Schleifzentren, die Prothesenteile aus Titan in verschiedenen Arbeitsgängen feinschleifen. Gehalten werden die Teile von einem Stäubli-Roboter, der die Roh-Prothese aufnimmt und immer gleich an die unterschiedlichen Schleifstationen heranführt. Dieser Vorgang läuft im Prinzip perfekt ab. 

Problematisch wurde es immer nur dann, wenn neue Produkte kamen oder der Schleifprozess verändert werden sollte: „Wir waren in diesen Fällen gezwungen, uns an den Service von INSYS zu wenden, um eine Anpassungsprogrammierung für den Roboter zu erhalten. Das war zeit- und kostenintensiv, weshalb wir nach einer Alternative suchten.“

Roboterprogrammierung: Fertigungsgrundlage NX CAM

Allein in der Arbeitsvorbereitung für Hüftprothesen sind drei CAM-Arbeitsplätze auf der Basis von Siemens NX CAM im Einsatz. Am gesamten Standort sind noch viele weitere NX-Lizenzen im Umlauf. Siemens NX hat sich als ideale Basis für die digitale Fertigung bewährt. 3D-Modelle aus den USA können als Step-Datei eingelesen werden, um sie dann in NX CAM für die CNC-Bearbeitung an der jeweiligen Maschine aufzubereiten. Die fehlerfreie Simulation bietet die sichere Grundlage für die Programmierung der Werkzeugmaschine in den Bearbeitungsarten Fräsen, Drehen und Schleifen. Der jeweilige Postprozessor liefert das detaillierte Programm zur exakten Ausführung an der Maschine. Alle Programme, Prozesse und Bearbeitungen lassen sich in den klassischen Bearbeitungsarten in NX CAM transparent und einfach anlegen, verwalten sowie reproduzierbar nachvollziehen, ohne dass externes Know-how hinzugezogen werden muss.

Schleifen von grob nach fein

Die Hüftprothesen aus Titan werden in vorgelagerten Arbeitsschritten gefräst und gedreht. In der Schleifzelle erhalten sie den sprichwörtlichen „letzten Schliff“. Kleine Übergänge, Kanten oder Grate verschwinden, Verrundungen werden finalisiert. Die Bearbeitung erfolgt von grob nach fein bis hin zum Einsatz einer Gummischeibe, die nahezu polierte Oberflächen erzeugt. Anschließend werden die Teile gestrahlt, gelasert und veredelt.

INSYS-Schleifzelle mit Roboter

Die Schleif- und Bearbeitungsstationen sind um den Roboter herum angeordnet. Ein schwenkbares Be- und Entladesystem für beidseitiges Handling umgibt die Fertigungseinheit. Der Roboter entnimmt das Rohteil aus der Beladezone und überprüft mit einem Messtaster die aktuelle Spannsituation. Kleine Abweichungen in der Aufnahme können so kompensiert werden. Der Prothesenrohling kann nun an drei Stationen bearbeitet werden. Zwei Schleifbänder mit unterschiedlichen Körnungen und eine Gummischeibe stehen zur Verfügung. Je nach Programm und Teileanforderung durchlaufen die Rohlinge eine oder mehrere Stationen und werden an unterschiedlichsten Stellen bearbeitet.

Eigene Anpassungen der Roboterprogrammierung bisher nicht möglich

Für Änderungen in der Roboterprogrammierung musste in der Vergangenheit ein Spezialist von INSYS bemüht werden. Eine sofortige Umsetzung von Änderungen war nicht möglich, da die notwendigen Kapazitäten nicht ad-hoc verfügbar waren. Darüber hinaus erfolgte die Programmierung des Roboters direkt an der Schleifzelle, was durchaus eine Woche Produktionsausfall bedeuten konnte. Eine Situation, die nicht nur Antonio Bressi als Verantwortlichen wenig zufriedenstellte.

Wunsch nach Eigenständigkeit

Da die komplette Betreuung der NX-CAM-Landschaft beim Anwenderunternehmen seit Jahren durch Janus Engineering in der Schweiz erfolgt, keimte in Antonio Bressi der Wunsch, die Roboterprogrammierung ebenso unkompliziert in Siemens NX zu gestalten, wie es bei den anderen Werkzeugmaschinen der Fall ist. Eine Anfrage bei Janus gab grünes Licht für das Projekt. Als vielseitiges System verfügt NX CAM über die notwendigen Funktionen, um Robotersysteme einzubinden, entsprechende Simulationen durchzuführen und das dazu notwendige Roboterprogramm zu erstellen.

Stillstandzeiten durch optimierte Roboterprogrammierung reduzieren

Uwe Roosz, Projektleiter bei der Schweizer Janus Engineering, organisierte im Februar 2021 ein Kick-off-Meeting, um die Anforderungen für die robotergeführte Schleifzelle zu definieren. Wie sich herausstellte, war die notwendige Investitionen angemessen und die Kapitalrentabilität kurzfristig erreichbar. Die Experten von Janus definierten ein transparentes Budget sowie einen Zeit- und Projektplan. Die Analyse ergab, dass ein Großteil der Bewegungen simuliert und in eine Roboterprogrammierung umgesetzt werden kann. Da der Schleifprozess jedoch sehr komplex ist, empfiehlt es sich nicht, auf ein Einfahren zu verzichten. Außerdem verfügt die Schleifzelle mit den eingesetzten Schleifmitteln naturgemäß über gewisse Toleranzen, die immer wieder neu berücksichtigt werden müssen. Dennoch sind die Stillstandszeiten am Ende des Projektes deutlich kürzer als in der Vergangenheit und werden sich mit zunehmender Erfahrung noch weiter verkürzen.

Ein Novum: die Steuerungsnachprogrammierung

Die Steuerung der gesamten Schleifzelle mit allen enthaltenen Modulen einschließlich des Roboters erfolgt in einem INSYS-eigenen Programm. Alle Parameter für sämtliche Elemente sind in diesem Programm integriert. Die Herausforderung für Janus Engineering bestand darin, das komplette Programm nachzubilden, denn einzelne Anweisungen an den Roboter, die das INSYS-Programm geändert hätten, waren nicht möglich. Deshalb startete das Unternehmen einen Reverse-Engineering-Prozess, um alle Vorgänge für jede Schleifscheibe, jedes Schleifband und jede Verfahrbewegung des Roboters nachzuvollziehen. Entstanden ist daraus ein selbstentworfenes Programm im XML-Format zur Steuerung der kompletten Zelle, das nun für Zeller Biomet in NX CAM verfügbar gemacht wurde. Das „Look & Feel“ entspricht zu 100 Prozent der originären INSYS-Steuerung. Ein Novum, das bisher noch niemandem gelungen ist.

Für sehr spezifische Werte wie „Schleifandruck“ generierte der Dienstleister Vorlagemasken, in die sich die Werte manuell in NX CAM eintragen lassen. Da zwei INSYS-Zellen mit unterschiedlichen Versionen vorhanden waren, musste für jede Schleifzelle ein Steuerungsprogramm erstellt werden. Diese detaillierte Einarbeitung in die vorhandenen Anlagen nahm den größten Teil des Projektes in Anspruch.

Einheitliche Basis bringt Flexibilität und Effizienz

Neben dem Produktivitätsgewinn liegt der größte Vorteil für den Kunden in der Verwirklichung des ursprünglichen Ziels: der selbstständigen Programmierung. Endlich lassen sich Roboterprogramme in eigener Regie ohne Wartezeiten erstellen. Außerdem befindet sich nun das gesamte Fertigungsprogramm mit NX CAM in einer einheitlichen Softwareumgebung. Die hauseigenen Programmierer konnten von Janus leicht auf die Robotikfunktionen geschult werden. Schließlich war Ihnen ja NX CAM bereits vertraut. Möchte man nun zum Beispiel eine Schleifbahn etwas korrigieren oder anpassen, ist dies schnell und einfach selbst erledigt. Die Programme lassen sich ebenso gut verwalten wie die CNC-Programme und können nun als Vorlage für ähnliche Schleifaufgaben dienen.

Das Einsparpotenzial ist enorm: Antonio Bressi schätzt allein die Zeiteinsparung auf 15 Prozent bei konservativer Rechnung. Abgesehen davon ist der Kunde nun in der Lage, experimentell in der Simulation die Grenzen des Schleifsystems auszuloten und Korrekturen wirtschaftlich selbst durchzuführen. Zuvor eventuell notwendige manuelle Nacharbeiten entfallen auf diese Weise. Diese neu gewonnene Flexibilität ist ebenfalls ein echter Mehrwert.

Roboterprogrammierung: Projektumsetzung gelungen

Mitten im Projekt traf Anfang Dezember 2022 die Nachricht ein, dass die INSYS ­Industriesysteme Konkurs angemeldet hat und sich inzwischen in Liquidation befindet. Diese für alle überraschende Nachricht machte den Beteiligten deutlich, wie richtig es war, die Eigenständigkeit anzustreben. Dementsprechend erleichtert zeigt sich heute Antonio Bressi: „Wir sind mit der Umsetzung bestens zufrieden, aus meiner Sicht ist es sogar brillant gelaufen. Die Zusammenarbeit mit Janus Engineering war sehr gut, wir konnten uns auf pragmatische Weise gegenseitig helfen, das Projekt erfolgreich abzuschließen. Sowohl der Zeit- als auch der Budget- und Projektplan sind eingehalten worden. Die Kommunikation war vorbildlich, die Vorgehensweise war strukturiert.“ Und er führt weiter aus: „Es ist uns gemeinsam gelungen, einen Standard in NX CAM für Zimmer Biomet zur Roboter-Programmierung der zwei vorhandenen INSYS-Schleifzellen zu definieren. Diesen Standard möchten wir im nächsten Schritt weiter optimieren. Zukünftig möchten wir die Strategie der Automatisierung und des Ausbaus der eigenen Fähigkeiten gezielt fortsetzen.“

Der Autor Thomas Löffler ist Inhaber der PR-Agentur TL Text | Idee | Konzeption.