Automatisierungs-Neuland in der Möbelindustrie
Die Küchenfertigung ist zweifelsohne eine Königsdisziplin für Automatisierung. Losgröße 1 ist seit Jahren Standard. Dennoch gibt es immer wieder Bewährungsproben – z. B. wenn das Möbelsortiment wächst, der Platz in der Fertigung aber nicht. Oder wenn ein in die Jahre gekommener Anlagenteil zunehmend zum Flaschenhals wird. Gut, dass Beckhoff integrierte Antriebslösungen im Portfolio hat, die neuartige Automatisierungskonzepte erlauben – wie das folgende Projekt des Sondermaschinenbauers Hüttenhölscher beim Küchenhersteller nobilia zeigt.
Die nobilia-Werke J. Stickling GmbH & Co. KG gehört zu den ganz großen Küchenherstellern. Rund 30 % des europäischen Bedarfs kann das Unternehmen abdecken. In konkreten Zahlen bedeutet das: Bis zu 3.800 Küchen werden täglich produziert und ausgeliefert – auftragsbezogen und entsprechend individuell. Um diese Zahl zu meistern, legt nobilia das Hauptaugenmerk auf zwei Aspekte: Punkt eins ist eine Fertigungssteuerung, die das Feld von hinten aufrollt. Die gesamte Logistik ist auf die Frage ausgerichtet: „Wie lässt sich der Lkw so befüllen, dass er die produzierten Küchen im Anschluss auf einer möglichst effizienten Route abliefern kann?“ Dabei kommt auch Punkt zwei zum Tragen: ein sehr hoher Automatisierungsgrad. „Alle Grundmaterialien wie Korpus und Frontteile, Schrauben oder Beschläge in kundenindividuelle Möbelstücke verwandeln und diese – ergänzt um die bestellte Handelsware – auf einen Schwung in den richtigen Lkw bringen? Das funktioniert nur mit einem bedingungslosen Just-in-Time-Ansatz“, erklärt David Müller, Senior Projektleiter bei nobilia.
Mit etwa 19 produzierten Schränken pro Minute bringt es allein das Werk 2 von nobilia auf bis zu 100 Lkw, die täglich voll beladen vom Hof fahren. „Man kann sich vorstellen, was passiert, wenn dann nicht jede Front zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist“, sagt David Müller. Trotz der riesigen Dimensionen – das Werk ist fast 700 m lang und über 300 m breit – ist der Platz in der Fertigung äußerst rar. Bestehende Anlagen erweitern, um sie an neue Anforderungen anzupassen, ist schlicht nicht möglich. Modernisierte Maschinen dürfen also nicht über den vorherigen Footprint hinausgehen.
Diese Voraussetzung galt auch, als nobilia die Anlage für die Schubkastenfertigung auf einen neuen technischen Stand bringen musste. Der Hintergrund: Ergänzend zum Küchenangebot adressiert das Unternehmen den wachsenden Bedarf an ganzheitlichen Einrichtungslösungen mittlerweile auch mit Möbeln für andere Bereiche. War also das bisherige System noch dediziert auf Küchen ausgelegt, wurde nun mehr Flexibilität benötigt, um die deutlich höhere Varianz abzudecken. „Wir wollten fertigungstechnisch den nächsten Schritt gehen und unsere Anlagen so modernisieren, dass sich auch Kastenmöbel für den Wohnbereich oder das Badezimmer herstellen lassen“, unterstreicht der Senior Projektleiter.
Zeitgleicher Produktionsstart in zwei Werken
Selbst wenn die bisherige Schubkastenfertigung nur einen Bruchteil der Fertigungsfläche in Werk 2 einnahm: Mehr Platz stand für die neue Anlage nicht zur Verfügung. Dafür waren mehr Durchsatz, mehr automatisiert bewirtschaftete Varianz und mehr Sicherheit gefragt. Eine echte Herausforderung. Hinzu kam eine weitere große Herausforderung: Es ging nicht nur um eine Anlage, sondern um jeweils zwei baugleiche Linien für die Schubkastenfertigung in zwei nobilia-Werken. Die Umstellung auf das neue Sortiment, also der Produktionsstart der neuen Anlagen, musste standortübergreifend erfolgen. „Für nobilia eines der komplexesten Projekte, die wir je umgesetzt haben“, konstatiert David Müller.
Diese Herausforderungen im Blick, holte nobilia zwei Partner an Bord: zum einen Beckhoff als Lieferant der Automatisierungstechnik, zum anderen die Hüttenhölscher Maschinenbau GmbH & Co. KG, die eine sehr lange Historie in der Möbelindustrie und entsprechende Expertise vorweisen kann. Aufgrund der räumlichen Nähe – alle drei Unternehmen stammen aus dem ostwestfälischen Verl – verbindet sie eine jahrzehntelange Zusammenarbeit. „Gemeinsam sind wir schon mehrmals neue Wege in Sachen Automatisierung gegangen“, blickt David Müller zurück. Mit der neuen Schubkastenanlage wollte man diese Erfolgsstory fortschreiben. „Es ging also nicht nur um ein immenses Projektvolumen“, ergänzt Herr Kellner, Leiter Steuerungstechnik bei Hüttenhölscher, „sondern auch um eine neue Entwicklung, die wir das erste Mal realisiert haben.“
Der Plan war, die Materialnachversorgung innerhalb der Anlage so zu automatisieren, dass kein manueller Eingriff mehr erforderlich ist, und die hohe Artikelvarianz auf engem Raum bewirtschaftet werden kann. Entstanden ist daraufhin ein schlankes Shuttlesystem mit Abmessungen von etwa 2 m auf 60 cm. Es versorgt die Roboter in den Montagestationen mit passenden Seiten- und Rückwänden für den jeweiligen Schubkasten. In jeder doppelsträngigen Anlage sind drei solcher Shuttles verbaut. Sie nehmen die Bauteile in gestapelten Trays auf und bringen sie über einen Verfahrweg von rund 20 m zuverlässig zur richtigen Station. Beladen bringen es die Shuttles auf rund 1.000 kg Gewicht. Dennoch erreichen sie Geschwindigkeiten von 100 m/min und eine Genauigkeit von unter 1 mm.
Neue Wege in der Automatisierung
Ursprünglich überlegte Hüttenhölscher, die Shuttles über Energieketten in der Anlage anzubinden. Das ließ sich allerdings in den sehr schmalen Versorgungsgängen vom Platz her nicht umsetzen. Auch die geforderte Dynamik wäre über die langen Verfahrwege nicht erreichbar gewesen. Also musste eine andere Lösung gefunden werden. Die Versorgung des mobilen Systems mit 400 V realisierte der Anlagenbauer über eine Stromschiene. In der Folge sind nicht nur die beiden Fahrantriebe elektrisch, sondern auch die drei Achsen für die Aufnahme der Tray-Stapel. Auf Pneumatik wurde im Shuttle gänzlich verzichtet.
Bei der Kommunikation fiel die Wahl auf eine drahtlose Anbindung per Funk mit dem EtherCAT Automation Protocol (EAP), das eine hochdeterministische Kommunikation zwischen EtherCAT-Mastern erlaubt. „Da sich mit EAP auch Safety-Signale übertragen lassen, erfüllt die Wireless-Lösung selbst die hohen Sicherheitsansprüche der verschiedenen Schutzzonen in der Applikation“, beschreibt Julius Polldavid von der Beckhoff Anlagentechnik die neue Lösung. „Ohne dieses Protokoll wäre eine solche Umsetzung nicht möglich gewesen.“
Die Steuerungsaufgaben des Shuttles übernimmt der lüfterlose Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6025 mit Abmessungen von 82 x 127 x 50 mm. „Wegen des geringen Platzbedarfs war die schmale Bauform das entscheidende Kriterium“, fährt Andreas Sträter fort, der ebenfalls in der Anlagentechnik bei Beckhoff tätig ist. „So kommt das Shuttle mit einem schlanken Schaltkasten aus. Mit Blick auf die Leistung ist der C6025 vollkommen ausreichend. Denn die Logikfunktionen werden gar nicht auf dem Shuttle selbst berechnet.“ „Das erfolgt einschließlich der Safety-Funktionen schon in der übergeordneten Anlagensteuerung – einem Beckhoff Schaltschrank-Industrie-PC 6930“, sagt Julius Polldavid. „Die Steuerung des Shuttles führt nur noch aus, sammelt I/O-Signale ein und gibt Rückmeldung. Deshalb kommt der mobile Anlagenteil auch ohne eigenes HMI aus.“
Smarte integrierte Antriebstechnik
Für Herrn Kellner gab es bei der Wahl des IPC-Herstellers keine Überlegungen: „Steuerungsseitig ist Beckhoff mit PC-based Control und EtherCAT in der Möbelindustrie gesetzt. Das wachsende Antriebsportfolio findet in der Branche ebenfalls großen Anklang.“ In diesem Fall war für die Wahl ausschlaggebend, dass Beckhoff auch integrierte Lösungen anbietet. „Im Shuttle-Schaltkasten war für klassische Servoverstärker schlichtweg kein Platz“, so Andreas Sträter, „und auch für die Motoren war der Bauraum stark begrenzt.“
Weil beim dezentralen Servoantriebssystem AMP8000 die Servoverstärker direkt in die kompakten Motoren integriert sind, erwies sich das dezentrale Antriebssystem, mit dem Beckhoff auf modulare Maschinenkonzepte abzielt, für die Shuttle-Lösung als ideal. Beim Tray-Handling kommt der dezentrale Servoantrieb AMP8031 zum Einsatz, in den Fahrachsen die Variante AMP8552 mit erhöhtem Rotorträgheitsmoment. Das abgesetzte Versorgungsmodul AMP8620 ist auf fünf Achsen ausgelegt – also ebenfalls exakt passend für diese Applikation bei nobilia. Die Einkabellösung EtherCAT P spart weiteren Platz. Durch die vorkonfektionierten Leitungen war der Verdrahtungsaufwand sehr gering. Ein weiterer Vorteil der integrierten Lösung: Die Antriebe können bei Bedarf vom Instandhalter getauscht werden. Es ist dabei kein Eingriff in die Programmierung erforderlich. Auch mit Blick auf die Sicherheitstechnik erfüllen die AMP-Antriebe mit integrierten Safety-Funktionen wie STO, SLS oder SS1 alle Forderungen. Die Auslegung mit TwinCAT Drive Manager erfolgt im gewohnten Beckhoff Engineering.
Montage und Test vorab
„Bei der mobilen Shuttle-Lösung haben wir technisches Neuland betreten, u. a. mit Wireless-Kommunikation und der dezentralen Antriebstechnik“, resümiert Herr Kellner. „Wir hatten keine Vergleichswerte, auf die wir zurückgreifen konnten, und auch kein Referenzsystem.“ Umso wichtiger war es für den Anlagenbauer, schon vor der Installation und Inbetriebnahme bei nobilia möglichst viel Erfahrung zu sammeln. Aus diesem Grund – und um den ambitionierten Zeitplan von nobilia zur Umstellung der Anlage einhalten zu können – wurden die Shuttles komplett bei Hüttenhölscher montiert und getestet. „Wir mussten sie im Werk 2 quasi nur noch auf die Schiene setzen“, schließt Herr Kellner. Seit Januar 2025 laufen die neuen Schubkastenanlagen in den beiden nobilia-Werken im Regelbetrieb. „Gemessen an der Größe des Projekts ist die Umstellung der Fertigung auf das neue Sortiment mehr als gut gelaufen“, zieht David Müller Fazit.
