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Mensch-Roboter- Kollaboration

Basisseminar RWTH AachenSo läuft's zwischen Mensch und Maschine

RWTH Aachen Basisseminar

Im Basisseminar „Mensch-Roboter-Kollaboration“ des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen sollen Grundlagen im Bereich Mensch-Roboter-Kollaboration vermittelt werden, außerdem wird analysiert, welcher Roboter zu welchem Anwendungsfall passt.

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Mensch-Roboter- KollaborationDer Roboter als Schmied

Mensch-Roboter-Kollaboration erschließt Rationalisierungspotenziale. Im globalen Automobilmarkt sorgen steigende Typenvielfalt und resultierend kleine Losgrößen für anhaltenden Innovationsdruck. Automatisierungs-Experten der Leiber-Group am polnischen Standort Ruda Ślską haben mit ihren Partnern eine außergewöhnlich flexible Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) realisiert.

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Greiferwerkzeug

Zum Schmieden von Fahrwerks- und Karosseriekomponenten nutzen die Umformexperten in Ruda Ślską moderne Spindelpressen. Die konkrete Aufgabe besteht darin, den Schmiedeprozess der Pkw-Teilefertigung einerseits zu automatisieren, andererseits für den eventuellen Ersatz eines der beiden Roboter vorzusorgen. Eine Option für die Produktion von Schmiedeteilen auch ohne sehr komplexe Schmiedegesenke soll offen bleiben. Denn für die möglichst kraftarme Entnahme per Roboter sind die Gesenke mit Auswerferstiften auszustatten.

Erfassen und Befördern
Nach der Entnahme sind die geschmiedeten Teile in die Abgratpresse einzulegen und schließlich der Abgrat zu entsorgen. Unterschiedliche Geometrien der Werkstücke erfordern eine möglichst hohe Flexibilität der Greifwerkzeuge. Bedarfsweise ist ihr kurzfristiger Wechsel zu gewährleisten.

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Der Normalbetrieb läuft automatisch ab. Die auf circa 580 Grad C Schmiedetemperatur erwärmten Werkstückrohlinge gelangen auf einem Transportband in die Belade-Roboterzelle. Hier greift sie der Roboter IRB 6620 Foundry Plus 2, sprüht das Trennmittel in die Form und belädt sie anschließend mit dem Rohling. Nach dem ersten Schmiedehub der Spindelpresse greift in der Entlade-Roboterzelle der IRB 4600 das Werkstück und legt es in die zweite Position der Presse. Im Anschluss an den zweiten Pressenhub legt der IRB 4600 das Werkstück in die Abgratpresse. Jetzt sprüht der IRB 6620 Foundry Plus 2 wieder die Form in Position 1 und belädt sie mit dem nächsten Rohling. Der IRB 4600 in der Entlade-Roboterzelle greift das fertig geschmiedete Teil und legt es in die Abgratpresse. Anschließend erfasst er den Abfall und befördert ihn prozesssicher in die Schrottbox.

IRB 6620 Foundry Plus 2

Existiert für ein Schmiedestück kein automationsgerechtes Gesenk und ist es auch nicht wirtschaftlich, eines herzustellen, greift die teilautomatisierte Alternative. Das heißt, ein Schmied arbeitet auf engem Raum mit dem Beladeroboter zusammen. Der qualifizierte Schmied ist fähig, die Schmiedeteile auch dann zu entnehmen, wenn sie formschlüssig in der Form liegen. In der Beladestation tritt diese Situation dagegen nicht auf. Die Vielfalt der Rohlinge – normalerweise Rundmaterial – ist wesentlich geringer und ergibt bei den vorhandenen universellen Greifwerkzeugen keine Engpässe. Auch für den Fall, dass ein Roboter oder sein Greifwerkzeug ausfallen sollten, übernimmt ein Schmied die Tätigkeit dieses Roboters.

Sicherheit zuerst
Die Mensch-Roboterkollaboration (MRK) erfordert einige strikt zu befolgende Regelungen und gravierende Sicherheitsmaßnahmen. Dafür entwickelte der Spezialist Indat ein anwendungsspezifisches Sicherheitskonzept. Zum Beispiel berücksichtigt es den hier gegebenen relativ geringen Platz zwischen Presse und Roboter. Er reicht für das räumliche Trennen von Mensch und Roboter, wie es üblich und vorgeschrieben ist, nicht aus. Hier kamen Indat die großen und langjährigen Erfahrungen aus anderen schmiedetechnischen Lösungen zugute. Sie stammen aus Kombinationen von klassischer mit softwarebasierter Sicherheitstechnik.

Den optionalen MRK-Betrieb realisiert eine übergeordnete Sicherheits-SPS in Verbindung mit der Safe Move Option der ABB-Roboter. Zusätzlich zu SafeMove und den Lichtschranken befinden sich Not-Halt-Taster an geeigneten, ausgewählten Orten wie dem Programmierhandgerät FlexPendant oder dem Pressenbedienpult.

Mensch und Roboter

Safe Move besteht aus einer Software und einer in die ABB-Robotersteuerung IRC5 integrierten zusätzlichen Sicherheitssteuerung. Die Software überwacht die Roboterbewegungen sicherheitsklassifiziert. Das betrifft Kriterien, wie sie auf unterschiedliche Produktions- und Handling-Situationen zutreffen: die komplexen Raumzonen, Arbeitsbereiche, Geschwindigkeitsbegrenzung, Stillstandsüberwachung oder Werkzeugorientierung. Falls in der Arbeitsumgebung ein Sicherheitsrisiko festgestellt wird, stoppt Safe Move sofort den Roboter oder sendet die Gefahrenmeldung an eine übergeordnete Sicherheitssteuerung. Mit Safe Move sind Produktionskonzepte realisierbar, bei denen der Roboter und der Bediener eng miteinander interagieren – äußerst kompromisslos in puncto Sicherheit.

Komplexe Arbeitsbereiche für den Roboter
Für den Menschen und die Roboter sind virtuelle Arbeitsräume definiert. Die sichere Werkzeug- oder auch Arbeitszone begrenzt die Bewegungen des Roboters im frei definierbaren dreidimensionalen Raum. Sie ermöglicht optimierte Zellengrößen und vereinfacht die Absicherung der Installation. Sie schützt so den Anlagenbediener und verbessert die Anlagensicherheit. Indem er elektromechanische Positionsschalter ersetzt, reduziert der sichere Arbeitsbereich den Investitions- und Instandhaltungsaufwand; weiter erhöht er die Flexibilität. Safe Move überwacht die sechs Achsen des Roboters, inklusive Zusatzachsen bis zu insgesamt neun Achsen. In Kombination mit der sicheren Werkzeugzone lassen sich so komplexe Arbeitsbereiche für den Roboter definieren.

Wichtig für die MRK bzw. die Interaktion des Menschen mit dem Roboter ist die sichere Geschwindigkeit. SafeMove überwacht sowohl die Geschwindigkeit des Werkzeugarbeitspunktes als auch die der einzelnen Roboterkomponenten sowie die einzelner Achsen: Der Anlagenbediener kann gefahrlos in unmittelbarer Nähe des Roboters arbeiten. Als weitere wesentliche Funktion überwacht SafeMove den sicheren Stillstand des Roboters bzw. ausgewählter Achsen. Ein separates Abschalten des Roboters erübrigt sich. Reduzierte Zykluszeiten und geringerer Verschleiß von Schaltern und Bremsen wirken sich günstig auf die Anlagen-Lebensdauer und -verfügbarkeit aus.

Das Sicherheitskonzept erfüllt alle Anforderungen der Maschinensicherheit. Ein wichtiger Baustein für die Realisierung ist die redundant aufgebaute und selbstüberwachende Robotersteuerung. Sie schafft die Voraussetzung, dass der Schmied gemeinsam mit einem der beiden Roboter gefahrlos an der Spindelpresse arbeiten kann.

Automatisierung: Daten und Details
Der sechsachsige Beladeroboter IRB 6620 Foundry Plus 2 bewegt die Sprüheinrichtung und den Greifer. Dieser ist für Rundteilrohlinge von 30 bis 60 Millimeter Durchmesser und 170 bis 500 Millimeter Länge ausgelegt. Der sehr kompakte IRB 6620 zeichnet sich durch einen geringen Platzbedarf aus. Er verfügt mit über 2.200 mm Reichweite und einer Handhabungskapazität von 150 kg über die notwendigen Eigenschaften zum Handhaben von Greifer, Werkstück und Sprüheinrichtung. Zudem vermeidet eine in die Robotersteuerung integrierte Überwachungsfunktion das Überhitzen der Motoren bei intensiven und häufigen Bewegungen.

Die Ausführung „Foundry Plus 2“ prädestiniert den Roboter für den Einsatz in rauen Betriebsumgebungen, zum Beispiel bei Beanspruchung durch Kühlmittelsprühnebel, durch Schmierstoffe und Metallspritzer. So erfüllt der Roboter die Bedingungen, wie sie beim Entnehmen von Teilen aus Druckgießmaschinen, dem Reinigen von Gussteilen und dem Schmieden auftreten.

Der sechsachsige Entnahmeroboter IRB 4600 punktet mit einem sehr großen Arbeitsbereich von bis zu 1.735 Millimeter unter Fuß, 2.872 Millimeter darüber und 2.552 Millimeter nach vorne. Mit hohen Prozessgeschwindigkeiten und geringen Ausschussraten erreicht er einen hohen Teiledurchsatz. Daraus resultiert eine hohe Produktivität. Der IRB 4600 realisiert die höchste Genauigkeit seiner Klasse. Gegenüber seinem Vorgängermodell verkürzt er die Zykluszeiten um bis zu zwanzig Prozent.

Gerd Trommer/bw

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