Roboter

Erfahrungen der Werker übertragen

Potenziale der Mensch-Roboter-Kooperation. Der Sondermaschinen- und Anlagenbau unterliegt technischen und wirtschaftlichen Risiken. Viele Varianten und geringe Losgrößen sind eine Herausforderung besonders in der Fügetechnik.

Ausgangsituation manuelles Schweißen (links) und Zielbild eines teilautomatisierten Roboterschweißplatzes für die Einzelteilfertigung (rechts). (Foto: Zema)

Großes Potenzial zur Effizienzsteigerung und Erhöhung der Prozessfähigkeit sowie Senkung der Produktionskosten bietet die Teilautomatisierung von Schweißarbeitsplätzen. Die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) ist ein Ansatz zur bedarfsgerechten, angepassten und gegebenenfalls temporären Automatisierung. Zentrales Element eines teilautomatisieren Roboterschweißplatzes für die Einzelteilfertigung im Sondermaschinenbau ist die Entwicklung einer neuen Bedienoberfläche für die intuitive Anpassung eines Robotersystems im Produktionsprozess. Im Sondermaschinen- und Anlagenbau sind Variantenvielfalt und geringe Losgrößen eine besondere Herausforderung. Gerade kleinere Unternehmen haben oft Erfahrung mit speziellen und manuellen Prozessen. Aufgrund der hohen Lohnkosten hierzulande steht der etablierte Sondermaschinenbau mit seinen kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) unter Kostendruck. Das wachsende Know-how in den Niedriglohnländern führt zu starkem internationalen Wettbewerb. Produktvarianten und kleine Stückzahlen haben zur Folge, dass eine Vollautomatisierung von Prozessen entweder technisch nicht möglich oder häufig unwirtschaftlich ist. Hinzu kommt die fehlende Erfahrung der kleinen Unternehmen mit automatisierten Systemen.

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Einen Lösungsansatz zur bedarfsgerechten Automatisierung ausgewählter Prozesse bietet die MRK, hier am Beispiel eines Schweißprozesses für die Fertigung hochwertiger, kundenspezifischer Blechbehälter im Bereich der Medizinindustrie. Im Gegensatz zu vollautomatisierten Systemen wird hier ein teilautomatisiertes System entwickelt, das der Werker auf dem Shopfloor bedienten kann. Dabei sollen Erfahrungen aus manuellen Prozessen auf die teilautomatisierte Produktion übertragen werden. Ein solches Produktionssystem erfordert ein vollkommen neues Bedien- und Steuerungskonzept, das in Kooperation mit dem Werker unterschiedliche Produkte wirtschaftlich produzieren kann.

Bei der Fertigung von Blechbehältern wird nach der Schweißnahtvorbehandlung der zu fertigende Behälter unter den Vorschriften einer WPS (Welding Procedure Specification) und der Schweißbauteilzeichnung geschweißt. Das Schweißen des Behälters erfolgt manuell. Dies führt gerade beim Schweißen langer Nähte zu hoher Prozessunsicherheit, die auf motorische Grenzen des Werkers zurückzuführen ist. Eine fehlerhafte oder schlecht ausgeführte Schweißnaht führt zu kostenintensiven Nacharbeiten beziehungsweise zu einer Neuanfertigung des Bauteils. Zentrales Element der MRK ist neben dem Robotersystem die Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Bedienung, Programmierung und Steuerung des Systems. Mitentscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer Roboteranwendung ist die Stillstandszeit während der Rekonfiguration und Programmierung der Roboterapplikation. Dies gilt besonders dann, wenn damit der Produktionsanlauf oder -ablauf verzögert wird und die Programmierung nicht parallel erfolgen kann. Die Programmierung ist oft komplex, da die Anforderungen der MRK und die Fähigkeiten der Roboter die zusätzliche Integration von Sensoren erfordern. Die Programmierung erfolgt meist in Hochsprachen und erfordert fortgeschrittene Programmierkenntnisse; damit erschwert sich die Bedienbarkeit auf Werkerebene.

Grafische Benutzeroberfläche zur intuitiven Bedienung eines Robotersystems am Beispiel eines Schweißprozesses (ZeMA).

Intuitive Bedienkonzepte
Damit die Werker die Robotersysteme schnell und intuitiv bedienen und gegebenenfalls kleine Bahnkorrekturen programmieren können, werden angepasste Bedienkonzepte benötigt. Das am Zema (Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik) entwickelte Konzept sieht ein hybrides Programmierverfahren vor. Die Programmierung erfolgt durch eine grafische Benutzeroberfläche; das hinterlegte Programm erzeugt aus einem virtuellen Model und den Prozessinformationen eines Schweißplanes automatisiert ein Roboterprogramm. Desen Zusammenstellung erfolgt aus einer Kombination von vorprogrammierten Makros wie beispielsweise linearen oder zirkularen Schweißprozessen, in einer schleppenden oder stechenden Prozessausführung sowie einer optionalen Online-Korrektur. Um eventuelle Abweichungen vom virtuellen Model zum Realbauteil ausgleichen zu können, besteht die Möglichkeit, das Bauteilkoordinatensystem durch eine Einmessbewegung zu identifizieren.

Über eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle kann der Werker nach visueller Verifikation der geplanten Roboterbahn am Bauteil den Schweißprozess freigeben. Korrekturen der Orientierung des Schweißbrenners und der Schweißnähte lassen sich direkt auf dem Shopfloor durch einfache Eingabegeräte vornehmen. Die lokalen Bahnabweichungen oder Prozesseinflüsse werden durch zusätzliche Inline-Messtechnik, etwa einem Kamerasystem, korrigiert. Das am Zema entwickelte Bedienkonzept hat eine einfache Simulationsumgebung, eine universelle Roboterschnittstelle, eingebundene Sensorik und eine Visualisierungsschnittstelle. Das intuitive Bedienkonzept des teilautomatisieren Roboterschweißplatzes ist ein Lösungsansatz zur bedarfsgerechten Automatisierung und orientiert sich an den Fähigkeiten und Bedürfnissen von KMU. Der hohe Anteil an manuellen Fertigungsprozessen in der Produktion lässt sich hierdurch reduzieren.

Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Matthias Vette M.Eng, Aaron Geenen M.Eng/bw


Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik

Kurz erklärt: Das ZeMA
Das Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik versteht sich als industrienahes Forschungsinstitut mit dem Ziel der anwendungsorientierten Forschung und industrienahen Entwicklung im Bereich Mechatronik und Automatisierungstechnik. Das ZeMA arbeitet bei der Durchführung seiner Entwicklungstätigkeit eng mit Instituten und Lehrstühlen der Universität des Saarlandes (UdS) sowie mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW Saar) zusammen. Professoren der entsprechenden Fachgebiete, besonders der Mechatronik, betreuen die hier tätigen wissenschaftlichen Mitarbeiter. Somit ist sichergestellt, dass wissenschaftliches Potenzial, spezifisches Know-how und neueste Forschungsergebnisse synergetisch und nachhaltig in die Arbeiten des Mechatronikzentrums einfließen. Weitere Infos www.mechatronikzentrum.de.


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der TU Dortmund, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.

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