Bionischer „Snake-Roboter“ für die Flugzeugmontage

So ein Flügel-Kriecher

Der Bedarf an Flugzeugen wird in Zukunft nur zu decken sein, wenn es den Herstellern gelingt, den Automatisierungsgrad in der Produktion weiter zu erhöhen. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU stellen ein bionisches Robotersystem vor, mit dem die Tragflächenmontage automatisiert werden kann.

Der „Snake-Roboter“ mit achtachsiger Kinematik aus Dreh- und Kippgelenken ist flexibel verfahrbar und wurde speziell für enge und schwer zugängliche Arbeitsräume entwickelt. Ein Einsatzgebiet ist das Innere einer Tragfläche, die aus einzelnen, voneinander abgetrennten „Kammern“ besteht. (Foto: Fraunhofer)

Die Tragfläche eines Flugzeugs ist, unabhängig von Modell und Größe, sehr komplex aufgebaut. Für die erforderliche Belastbarkeit und die Flexibilität setzt sich eine typische Tragfläche aus einzelnen, voneinander abgetrennten Kammern zusammen. Diese nur wenige Quadratmeter großen Hohlräume sind bei einer durchschnittlichen Passagiermaschine über die gesamte Tragfläche verteilt. Aufgrund der beengten Arbeitsräume konnten Automatisierungslösungen bisher nicht realisiert werden. Da der Montageprozess überwiegend im Inneren der Tragfläche stattfindet, erfolgt die Verschraubung und anschließende Qualitätssicherung manuell. Das Montagepersonal muss sich durch enge Öffnungen, sogenannte Mannlöcher, Zugang zu den Kammern verschaffen, um dort die Tragflächenkomponenten mit Passschrauben zu befestigen und Nahtstellen abzudichten. Pro Tragfläche fallen rund 3.000 Passbohrungen an - ein zeitaufwendiger und vor allem aus ergonomischer Sicht unvorteilhafter Prozess. Hinzu kommen gesundheitliche Belastungen durch die beim Abdichten der Tragfläche entstehenden Dämpfe des Dichtmittels. Durch den begrenzten Arbeitsraum kann es zudem zu Beschädigungen an den Innenwänden kommen - ein mit Blick auf den Materialwert kostenintensives Problem. Eine automatisierte Lösung hätte außerdem den Vorteil, dass die gerade für den Flugzeugbau sehr wichtige Qualitätssicherung lücken- und fehlerfrei dokumentiert und vereinfacht gestaltet werden kann.

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Kein Platz für konventionelle Industrieroboter
"Als wir uns vor etwa zwei Jahren im Rahmen des von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) unterstützten Projektes mit dieser Ausgangssituation auseinandersetzten, war für uns schnell klar, dass es nicht nur um wirtschaftlichere Automatisierungslösungen geht, sondern auch um eine Verbesserung der Arbeitssituation des Montagepersonals", erklärt Marko Pfeifer, Abteilungsleiter Montagetechnik am Fraunhofer IWU. Der Blick auf konventionelle Automatisierungslösungen zeigte allerdings schnell Grenzen auf. "Insbesondere für schwer zugängliche und beengte Arbeitsräume standen am Markt keine zufriedenstellenden Lösungen zur Verfügung, die unsere Anforderungen hinsichtlich Reichweite und gleichzeitig Tragfähigkeit erfüllten", ergänzt Marco Breitfeld, zuständiger Projektleiter am Fraunhofer IWU. Für die Montage im Inneren ist nicht nur die Flexibilität, sondern auch die Belastbarkeit des Roboters entscheidend, denn die Robotersysteme müssen mehrere Kilogramm schwere Werkzeuge präzise bewegen können. Gelöst wurde dieser Spagat über die Entwicklung einer speziellen achtachsigen Kinematik aus Dreh- und Kippgelenken. Sie ermöglichen ein Abfahren sehr enger Bahnradien, wodurch auch die hintersten Ecken komplexer Arbeitsräume erreicht werden können. Bei Aufbau und Bewegungsablauf des Roboters haben sich die Wissenschaftler an Vorbildern aus der Natur orientiert - so erhielt der "Snake-Roboter" seinen Namen.

Immer wieder: die Natur als Vorbild
"Für den Anwendungsfall Tragflächenmontage ist eine Anordnung von sechs bis acht Robotergliedern sinnvoll", erklärt Marco Breitfeld. Die Struktur und die Funktionsweise der einzelnen Glieder sind dem Muskelaufbau in der Hand nachempfunden. Mit der Beweglichkeit des Gesamtsystems steigen aber auch die Anforderungen an die einzusetzende Steuerungssoftware, den schließlich darf es beim Verfahren des Roboters nicht zu Kollisionen mit dem Arbeitsraum kommen. Bis zum Ende des Projektzeitraums im September 2014 ist geplant, hierzu eine geeignete Software zu entwickeln und ausführlich zu testen.

Neben steuerungstechnischen Herausforderungen lag ein weiterer Fokus auf der Entwicklung eines geeigneten mechanischen Antriebskonzepts, das mit Werkzeuglasten von mehreren Kilogramm arbeiten kann. "Ein Gewicht am angewinkelten Arm zu halten ist vergleichsweise einfach. Je weiter ich den Arm ausstrecke, desto schwieriger ist es, das Gewicht zu stemmen", so Breitfeld. "Unser Roboter muss aber auch in der maximalen Streckung noch im Millimeterbereich präzise arbeiten." Für Durchmesser und Länge jedes Robotergliedes gibt es daher sehr strikte Vorgaben, um den gegebenen Lastanforderungen gerecht zu werden. "Vergleichbare Systeme arbeiten nach unserem Kenntnisstand über eine Reichweite von zwei Metern bisher mit maximal acht Kilogramm", so Breitfeld. "Mit dem neuen System haben wir das Maximalgewicht mit rund fünfzehn Kilogramm fast verdoppelt."

Antrieb aus Spindeltrieb und Seilzug
Neben der Tragfähigkeit war die Realisierung eines möglichst großen Verdrehwinkelbereichs für jedes einzelne Roboterglied eine Herausforderung. Ein speziell entwickelter Antriebsmechanismus aus Spindeltrieb und Seilzugsystem macht dabei überhaupt erst den Einsatz kleiner Antriebsmotoren und damit die Umsetzung einer kompakten, für den begrenzten Arbeitsraum geeigneten, Bauweise möglich. "Vergleichbare Getriebe sind bei ähnlicher Leistungsfähigkeit hinsichtlich des erzeugbaren Drehmoments deutlich größer und vor allem schwerer. Das Seilzugsystem ist hier solchen Getrieben überlegen", führt Breitfeld aus.

Sowohl das mechanische Konzept des Innenraumroboters als auch die Steuerung werden aktuell am Fraunhofer IWU intensiven Tests unterzogen. Insgesamt soll bis Ende 2014 ein Komplettaufbau des Innenraumroboters mitsamt der erforderlichen Steuerung erfolgen. Das Gesamtsystem wird dann auf die erreichbare Systemperformance untersucht und mit den gestellten Anforderungen verglichen. Bei der Entwicklung eines geeigneten mobilen Trägersystems für den Roboter unterstützt der Projektpartner, Aurob Automation + Roboter. Die Automatisierungslösung ist hierbei über die Luftfahrtindustrie hinaus einsetzbar. Überall da, wo hohe Kräfte und flexible Bewegungen auf engstem Raum benötigt werden, könnte sich dieser "Snake-Roboter" in Zukunft bewähren, dazu gehört der Karosseriebau ebenso wie der Kraftwerks- oder Industrieanlagenbereich.

Der Roboter wird erstmalig auf der Automatica zu sehen sein (Halle B4, Stand 228).   pb

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