Automobilbau OEM/Automobil-Zulieferer Kooperierende Roboter reduzieren Flächenbedarf und Kosten in der Industrie

Bei der Planung von Fertigungszellen im Automobilbau bieten kooperierende Roboter neue Möglichkeiten. So reduziert Daimler-Chrysler bei einer Ausschweißlinie der neuen C-Klasse die Investitionskosten um etwa 5% und verringert den Flächenbedarf um etwa 20%.

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Daimler AG Mercedes-Benz Werk Sindelfingen

Produktionsplaner stehen bei der Vorbereitung neuer Fertigungszellen vor der Aufgabe, gleichzeitig Investitionskosten zu reduzieren, weniger Anlagenfläche zu verwenden und die Applikationsumfänge dabei zu erhöhen. Dies lässt sich in der Regel nur durch Einsatz neuer Fertigungstechniken oder Optimierung der vorhandenen Techniken erreichen.

Fertigungsplaner müssen mit weniger Platz und Geld auskommen

Eine weitere Aufgabe des Fertigungsplaners ist es, Erweiterungen in bestehende Anlagen zu implementieren. Dies ist mit konventionellen Mitteln meist nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen, mangelt es doch oft an den räumlichen und technischen Gegebenheiten, zusätzliche Anlagenteile nachträglich in den Fertigungsfluss zu integrieren.

Im Jahr 2000 startete die Verfahrensentwicklung bei Daimler-Chrysler das Projekt kooperierende Industrieroboter mit diversen Roboterherstellern. Ziel war die Entwicklung einer Technik, die zum einen völlig neue Applikationskonzepte ermöglicht, aber auch die einfache Erweiterung bestehender Fertigungszellen zulässt.

Kooperierende Roboter können mit zwei architektonischen Lösungen realisiert werden

Die Roboterkooperation kann heute mit zwei architektonisch verschiedenen Lösungen realisiert werden, die beide die Bearbeitung eines Bauteils gestatten, während es in Bewegung ist. Somit können Erreichbarkeit und Flexibilität auf ein Maximum erhöht werden, zusätzlich ist für kritische Prozesse die Applikation in Vorzugslage möglich.

• Die eine Möglichkeit ist die Kopplung von Standardsteuerungen über Realtime-Ethernet. Dabei werden einzelne Robotersteuerungen über eine Ethernet-Verbindung gekoppelt, die für die schnelle Echtzeitübertragung von Positionsdaten und Synchronisationssignalen zuständig ist. Diese Variante wird bei Daimler-Chrysler vor allem in den Aufbauwerken verwendet. Typische Anwendung ist das Widerstandsschweißen.
• Die zweite Lösung ist die Steuerung von bis zu vier Kinematiken in einer Robotersteuerung. Dabei werden bis zu vier Robotermechaniken mit einer Steuereinheit zuzüglich erforderlicher Antriebseinheiten sowie Zusatzachsen verbunden. Diese Variante wird vorwiegend in den Daimler-Chrysler-Powertrain-Werken bei Bahnapplikationen (MIG-/MAG-Schweißen) eingesetzt.

Kooperierende Roboter in den Aufbauwerken der C-Klasse

Mit jeder neuen Baureihe stehen Fertigungsplaner vor ähnlichen Herausforderungen, wie Kosten- und Flächenreduktion oder Benutzung vorhandener, meist knapper Flächen. Durch den Einsatz von kooperierenden Robotern konnten Einsparungen erzielt werden. Bild 1 zeigt die schematische Layoutdarstellung einer im Automobilkarosseriebau typischen Fertigungszelle, einer Ausschweißlinie am Beispiel des Hauptbodens, ausgeführt in konventioneller Technik.

Nachdem das Bauteil in den Stationen eins bis vier sowie der Station neun seine endgültige Form (Geometrie) durch Heften erhält, durchläuft es insgesamt sieben Ausschweißzellen, um die erforderliche Steifigkeit und Stabilität zu erhalten. Dabei holen die Greiferroboter das Bauteil aus der Ablage, führen es durch die stationäre Punktschweißzange (SZ) und legen es in der folgenden Ablage wieder ab.

Kooperierende Roboter senken Investitionskosten um 5%

Bild 2 zeigt die schematische Layoutdarstellung der gleichen Ausschweißlinie, ausgeführt mit kooperierenden Industrierobotern. Die Geometriestationen bleiben erhalten, allerdings wurde das Ausschweißkonzept geändert, indem zeitgleich zur stationären Schweißzange ein bis zwei Schweißroboter ihre Arbeit verrichten.

Die Anzahl der Roboter und Schweißzangen bleibt bei diesem Konzept gleich, allerdings kann die Anzahl der Greifwerkzeuge, Ablagen und etlicher Steuerungstechnikkomponenten reduziert werden. Im Falle der neuen Mercedes-C-Klasse wurden die Investitionseinsparungen mit etwa 5% von der Gesamtanlage ermittelt. Die größten Einsparungen konnte man mit dieser Konstellation im Flächenbedarf erzielen, der um etwa 20% verringert werden konnte.

Kooperierende Roboter in den Powertrainwerken

Eine weitere Einsatzmöglichkeit der kooperierenden Roboter verdeutlicht das Beispiel aus der Hinterachsfertigung bei Daimler-Chrysler in Stuttgart-Mettingen. Bild 3 zeigt eine konventionelle Schraubstation der Hinterachsmontage. Die Hinterachse wird in der Zelle positioniert, gespannt und ausgehoben. Danach fahren über 20 Schrauber mit Gegenhaltern in ihre Endpositionen, um die Schraube-Mutter-Verbindungen zu verschrauben.

Zur Verbesserung der Typflexibilität und Anlagenzugänglichkeit wurde 2002 bei Daimler-Chrysler im Bereich Powertrain eine flexible Roboterschraubstation entwickelt. Dabei wurden auch Planungsvorgaben wie der verstärkte Einsatz von Standardkomponenten bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erfüllt. Die Station besteht aus insgesamt acht Robotern (Bild 4), darunter vier 150-kg-Maschinen mit jeweils einer elektrischen Schraubspindel sowie vier 16-kg-Robotern, die die Gabelschlüssel als Gegenhalter führen.

Jeweils ein 150-kg- und ein 16-kg-Roboter bilden ein Team und fahren nacheinander die für sie vorgesehenen Schraubstellen mit Schrauber und Gegenhalter an und arbeiten so mit hoher Wiederholgenauigkeit und großer Zuverlässigkeit Hand in Hand.

Um den Ablauf prozesssicher zu gestalten, wurde auch hier auf kooperierende Roboter zurückgegriffen. Dabei synchronisieren die Roboter ihre Abläufe und Arbeitsräume untereinander mit Hilfe des schnellen Echtzeitnetzwerkes. Durch den gegebenen Befehlssatz wurden die Ingenieure von Daimler-Chrysler in der schnellen Einrichtung und Programmierung des Systems unterstützt. In dieser Zelle können nun auch zukünftige Typänderungen leicht implementiert werden.

Die beschriebenen Beispiele sind nur zwei aus einer ganzen Reihe mit kooperierenden Robotern umgesetzter Applikationen, die die vielfältige Einsetzbarkeit des Systems verdeutlichen sollen. Bei Daimler-Chrysler sind aktuell weit über 400 kooperierende Roboter im Einsatz, darunter werden allein über 100 Robotersysteme in den Aufbauwerken im Rohbau der neuen C-Klasse eingesetzt. Typische Anwendungen sind Punkt- und Bahnschweißapplikationen. Weitere für den Einsatz in der Produktion bei Daimler-Chrysler freigegebene Applikationen sind zum Beispiel das Durchsetzfügen (Clinchen) und das Kleben.

Digitale Simulation der kooperierenden Roboter ist noch eine Herausforderung

Neben der Validierung weiterer Applikationsprozesse besteht die größte Herausforderung in der digitalen Simulation der kooperierenden Industrieroboter. Erste Verfahren zur Simulation der synchronen Roboterkopplung wurden bei Daimler-Chrysler im Powertrainbereich auf Basis bestehender Simulationswerkzeuge bereits entwickelt, die Simulation der asynchronen Roboterkooperation stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar.

Mit steigender Roboteranzahl im Kopplungsverbund steigt die Komplexität. Damit diese auch zukünftig handhabbar ist, wird es notwendig sein, auch für die Variante der asynchronen Roboterkooperation Simulationsalgorithmen zur Verfügung zu stellen. Nur so kann das Erreichen von Taktzeit- und Kosten-zielen vor dem Aufstellen der Komponenten überprüft werden.

Unabhängig von den beschriebenen Herausforderungen hat der Fertigungsplaner mit den kooperierenden Robotern einen weiteren, nützlichen Baustein zur Planung und Konzeption von Fertigungszellen erhalten. Damit können oft Vorteile hinsichtlich Flächen- und Kostenreduktion erzielt werden, die mit dem Einsatz konventioneller Technik unerreichbar sind.MM

Anton Hirzle ist Senior Manager Automatisierungstechnologien und Simulation bei der Daimler-Chrysler AG in 71059 Sindelfingen. Dr. Michael Zürn ist dort Senior Manager Umform-, Füge- und Montagetechnik und Alexander Alonso Garcia Verfahrensentwicklungsingenieur Automatisierungstechnologien und Simulation.

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