Leichtbauroboter als Assistenten verändern die Montage nachhaltig

Autor / Redakteur: Karin Röhricht / Mag. Victoria Sonnenberg

Leichtbauroboter und intelligente Programmierverfahren eröffnen Unternehmen die Möglichkeit, bisher manuell durchgeführte Produktionsschritte effizient zu automatisieren. Auf einem Technologieseminar des Fraunhofer-IPA wurde der aktuelle Stand diskutiert.

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An der Montagestation kann der Roboter den Werker unter anderem bei einer Tätigkeit unterstützen.
An der Montagestation kann der Roboter den Werker unter anderem bei einer Tätigkeit unterstützen.
(Bild: Arena2036/Foto: Rainer Bez)

Die Zahlen der Studie World Robotics der International Federation of Robotics (IFR) von 2015 belegen es: Während Robotersysteme für bestimmte Prozessschritte in der Produktion bereits vielfach im Einsatz sind, gibt es in der Montage noch Potenzial für mehr Automatisierung.

So führten 2014 fast die Hälfte aller weltweit verkauften Roboter Handhabungsaufgaben aus und ein Viertel Schweißaufgaben. Demgegenüber fällt der Anteil von Robotern in der Montage mit 11 % niedrig aus. Diese Verteilung liegt hauptsächlich daran, dass die Montage dynamischen und vielfältigen Herausforderungen unterliegt.

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Robotersysteme einfach einrichten und umrüsten

Rahmenbedingungen wie kleine Losgrößen, viele Produktvarianten und kurze Taktzeiten bestimmen die Prozesse. Damit eine Automatisierungslösung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, braucht man Robotersysteme, die mittels intelligenter Programmierung einfach einzurichten und umzurüsten sind. Vielfach ist eine Vollautomatisierung keine sinnvolle Lösung, weil der Werker komplexe Teilaufgaben oft leichter manuell lösen oder zumindest bei Bedarf korrigierend eingreifen kann. Leichtbauroboter eignen sich durch ihr geringeres Gewicht und die teilweise bereits integrierte Sensorik für eine sichere Mensch- Roboter-Kooperation (MRK). Da Leichtbauroboter sehr kompakt gebaut sind und eine geringe Reichweite im Vergleich zu klassischen Industrierobotern haben, lassen sie sich gut in voll- oder teilautomatisierte Montagearbeitsplätze integrieren.

Automatisierungspotenziale in der Montage nutzen

Martin Naumann, Leiter der Gruppe Montage-Automatisierung am Fraunhofer-IPA und Leiter des Seminars, eröffnete das Programm. Er stellte die Automatisierungspotenzialanalyse des Fraunhofer-IPA vor. Diese ist ein mehrstufiges, schnell durchführbares Verfahren, das die Experten bereits bei vielen Kunden weltweit erfolgreich eingesetzt haben. Ziel der Analyse ist es, mögliche Kosteneinsparungen durch einen höheren Automatisierungsgrad zu ermitteln. So erhalten Unternehmen eine Entscheidungsbasis für mögliche Investitionen oder Optimierungen in den Produktionsabläufen.

Die Analyse beginnt mit einer Produktionsbegehung durch die Experten. Danach bewerten sie die einzelnen Arbeitsschritte der Montageprozesse wie Vereinzeln, Handhaben, Positionieren und Fügen. Verschiedene technische, wirtschaftliche und ergonomische Kriterien sowie die Variantenanzahl werden für eine mögliche Automatisierbarkeit berücksichtigt. Aus einer Vielzahl an Prozessen können so diejenigen mit hohem Automatisierungspotenzial ermittelt werden. Diese werden dann noch einmal detailliert hinsichtlich spezieller Kriterien analysiert.

Als Ergebnis der Auswertungen erhält der Kunde sowohl das Grobkonzept einer (Teil-)Automatisierungslösung als auch deren wirtschaftliche Bewertung, die die Experten basierend auf der Analyse sowie ihrer Expertise und Erfahrung in der Konzeption und Realisierung von Automatisierungslösungen erstellen. Kunden können so begründete Entscheidungen treffen und eine detaillierte Konzeption, Machbarkeitsuntersuchungen oder die Realisierung der Automatisierungslösung angehen.

Produktdesign erhöht das Automatisierungspotenzial

Eine weitere Möglichkeit, das Automatisierungspotenzial einer Produktionsanlage zu erhöhen, bietet neben der Prozessverbesserung oder -änderung auch das Produktdesign. Unter dem Motto „Design for Automation“ stellte Dr. Johannes Wößner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-IPA, vielfältige Möglichkeiten vor, wie Produktkomponenten, Baugruppen oder die Produktstruktur „automatisierungsfreundlicher“ gestaltet werden können. Die Experten haben Richtlinien für ein entsprechendes Produktdesign entworfen und basierend darauf bereits zahlreiche Unternehmen beraten.

Zu den Richtlinien zählen beispielsweise eine modulare Produktstruktur, die Standardisierung von Komponenten und Prozessen sowie eine möglichst niedrige Anzahl an Bauteilen oder biegeschlaffen Komponenten. Eine intelligente und zugleich kundenindividuelle Produkt- und Komponentengestaltung hilft, Prozessschritte in der Montage fehlerfrei und schnell automatisch durchführen zu können.

Leichtbauroboter als Assistenten in der Montage

Für die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) geeignete Leichtbauroboter dürften Montageprozesse nachhaltig verändern. Unternehmen können mit diesen Assistenzrobotern die Stärken von Werker und Roboter kombinieren: Flexibilität, Kreativität, Feinmotorik und Lösungskompetenz auf der einen Seite, Handhabung nicht ergonomischer Lasten, hohe Qualität, Geschwindigkeit und Präzision bei sich wiederholenden Aufgaben auf der anderen Seite.

Allerdings müssen Unternehmen Normen und Sicherheitsvorschriften und eventuell dadurch entstehende Kosten für eine Zertifizierung berücksichtigen. Um entsprechende Projekte zum Erfolg zu führen, berät Ramez Awad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-IPA, Unternehmen, wie sie MRK-Anwendungen von Anfang an so konzipieren können, dass mögliche Gefährdungen schnell erkannt und gelöst werden. In seinem Vortrag stellte er ein am IPA entwickeltes Tool zur modellbasierten Gefahrenanalyse vor. Das Tool nutzt eine Bibliothek mit Hardware- typen, die jeweils mit möglichen Gefährdungen, Attributen und Funktionalitäten versehen sind. So werden eine differenzierte Abschätzung der Kosten und Auswirkungen nötiger Sicherheitsvorkehrungen sowie deren Dokumentation möglich. Am Beispiel eines MRK-geeigneten Nietarbeitsplatzes führte Awad vor, wie auf Basis dieses strukturierten Vorgehens eine wirtschaftliche und sichere Lösung realisierbar ist (Bild 1).

Auf dem Seminar wurden zudem verschiedene Leichtbauroboter und ihre Einsatzmöglichkeiten vorgestellt. Carsten Busch von ABB ging auf die Produktspezifika des Zweiarmroboters Yumi ein. Dessen Einsatzgebiet ist die Kleinteilhandhabung. Yumi ist als inhärent sicherer Roboter konzipiert worden, wozu beispielsweise die Leichtbauweise, geringe Masseträgheit und die Kollisionsdetektion beitragen. Kuka hat mit dem LBR iiwa einen Leichtbauroboter entwickelt, der sich unter anderem durch seine integrierte Sensorik auszeichnet. Dr. Johannes Kurth von Kuka Systems stellte den sensitiven und für Traglasten bis 7 beziehungsweise 14 kg geeigneten Roboter vor. Dank des integrierten Steifigkeitsreglers kann sich der Roboter wie eine Feder mit Steifigkeits- oder Dämpfungsparametern verhalten, was eine nachgiebige Programmierung ermöglicht. Die eingebaute Momentensensorik macht ihn für sichere MRK-Anwendungen einsetzbar.

Neue Möglichkeiten der Anwendung

Die neuen Technologien und Weiterentwicklungen von Leichtbaurobotern dürften dafür sorgen, dass der Anteil an Robotersystemen auch in der Montage steigen wird. Diese positive Tendenz belegen bereits Zahlen aus der World-Robotics-Studie 2015: Während der Absatz von Robotern für die Montage 2013 noch bei 16.100 verkauften Einheiten lag, stieg er 2014 bereits auf 24.000. Wie vielfältig bereits heute die Einsatzmöglichkeiten sind, zeigte der Vortrag von Dieter Faude von Faude Automatisierungstechnik. Er stellte zahlreiche Anlagen mit Leichtbau-Robotersystemen verschiedener Hersteller vor, die von Klebestationen über Be- und Entlademaschinen bis hin zum Handling einer Dichtschnur reichen.

Auch in der angewandten Forschung liegt der Fokus darauf, flexiblere und effizientere Robotersysteme zu entwickeln, die schneller und einfacher einsetzbar sind als bisher üblich. Möglich macht dies eine neue Roboterprogrammierung für kraftgeregelte Montagevorgänge, die Frank Nägele vom Fraunhofer-IPA vorstellte. Mit der Software können verschiedene komplexe Vorgänge, wie das Montieren von Schaltschränken und Autotürgriffen oder das Schrauben, erstmals wirtschaftlich automatisiert werden (Bild 2 und 3). Grundprinzip ist, dass der Montageprozess nicht mehr roboter-, sondern aufgabenorientiert programmiert wird. So ist er leicht auf neue Aufgaben ähnlicher Art oder gar andere Robotersysteme übertragbar. Möglich macht dies das bedingungsbasierte Programmieren: Dem Roboter wird die Bahn nicht mehr im Vorfeld vorgegeben, sondern der entwickelte Algorithmus kann diese zur Laufzeit berechnen. Zunächst werden der Prozess, Werkstück- und Prozessparameter in allgemeiner Form modelliert. Durch Zuweisung variantenspezifischer Werte und mithilfe aktueller Sensordaten, wie Kontaktkräfte, Abstände oder Objekterkennung, berechnet das System entsprechend seiner Kinematik selbst, wie es sich bewegen muss, und arbeitet die Prozessbausteine als eine Folge von Aufgaben ab.

Die neue Technik bietet den Vorteil, dass die einzelnen Programmteile oder Prozessbausteine, auch „Skills“ genannt, wiederverwendbar sind. Außerdem sind sie leicht neu zusammensetzbar, können anders geordnet oder priorisiert werden. Dies ermöglicht das Baukastenprinzip, nach dem die Experten ihre Software entwickelt haben. So haben sie die für jeden Anwendungsfall nötigen Skills des Robotersystems hierarchisch und bis auf die Mikroebene in einzelne, für sich abgeschlossene Programmkomponenten gegliedert. Zudem lässt sich die neue Programmierung nahtlos in Industrie-4.0-Szenarien integrieren. Die programmierten Skills stehen zentral allen mit der Cloud-Architektur verbundenen Robotersystemen bereit und können bei Bedarf geladen werden.

Leichtbauroboter als Teil der „Smart Factory“

Die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung von Produktionsanlagen im Kontext von Industrie 4.0 ist eine Entwicklung, die Unternehmen gänzlich neue Möglichkeiten eröffnet. Mark Grötzinger von Bosch Rexroth präsentierte dazu vom vernetzten Schrauber bis zum Werkerassistentsystem verschiedene Beispiele und Umsetzungen aus der Praxis. Einen Hauptanwendungsfall für Industrie 4.0 stellt der Forschungscampus Arena2036 dar, den Manuel Fechter, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-IPA, vorstellte. In Arena2036 arbeiten Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammen, darunter die Universität Stuttgart, Fraunhofer-Institute, Daimler, Bosch, Festo und Kuka, und entwickeln und erproben Produktionsmodelle für das Automobil der Zukunft. Ein Schwerpunkt neben der Etablierung von Technologien der Industrie 4.0 sind wandlungsfähige Produktionssysteme, die weit weniger als bisher von Förderbändern und Taktzeiten abhängen. Die Mensch-Roboter-Kooperation ist ein Wegbereiter dieser wandlungsfähigen, also an die aktuelle Marktsituation angepassten, Produktionssysteme. Am Beispiel einer neu entwickelten Montagestation, an der ein Türmodul in die Rohbautür eingebaut wird, zeigt das Fraunhofer-IPA, wie ein variabler Automatisierungsgrad technisch möglich wird (Bild 4 und 5).

Während der Mensch feinfühlige Aufgaben wie das Einklipsen von Steckern ausführt, kann der Leichtbauroboter Kuka iiwa monotone und einfachere Aufgaben wie das Einsetzen und Verschrauben des Türmoduls übernehmen. Da alle Komponenten mobil sind, können die Stationen individuell positioniert und skaliert werden.

Insgesamt bot das Technologieseminar den Teilnehmern einen breiten Einblick in aktuelle und künftige Lösungen für die Montageautomatisierung. Für an diesem Bereich interessierte Unternehmen und Ausrüster ist das Fraunhofer-IPA ein unabhängiger Technologiepartner, mit dem Kunden aller Branchen ihre Produktionssysteme effizienter gestalten können. Hierfür haben die Experten fundierte Methoden, Konzepte sowie Hard- und Softwarelösungen entwickelt. Das Angebot reicht von der ersten Analyse bestehender Systeme über die Entwicklung von Komponenten bis hin zur Planung und Realisierung ganz neuer Anlagen für Montageprozesse. MM

* Dr. Karin Röhricht arbeitet als Redakteurin in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in 70569 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70 38 74, karin.roehricht@ipa.fraunhofer.de; fachlicher Ansprechpartner ist Martin Naumann, Gruppenleiter Montage-Automatisierung am Fraunhofer-IPA, Tel. (07 11) 9 70 12 91, martin.naumann@ipa.fraunhofer.de

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