Roboterbasierte Pick&Place-Anwendungen versprechen dem Anwender üblicherweise mehr Flexibilität und eine höhere Performance im Vergleich zu starren Maschinenkonzepten. Das Maß für die Produktivität ist die Anzahl der Produkte, die pro Minute korrekt an einer definierten Zielposition abgelegt werden. Die Produktivität sinkt, sobald der Roboter Wartezeiten einlegen muss und dabei zum Stillstand kommt. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Produktstrom am Förderband abreißt und kein zu „pickendes“ Produkt im Roboterarbeitsraum verfügbar ist. Aber auch beim Ablegen der Produkte kann es passieren, dass der Roboter warten muss, bis am darunterliegenden Förderband ein Tray eine gültige Ablageposition erreicht hat. Dabei steht der Roboter unter Umständen für wenige Sekunden still.

Die Ursache dieser Problematik ist eine fehlende Bahnplanung. SPS- beziehungsweise Motion-basierte Systeme können im Regelfall nur ein einzelnes Bewegungssegment im Voraus berechnen. Der Planungshorizont ist daher eingeschränkt, wertvolle Zeit geht durch Stillstände verloren und die Produktivität leidet. Ähnliche Wartezeiten treten bei Robotern auf, die denselben Arbeitsraum nutzen. Abgesehen von der Notwendigkeit einer aufwendigen Arbeitsraumverriegelung, sind die Roboter beim Einfahren in den gemeinsamen Arbeitsraum immer wieder zu Stillständen gezwungen, weil es vorkommt, dass der Arbeitsraum noch von einem anderen Roboter belegt ist.

Als problematisch erweist sich darüber hinaus oft der „Stopp&Go“-Betrieb herkömmlicher Steuerungen – also das abrupte Abbremsen gefolgt von einem starken Beschleunigen des Roboters. Neben dem erhöhten Energieverbrauch, der durch die zahlreichen Brems- und Beschleunigungsvorgänge hervorgerufen wird, beansprucht dieser Vorgang die Robotermechanik stark. Das Risiko eines Anlagenausfalls steigt mit den zusätzlichen Vibrationen. Die Auswirkungen eines Stopp&Go-Betriebs sind daher außerdem verkürzte Wartungsintervalle und im schlimmsten Fall eine Limitierung der maximalen Robotergeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Kurzum: Ständiges Stopp&Go reduziert die Pick&Place-Leistung, denn zum Fortsetzen der geplanten Bahn muss der Roboter stets aus dem Stillstand heraus beschleunigen, was wertvolle Zeit und Energie kostet.

Das Fehlen einer „vorausschauenden“ Bahnplanung zwingt den Anwender nicht zuletzt, den Arbeitsbereich des Roboters am Förderband auf den „Worst Case“ auszulegen. Die Folge kann sein, dass der effektiv verfügbare Arbeitsraum auf die Hälfte des theoretisch vorhandenen Arbeitsbereiches reduziert wird. Der Grund hierfür ist, dass der Roboter das aufzunehmende Objekt erst dann anfahren kann, wenn dieses in den Arbeitsbereich eintritt. Aufgrund des verminderten Arbeitsraums reduziert sich die Zahl der Produkte am Förderband und es kommt zu einer Einschränkung des Puffervolumens. Schwankungen im Produktstrom können in der Folge durch den Roboter nicht mehr ausgeglichen werden. In manchen Applikationen erfordert dies letztlich den Einsatz zusätzlicher Roboter, um die geforderte Pick-Leistung zu erreichen.

Das Prinzip "Intelligent Motion"

Vor dem geschilderten Hintergrund hat das Unternehmen Keba seine existierende Systemlösung für Verpackungsroboter – KeMotion Packaging genannt – um die Op­tion „Intelligent Motion“ erweitert. Dabei werden nun auch roboterfremde Objekte in die Bahnplanung miteinbezogen. Das können beispielsweise andere Roboter und bewegte Produkte auf einem Förderband sein. Die vorausschauende Bahnplanung erlaubt es der Steuerung, rechtzeitig auf kommende Ereignisse zu reagieren und im Sinne der Produktivitätssteigerung automatisch die intelligenteste Strategie anzuwenden, ohne dass dafür Extra-Programmieraufwand nötig ist. Der wesentliche Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass auch das Zeitverhalten der Objekte in die Berechnungen einfließt.

Ein Beispiel aus dem Alltag veranschaulicht das dahinter stehende Prinzip: Sie bewegen sich mit ihrem PKW auf eine geregelte Kreuzung zu. Die Ampel ist rot, ein anderer PKW passiert soeben die Kreuzung. Oberhalb der Ampel befindet sich eine Anzeigetafel, die darüber informiert, wie lange die Kreuzung noch rot sein wird. Dank dieser Information lässt sich die Geschwindigkeit exakt so anpassen, dass ein Stillstand vor der roten Ampel vermeidbar ist. Da ersichtlich ist, wann die Kreuzung wieder frei befahrbar sein wird, kann bereits vorzeitig mit dem Beschleunigen begonnen werden, auch wenn die Ampel noch rot ist. – Sie kennen ja den Zeitpunkt, wann wieder auf grün umgeschaltet wird! Der Vorteil dieser Anzeige ist, dass das Fahrzeug dadurch nicht zum Stehen kommt und mit maximal möglicher Geschwindigkeit die Kreuzung passieren kann, sobald diese wieder auf grün umschaltet. So erreicht man am schnellsten sein Ziel und spart zudem noch Treibstoff. Die Zeitanzeige und die Ampel behalten Sie selbstverständlich zu jedem Zeitpunkt im Auge, um bei einem Notfall noch immer sicher bremsen zu können – beispielsweise wenn der andere PKW plötzlich mitten auf der Kreuzung anhalten würde.

Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf einer herkömmlich geplanten Bewegung (rot) im Vergleich zur Bewegung mittels vorausschauender Bahnplanung (grün). Die grüne Kinematik kann ihre Bewegung um die Zeitspanne T2 früher beenden.

© Keba

Übertragen auf zwei Roboter im gemeinsamen Arbeitsbereich heißt das, dass ein Roboter dem anderen seine noch verbleibende Verweilzeit im Arbeitsraum mittels Vorausplanung mitteilt. Aufgrund dieser Zeitinformation optimiert der zweite Roboter automatisch seine Bahngeschwindigkeit. Wiederum übertragen auf den Anwendungsbereich Pick&Place bedeutet dies, dass die Steuerung außerdem weiß, wann ein Produkt den Arbeitsraum des Roboters erreichen wird. Ausgehend von der aktuellen Position des Roboters kann daher dessen Geschwindigkeit in Richtung eintretendes Produkt so gewählt werden, dass dieses beim tatsächlichen Eintritt in den Roboterarbeitsraum so früh wie möglich gegriffen werden kann. Der gegebene Arbeitsraum wird dadurch maximal ausgereizt und der Durchsatz effektiv gesteigert.

In Pick&Place-Anwendungen mit unstrukturiertem Produktstrom ergeben sich für Roboter stets zufällige Wartezeiten. Auch diese werden durch das „Intelligent Motion Feature“ – clever umgangen – deutlich reduziert, da der Roboter seine Bewegungen (Beschleunigung, Verzögerung) flexibel an etwaige Lücken im Produktstrom anpassen kann, was wiederum in einer signifikanten Performance-Steigerung resultiert. Kurzum: Mittels der vorausschauenden Bewegungsplanung und der Berücksichtigung bewegter Fremdobjekte ist ohne zusätzlichen Programmieraufwand ein Zeitgewinn von bis zu 10 % erzielbar.

Zusätzlich kommt es durch die Vorausberechnung der Roboterbahn zu einer besseren Ausnutzung des theoretisch zur Verfügung stehenden Roboterarbeitsbereiches. Weil der Roboter innerhalb eines vergrößerten Zeitfensters auf das Förderband zugreifen kann, werden Produkte zum frühestmöglichen Zeitpunkt gegriffen. Bei Steuerungen ohne vorausschauende Bahn- und Bewegungsplanung ist der theoretische Arbeitsbereich praktisch nicht vollständig nutzbar, da in diesem Fall der tatsächliche Arbeitsbereich aufgrund der nicht stattfindenden Vorausplanung um die Reaktionszeit der Steuerung sowie der Zeit, die die Roboter-Mechanik für den Weg benötigt, reduziert ist. Anders mit Intelligent Motion: Mit diesem System kann der Roboter Schwankungen im Produktstrom optimal puffern, da sich die Kinematik bereits vorzeitig in die optimale, den Arbeitsbereich maximal ausnutzende Pick-Position begeben kann.

Last but not least gehören ruckartige Brems- und Beschleunigungsvorgänge, wie sie sonst bei mehreren Roboterarmen im gemeinsamen Arbeitsraum üblich sind, dank der vorausschauenden Bewegungsplanung der Vergangenheit an.

Bis zu acht Roboter an einer Steuerung

In Summe ist KeMotion in der Lage, bis zu 64 Servo-Achsen zu steuern beziehungsweise maximal acht Roboter mit einer einzelnen Steuerung zu betreiben.

© Keba Automation

KeMotion kombiniert auf einer gemeinsamen Hardwareplattform eine Robotersteuerung mit einer freiprogrammierbaren SPS. Zyklische Prozessbearbeitung und Ansteuerung von Peripherieteilen werden in der Codesys-basierten SPS-Umgebung vorgenommen. Das eventbasierte Robotersystem hingegen ist für die gesamte Bewegungsplanung unter Berücksichtigung der maximalen Dynamik verantwortlich.

Im Robotikteil kommt die Roboterprogrammiersprache „Kairo“ von Keba zum Einsatz. Das damit erstellte Programm wird mittels der KeMotion-Steuerung online interpretiert. Dabei kommt auch die Vorausplanung ins Spiel. Diese verarbeitet bis zu 30 Programmzeilen im Voraus und legt die auszuführende Bewegungsbahn fest. Dadurch kann die Steuerung zu jedem beliebigen Zeitpunkt exakt vorhersagen, wann sich ein Roboter an welcher Position der Bahn befinden wird – und das bereits Sekunden bevor dessen Tool Center Point diese Position tatsächlich passiert. Neben der Position werden die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berücksichtigt. Unerwünschte Spitzen in den Dynamikverläufen der einzelnen Roboterachsen lassen sich so effektiv vermeiden.

Zur Berücksichtigung äußerer Ereignisse – wie beispielsweise Geschwindigkeitsvorgabe, Maschinenstopp oder Trackingsignale – erfolgen die Prüfung und eine eventuell erforderliche Korrektur der Bewegungsbahn zyklisch im Interpolationstakt.

Autor: Harald Kampenhuber ist als Produktmanager bei Keba verantwortlich für die Weiterentwicklung der Robotersteuerung.