Die Robotik gilt als einer der Eckpfeiler für eine flexible Fertigung à la Industrie 4.0. Der Trend geht dabei aktuell klar in Richtung Leichtbaukonzepte beziehungsweise hin zu Lösungen, bei denen der Mensch in unmittelbarer Nachbarschaft mit dem Roboter arbeitet beziehungsweise sogar mit diesem zusammen – und zwar ohne trennende Schutzeinrichtungen. Im Idealfall ist der Roboter dabei nicht fest an einer Station installiert, sondern lässt sich je nach Bedarf an verschiedenen Stellen der Fertigung für unterschiedlichste Zwecke einsetzen.

Einer der Verfechter derartiger Konzepte ist Kuka. Von den sich daraus ­ergebenden Vorteilen wollen die Augsburger künftig nicht nur ihre Kunden überzeugen, sondern auch selbst davon profitieren – und zwar in der eigenen Fertigung. Andreas Ostermann von Roth, Executive Vice President Operations bei Kuka Roboter: "Wir wollen unsere Fertigung für die Zukunft aufstellen und dabei die Effizienz deutlich steigern. Ziel ist eine Kapazität von mehr als 20.000 Robotern pro Jahr bei uns in Augsburg. Das können wir nur schaffen, wenn wir die Prozesse in der Montage nach modernsten Methoden umgestalten."

In 'Halle 7' montiert Kuka am Hauptsitz Augsburg seine 6-Achs-Roboter vom Typ Quantec – mit Unter­stützung der mobilen Plattform KMR iiwa.

© Kuka

Vor diesem Hintergrund wurde unlängst die eigene Roboterproduktion von einem Mehrliniensystem auf eine rund 140 Meter lange Linienfertigung nach Lean-Produktionsmethoden umgestaltet. Der mobile Roboter KMR iiwa, eine autonom verfahrende Plattform in Verbindung mit dem Leichtbauroboter LBR iiwa, beliefert dabei automatisch den Robotermontage-Arbeitsplatz in der Zentralhandmontage der sogenannten KR-Quantec-Roboter mit Produktionsmaterial. Dabei handelt es sich um eine Familie von 6-Achs-Robotern für Traglasten von 90 bis 300 kg. Die An­lieferung des Montagematerials 'Just-in-Sequenz' (JIS) war dabei ein wesentlicher Baustein. Konkret setzt Kuka den KMR iiwa für die Verteilung von Schrauben, Dichtungsringen, Muttern und weiteren Kleinteilen nach dem Kanban-Prinzip ein. Das heißt: Der Schrauben-Hersteller Würth liefert die bestellten Kanban-Boxen an das zentrale Lagerregal. In regelmäßigen Abständen prüft der mobile Roboter sensitiv die einzelnen Regale ab und entnimmt die angelieferten, mit den Kleinteilen bestückten Boxen. Der Roboterarm hält dabei die Box an einen auf der Plattform montierten QR-Code-Scanner und erkennt so die individuelle Zielposition jeder Box. Anschließend transportiert die autonom fahrende Plattform die ­Behälter durch die Produktionshalle und liefert sie automatisch an den Arbeitsplatz.

"Diese Just-in-sequenz-Belieferung gehört zu unserem neuen Logistik-­Konzept in der Produktion unserer Roboter", erklärt Sebastian Bodenmüller, Leiter der Montage bei der Kuka Roboter. Damit ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit garantiert ist, werden zwei wesentliche Punkte berücksichtigt: Der KMR iiwa fährt keine unnö­tigen Wege und benötigt keine Pause. Die mobile Plattform ist mit den spe­ziell entwickelten OmniMove-Mecanum-Rädern (siehe Kasten) aus dem Stand präzise in jede Richtung verfahrbar.

Roboter und Fahrzeug werden gemeinsam mit einer multikinematikfähigen Steuerung betrieben. Zusätzliche Umgebungsscanner am Fahrzeug ermöglichen die Erkennung von Hindernissen. Die verwendeten Lithium-Ionen-Batterien versorgen Fahrzeug und Roboter direkt mit Strom. Mittels einer von Kuka selbst entwickelten Navi­gations-Software bewegt sich der KMR iiwa schließlich sicher und ohne Kabelverbindungen frei im Raum. Mit anderen Worten: Die mobile Plattform ist frühzeitig in der Lage, Hindernisse in ihrem Fahrweg zu erkennen, und ­somit autonom durch die Produktion navigieren. So ist es eine wesentliche Eigenschaft des KMR iiwa, sich einen gemeinsamen Weg mit Personen und Logistikzügen teilen zu können. Eine spezielle Absicherung oder eine weitere Bearbeitung der Fahrwege ist nicht nötig.

"Unsere Mitarbeiter haben den KMR iiwa schnell als vollwertigen Mitarbeiter und Kollegen akzeptiert. Sie wissen die Vorteile dieses intelligenten und mobilen Assistenten zu schätzen", resümiert Sebastian Bodenmüller die ersten Einsatzwochen des robotischen Kollegen. Er übernimmt in erster Linie monotone und für den Menschen un­ergonomische Aufgaben. Dabei arbeitet er unabhängig von Pausenzeiten und ist immer einsatzbereit, wenn er gebraucht wird. Mit reinen Logistik­aufgaben sind seine möglichen Einsatzgebiete aber noch nicht erschöpft. Unterschiedliche Industriemaschinen zu bestücken ist ebenso denkbar wie die direkte Zusammenarbeit mit einem oder mehreren Mitarbeitern in einem geteilten oder gemeinsamen Arbeitsraum.

Antreiben mit dem Mecanum-Rad

Fahrzeuge auf Mecanum-Rädern können sich in zwei Dimensionen völlig frei bewegen. Sowohl aus dem Stand als auch aus der Fahrt heraus können sie jede beliebige Richtung ansteuern, Kurven von beliebigem Radius fahren oder auf der Stelle drehen.

© Imetron

Das Mecanum-Rad wurde 1973 von Bengt Ilon erfunden, einem Ingenieur der schwedischen Firma Mecanum. Die US-amerikanische Marine kaufte das Patent von Mecanum und nutzte die Technik zunächst exklusiv für die Verladung von Transportgut auf ihren Schiffen. Erst 1997 wurde die Technologie auch für kommerzielle Unternehmen und den zivilen Einsatz verfügbar. So funktioniert das Mecanum-Rad: Anders als konventionelle Räder hat das Mecanum-Rad keine geschlossene Lauffläche. Stattdessen sind auf seiner Radfelge drehbar gelagerte tonnenförmige Rollen meist in einem Winkel von 45° zur Achse des Rades angebracht. Diese können sich frei um ihre eigene schräge Lagerachse drehen. Form, Größe und Abstände der Rollen sind so gewählt, dass das Rad quasi eine durch­gehende Abrollfläche erhält.

Wenn sich ein Mecanum-Rad dreht, entstehen zwei Kraftkomponenten: die erste weist in die Drehrichtung des gesamten Rades, die zweite befindet sich im rechten Winkel dazu. Da seine Rollen beweglich sind, ist das Mecanum-Rad aber nicht spurtreu wie sein gewöhnliches Pendant. Kommen weitere Kräfte hinzu, kann seine Bewegung in jede beliebige Richtung abgelenkt werden. Bei Fahrzeugen mit vier Mecanum-Rädern sind die 45°-Winkel der Rollenachsen jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet. Von sich aus würde jedes Rad diagonal in eine andere Ecke eines gedachten Rechtecks fahren.

Um das Fahrzeug geradeaus zu bewegen, müssen zum Beispiel die Kraftvektoren der vorderen Räder nach vorne und nach innen wirken und die der hinteren mit gleicher Stärke – also Geschwindigkeit – nach vorne und nach außen. Tatsächlich drehen sich dabei alle Räder mit gleicher Geschwindigkeit nach vorn, wie bei einem konventionellen Fahrzeug. Drehen die Mecanum-Räder vorne links und hinten rechts nach vorn, die beiden anderen Räder nach hinten, und alle mit der gleichen Geschwindigkeit, fährt es seitlich nach rechts. Für eine Kurve drehen alle Räder, wie bei einem Kettenfahrzeug, in dieselbe Richtung, die kurvenäußeren aber schneller als die inneren. Je größer die Differenz, desto enger die Kurve.