Automatisierung mit Industrierobotern ist seit Jahren auf dem Vormarsch, wie die jährlichen Wachstumszahlen der International Federation of Robotics (IFR) zeigen. So wurden 2015 rund 15 % mehr Industrieroboter verkauft als noch im Vorjahr. Auch der Verkaufswert stieg um 9 % und erreichte insgesamt 11,1 Mrd. US-Dollar weltweit. Die Montage ist hier bisher allerdings nicht der hauptsächliche Treiber, denn nur jeder zehnte der verkauften Industrieroboter ist aktuell für Fügeprozesse im Einsatz, wenn auch mit steigender Tendenz. Dies liegt an den dynamischen und vielfältigen Herausforderungen von Montageprozessen wie etwa kleinen Losgrößen, vielen Produktvarianten und kurzen Taktzeiten. Zudem sind die Montageprozesse oftmals dahingehend komplex, dass die Verbindung aus Bewegungsablauf und Kontaktkraft genau abgestimmt sein muss oder auch Zugänge zum Beispiel für Steckverbindungen nur schwierig zu erreichen sind. Sind dann noch Kabel oder andere Objekte mitzuführen oder einzufädeln, erhöht dies die Fehleranfälligkeit eines Prozesses weiter.

Mit dem entsprechenden Expertenwissen lassen sich aber auch solch anspruchsvolle Montageaufgaben automatisieren. Dies belegen unter anderem verschiedenen Entwicklungen und Lösungen, die aktuell am Fraunhofer IPA für Montageprozesse mit Robotik entstehen. Wenn sich Prozesse für eine Teilautomatisierung eignen, wird es zunehmend darum gehen, die Aufgaben zwischen Mensch und Roboter effizient zu verteilen – Stichwort: Mensch-Roboter-Kooperation (MRK). Zudem muss immer auch der Sicherheitsaspekt im Fokus stehen. Aktuell entsteht hierfür ein Tool, um auch die Risikoanalyse in Teilen automatisiert durchführen zu können. Perspektivisch wird die zunehmende Vernetzung im Kontext von Industrie-4.0-Architekturen jedenfalls dazu führen, dass Montageprozesse immer wandlungsfähiger werden müssen.

Software für kraftgeregelte Montageprozesse

Aktuell ist nur etwa jedes fünfte Robotersystem mit einer sensorbasierten Lösung zur Bahnführung ausgestattet. Welcher Nutzen sich daraus für komplexe Montageprozesse wie das ‚Klipsen‘ und ‚Einrasten‘ ergeben kann, zeigt die Software Pitasc. Sie hält eine Vielzahl fertig einsetzbarer Programmbausteine für typische Prozessschritte bereit, darunter etwa ‚Folgen eines Ziels‘, ‚Halten einer Position‘ oder ‚Aufbringen einer Kraf‘. Diese Bausteine können Systemintegratoren bei der Einrichtung eines Robotersystems individuell zusammenstellen und direkt einsetzen.

Pitasc am Beispiel einer Hutschienenmontage

© Fraunhofer IPA / Rainer Bez

Für die genannte Software kommt das ‚constraint-based programming‘ – sprich das bedingungsbasierte Programmieren – zum Einsatz. Grundidee ist, dass dem Robotersystem die Bahn nicht mehr im Vorfeld vorgegeben wird, sondern der Algorithmus diese zur Laufzeit basierend auf Zielgrößen und Randbedingungen selbst berechnet. Hierfür werden der Prozess, Werkstück- und Prozessparameter wie etwa die idealen Maße des Werkstücks oder die für die Montage nötigen Kräfte des Roboters zunächst in allgemeiner Form intuitiv und unabhängig vom Robotertyp modelliert. Die Montage-Aufgabe liegt dann – ähnlich einem typischen Arbeitsplan für die manuelle Montage – als Abfolge von Programmbausteinen vor. Durch Zuweisung variantenspezifischer Werte und mithilfe aktueller Sensordaten, wie Kontaktkräften, Abständen oder Objekterkennung, berechnet das System entsprechend seiner Kinematik selbst, wie es sich geregelt bewegen muss, und arbeitet die Prozessbausteine ab.

So ist die einmal modellierte Aufgabe auf neue Werkstückvarianten oder andere Systeme übertragbar: Die zu erfüllenden Bedingungen bleiben gleich und das System passt den Montageprozess mithilfe aktualisierter Parameter an. Die neue Technik bietet den Vorteil, dass die einzelnen Programmbausteine wiederverwendbar sind. Zudem können grundlegende Bausteine wie das Vorgeben einer Geschwindigkeit beliebig komponiert und zu aufgabenspezifischen Gruppen, Sequenzen oder Hierarchien zusammengestellt werden. Auch das Hinzufügen von Erfüllungs- beziehungsweise Abbruchkriterien ist möglich, so dass beispielsweise eine Bewegung ausgeführt wird, bis eine Kontaktkraft auftritt.

Roboterprogramme intuitiv erstellen

Ein weiterer Trend in der Montage ist die einfachere Erstellung von Roboterprogrammen. Vor diesem Hintergrund ist die Software drag&bot entstanden. Sie ermöglicht eine neue, intuitive Form der Roboterprogrammierung. In einer grafischen Bedienoberfläche können Anwender durch das Auswählen und Zusammenstellen einzelner Bausteine, die die Komplexität des Programms vor dem Anwender verbergen, den Programmablauf definieren.

Die einfachere Erstellung von Roboterprogrammen mittels intuitiver Software-Lösungen ist insbesondere für mittelständige Unternehmen, die kundenspezifisch in kleineren Losgrößen produzieren, ein ­entscheidendes Kriterium.

© Fraunhofer IPA / Rainer Bez

Die Software bietet mit sogenannten Wizards Bedien- und Eingabehilfen, die den Nutzer bei der Parametrisierung des Programms unterstützen. Ein Beispiel: Der Nutzer sieht mögliche Schraublöcher in einem Bild, das die Kamera aufgenommen hat. Durch Anklicken des gewünschten Lochs wählt er die zu schraubende Position.

Aktuell lässt sich drag&bot als einfache Programmieroberfläche zum flexiblen Einsatz von Robotern nutzen. Die Bausteine sind für Roboter unterschiedlichster Hersteller nutzbar und wiederverwendbar. Zukünftig sollen die Software sowie der Zugang zu einem Online-Store mit den Wizards oder Funktionsblöcken für Systemintegratoren und Endanwender über eine Lizenz erwerbbar sein.

Gleichermaßen auf Bildverarbeitung setzt die Lösung VisualCue, die ebenfalls auf eine einfache Roboterprogrammierung zielt. Bei bisherigen Verfahren muss der Programmierer die einzelnen Positionen, die der Roboter anfahren soll, mithilfe eines Weltkoordinatensystems bestimmen. Hierfür muss er wiederholt die räumliche Anordnung von Roboter und Werkstück auf das Weltkoordinatensystem übertragen. VisualCue bietet stattdessen ein Bild, das dem Programmierer genau anzeigt, was der Roboter ‚sieht‘. Die grafische Bedienoberfläche der Software zeigt zudem das zu bearbeitende Werkstück an und der Programmierer kann mit der Maus Punkte oder Kanten für die Bearbeitung auswählen.

MRK-Arbeitsplätze systematisch planen

MRK ist mittlerweile in aller Munde und die immer größere Palette an verfügbaren Leichtbaurobotern eignet sich dafür grundsätzlich gut. Die normgerechten Sicherheitsmaßnahmen sind jedoch Voraussetzung für die Inbetriebnahme des Systems und können gegebenenfalls seine Leistungsmerkmale – zum Beispiel Investitionskosten und die Taktzeit des Roboters – und damit die Rentabilität des Systems beeinflussen. Deshalb ist es essenziell, bereits bei der Planung mit dem nötigen Fachwissen zu bewerten, welche relevanten Gefährdungspotenziale bestehen, sowie die Kosten und Auswirkungen möglicher Sicherheitsvorkehrungen zu berücksichtigen.

Besonders die zunehmend geforderte Vernetzung und Wandlungsfähigkeit von Produktionen hat Auswirkungen auf die Sicherheitsmaßnahmen einer Anwendung. Denn wenn diese rekonfiguriert wird, verliert die sicherheitstechnische Abnahme im Allgemeinen ihre Gültigkeit und müsste deshalb neu durchgeführt werden. Dies führt zu Mehraufwänden und längeren Inbetriebnahmezeiten. Um dies zu verbessern, werden Tools zur einfachen Sicherheitskonfiguration und -programmierung, dynamische Steuerungs- und Sicherheitsstrukturen sowie automatisierte sicherheitstechnische Analyse- und Bewertungsmethoden zunehmend relevant.

Ein Beispiel für ein solches Tool ist im Rahmen des EU-Projekts LIAA (Lean Intelligent Assembly Automation) entstanden, welches das Fraunhofer IPA für eine effiziente Sicherheitsberatung in Unternehmen einsetzt. Mit Hilfe einer zugrundeliegenden Bibliothek mit Hardwarekomponenten und möglichen Gefährdungen ermöglicht es eine modellbasierte Gefahrenanalyse. Je mehr Informationen in der Bibliothek hinterlegt sind, umso genauer kann das eventuelle Gefährdungspotenzial einer MRK-Anwendung ermittelt werden. Eine ontologische Erweiterung der Analyse erlaubt es, zum Beispiel auch Gefahren zu identifizieren, die nur durch eine bestimmte Anordnung der Ressourcen entstehen. Ziel der Analyse ist weiterhin, alle getroffenen Sicherheitsentscheidungen zu dokumentieren.

Das genannte Tool war unter anderem Grundlage für die Entwicklung eines MRK-Arbeitsplatzes für Nietapplikationen. Dabei haben die Experten zwei Anwendungsszenarien entworfen: Im ersten Fall bewegt der Leichtbauroboter das Nietwerkzeug, im zweiten ist es fixiert und der Roboter bewegt die zu nietenden Teile. Wenn der Roboter das Werkzeug bewegt, entstehen einerseits geringfügig höhere Kosten durch das nötige Automatikwerkzeug, zusätzliche Sensorik zur Feinlokalisierung der Nietlöcher und einen Roboter mit höherer Traglast. Andererseits ist die Taktzeit etwas höher. Dafür ist die Anwendung im Vergleich zu einem statisch montierten Nietwerkzeug flexibler in Bezug auf mögliche Anordnungen der Nietlöcher auf dem Produkt. Bewegt hingegen der Roboter die zu nietenden Teile, fallen weniger Kosten an. Allerdings ist die Anwendung etwas weniger flexibel, da zum Beispiel der Roboter nicht jedes Nietloch so positionieren kann, dass es vernietet werden kann. Auf Basis dieser Systematik können Anwender letztlich entscheiden, welche Variante ihre Anforderungen besser erfüllt.

Neben der Sicherheit von MRK-Anwendungen ist schließlich eine effiziente Arbeitsteilung nach Fähigkeit und Verfügbarkeit einer Ressource in der Produktion zwischen Mensch und Roboter essenziell, um einen optimierten Montageablauf zu gewährleisten. Hierfür arbeiten die IPA-Experten aktuell an einer Methodik sowie an numerischen Optimierungsverfahren für Montageplaner, über die jeder Arbeitsschritt einer Montagesequenz abgebildet und Informationen über dessen Eignung zur Automatisierung bereitgestellt werden können. Ein Hauptziel hierbei ist, möglichst wenige Übergabepunkte zu benötigen, da diese besonders sicherheitskritisch sind.

Autoren:
Ramez Awad ist Leiter der Gruppe Montageautomatisierung am Fraunhofer IPA;
Martin Naumann ist Leiter der Gruppe Roboterprogrammierung und -regelung am Fraunhofer IPA.