Schweißen für Losgröße 1: CoWeldRob scannt Werkstücke und findet automatisch Schweißnähte, die der Werker in einem grafischen System anpassen kann.

© Fraunhofer IPA

Mit einer Roboterdichte von 292 Einheiten pro 10.000 Arbeitnehmer zählt die deutsche Wirtschaft weltweit zu den am stärksten automatisierten Standorten und rangiert damit laut der jüngsten Roboterstatistik der International Federation of Robotics (IFR) auf Rang 1 in Europa. Nach dem Vorbild der Konzerne soll jetzt der deutsche Mittelstand vor einer revolutionären Automatisierungswelle stehen. Allerdings: Hohe Variantenvielfalt und Qualitätsanforderungen sowie kleine Losgrößen erschweren bislang den wirtschaftlichen Einsatz ‚klassischer‘ Robotersysteme in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU). Denn deren aufwendige Einrichtung, eine oftmals unflexible Programmierung sowie der hohen Platzbedarf beziehungsweise die strikte räumliche Trennung mittels starrer Schutzzäune passen nicht zu der in KMUs üblichen Produktionsweise.

Vor diesem Hintergrund wurde Anfang 2012 die europäische Initiative SMErobotics ins Leben gerufen, mit dem Ziel, speziell auf die Bedürfnisse von KMUs zugeschnittene intelligente Robotersysteme zu entwickelt. Die Ergebnisse des Projektes, dessen Laufzeit am 30. Juni endet, werden auf der Automatica am Stand des Fraunhofer IPA (Halle 4A, Stand 131) vorgestellt. Kennzeichnend für die entstandenen Roboterlösungen ist: Sie arbeiten ohne trennende Schutzeinrichtungen mit und neben ihren menschlichen Kollegen. Neue Technologien zur intuitiven Programmierung sowie zur robusten sen­sorüberwachten Programmausführung sollen es den Unternehmen zudem erlauben, Robotersysteme bei vielen Produktvarianten effizient einzusetzen.

Schlüsselkomponente ­Software

Ein wesentliches Ziel von SMErobotics besteht darin, dass Anwendungsfachkräfte Roboter einfach instruieren sowie verlässlich und zeitsparend bedienen können. Dies soll durch die Programmierung von Montage- und Handhabungsaufgaben mittels intuitiver grafischer Bediensysteme möglich werden. Das heißt: Mit Hilfe eines ‚skillbasierten‘, also auf fertigen Programmbausteinen basierenden grafischen Programmiersystems in­struiert die Fachkraft den Roboter in anschaulichen Anwendungen.

In einem weiteren grafischen Programmiersystem für komplexe Montage-Aufgaben, beispielsweise in der Getriebemontage, spezifiziert der Anwender die Montage-Abläufe interaktiv am CAD-Modell unabhängig von einem konkreten Robotersystem. Leistungsfähige Planungs- und Schlussfolgerungssysteme berechnen anschließend selbsttätig die notwendigen Roboterbewegungen anhand von Modellen der einzelnen Teile und des ausführenden Robotersystems. Damit konnten dem Fraunhofer IPA zufolge Fachkräfte ohne Robotik-Erfahrungen Montage-Aufgaben in Tests zehn- bis fünfzehnmal schneller programmieren als erfahrene Roboterprogrammierer mit Handbediengeräten.

Die skill-basierte Programmausführung ermöglicht weiterhin den trans­parenten Umgang mit Ungenauigkeiten in der Umgebung und an Werk­stücken. Dies ist wesentlich für KMU, weil Robotersysteme beispielsweise oft von Hand vorbereitete Werkstücke bearbeiten, die Toleranzen oder Abweichungen zu Konstruktionsdaten aufweisen. Der Einsatz von Sensoren zur Werkstück-Lokalisierung und -Vermessung macht zudem feste Positionierungen und Halterungen für Werkstücke weitgehend unnötig.

Die beschriebenen Softwaremodule zur intuitiven Programmierung und Roboterprogramm-Generierung wurden unabhängig von spezifischen Robotertypen entwickelt. Sie sind als eigenständische Module verfügbar und können von Ausrüstern der Automatisierungstechnik und Industrial IT in ihren Systemlösungen eingebaut werden.

Anwendungen für Schweißprozesse und flexible Montage

Präzisionsmontage von losen Bauteilen per Roboter: Tests ergaben eine um 30 % reduzierte Fehlerrate in der Montage eines Schiebers gegenüber der derzeitigen manuellen Arbeitsweise.

© Fraunhofer IPA

Diverse in ersten Praxistests erprobte Roboterzellen und Arbeitsplätze für die Mensch-Roboter-Kollaboration sollen den praktischen Nutzen der Softwarekomponenten in typischen Produktionsszenarien von KMUs demonstrieren. Beim ‚CoWeldRob‘ des Fraunhofer IPA beispielsweise handelt es sich um eine Schweißzelle für Losgröße 1. Robuste 3D-Sensorik, umfangreiche Technologie- und Prozessmodelle und eine intuitive grafische Bedienoberfläche ermöglichen das Nahtschweißen von vormontierten Bauteilen mit wenigen Handgriffen. Das System scannt neue Werkstücke, identifiziert die zu schweißenden Nähte und schlägt dem Schweißer geeignete Parameter für den Schweißprozess vor. Ebenso identifiziert und lokalisiert das System bekannte Werkstücke und generiert das Schweißprogramm dann vollautomatisch. Der Schweißer kann dieses in der Bedienoberfläche anpassen oder direkt ausführen lassen. Gewünschte Änderungen lernt das System und berücksichtigt diese bei späteren Aufgaben.

Mehrere Anwendungen werden im Rahmen von SMErobotics mit einem Zweiarm-Roboter realisiert. Ein Beispiel hierfür ist das Schweißen großer Bauteile, etwa für den Bausektor. Der Roboter bewegt die Bauteile mit beiden Armen und hält diese mit einem Arm fest, während er mit dem anderen Arm Schweißnähte ausführt.

Dass auch Montageprozesse mit Toleranzen im Mikrometerbereich möglich sind, zeigt weiterhin die Präzisionsmontage einer ganzen Bauteilgruppe ohne aufwendige, produktspezifische Fixierungen und Führungseinrichtungen. Die Zelle, die derzeit bei einem Endanwender im Testbetrieb läuft und zukünftig in die laufende Produktion integriert werden soll, montiert beispielsweise Ventilbaugruppen in mehreren, hintereinander ausgeführten Schritten. Hierzu gehört auch das Einfädeln eines Schiebers mit nur drei Mikrometern Toleranz. Präzise Objekt-Erkennung und Lokalisierung erlauben die sichere Aufnahme von losen Bauteilen aus Mate­rialboxen und die genaue Ansteuerung der Montagestelle. Feinfühlige Sensorik und gezielt nachgiebig geschaltete Bewegungen ermöglichen schließlich die verklemmungsfreie Montage.

Zu den Partnern der SMErobotics-Initiative gehören neben dem Projektkoordinator Fraunhofer IPA unter anderem die Hersteller Comau, Güdel, Kuka und Reis (jetzt Kuka Industries) sowie die Universitäten und Forschungseinrichtungen Lund University (Schweden), das DTI Danish Technological Institute (Dänemark), das Fortiss An-Institut der Technischen Universität München (TUM) und das Institut für Robotik und Mechatronik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Weiterhin sind acht kleine und mittelständische Unternehmen sowie 13 Systemintegratoren und regionale anwendungsorientierte Forschungseinrichtungen mit eingebunden.

Delta-Kinematiken für Food & Beverage

Neben dem Trend-Thema ‚Mensch und Roboter‘ wird auf der Automatica die klassische Industrierobotik nicht zu kurz kommen. Eine Branche, die besonders hohe Anforderungen an die stählernen Gehilfen stellt, ist die Lebensmittel- und Getränke-Industrie. Gefragt sind hier High-Output-Lösungen mit Ausbringraten, die je nach Applikation bei weit über 100.000 Einheiten pro Stunde liegen können. Zudem hat in diesem Umfeld die Einhaltung strengster Hygiene-Vorgaben im Umgang mit offenen Lebensmitteln Priorität.

Deltaroboter haben sich in der Sekundär- und in der Primärverpackung von Lebensmitteln fest etabliert.

© ABB

Dementsprechend sind auf der Automatica viele Neuheiten im Bereich der Highspeed-Kinematiken zu erwarten – unter anderem bei den Deltarobotern. Der Urvater dieser Kinematiken etwa, der FlexPicker von ABB (Halle B5, Stand 320), deckt heute über die IRB-360-Produktfamilie mit ihren vielen Varianten nahezu jeden Bedarf ab. Wichtig für Lebensmittel-Einsätze: Alle FlexPicker sind mit ihrem Hygiene-Design für raue Nassbereich-Umgebungen bei der Verarbeitung von Fleisch- und Milchprodukten geeignet. Selbst eine Version in kompletter Edelstahl-Ausführung mit der Schutzart IP69K, die sich besonders für die Nassreinigung mit industriellen Reinigungsmitteln und Hochdruck-Heißwasser eignet, ist verfügbar.

Adept Omron Technologies (Halle B5, Stand 310) wird in München mit dem Hornet 565 ebenfalls eine neuentwickelte Deltakinematik präsentieren, die das Pick & Place in Höchstgeschwindigkeit beherrscht. Das Unternehmen Fanuc (Halle B6, Stand 330) rüstet seine entsprechenden Roboter mit dreiachsigen Handgelenken aus, so dass sich insgesamt sechsachsige Kinematiken ergeben. Der Hintergrund: Solange ‚nur‘ gepickt wird, reichen drei Achsen. Kommen Aufgaben der Qualitätsprüfung hinzu oder müssen gepickte Produkte um eine Achse gedreht werden, braucht der Roboter mehr Freiheitsgrade – so die Argumenation der Japaner.

Noch etwas wird sich auf der Branchenmesse zeigen: Im Highspeed-Bereich müssen sich Deltaroboter gegenüber Robotern wie dem Spider von Epson (Halle B5, Stand 319) und dem extrem schnellen Fast Picker TP80 von Stäubli (Halle B5, Stand 321) behaupten. Beide Roboter sind nicht das erste Mal in München, jedoch wird Stäubli den Fast Picker in neuen Versionen speziell für Einsätze an offenen Lebensmittel präsentieren. Die Vierachser sind sowohl in spritzwassergeschützter HE-Ausführung als auch mit lebensmittelverträglichem H1-Öl verfügbar. In dieser Konfiguration erreichen sie Spitzenwerte von bis zu 200 Picks pro Minute.

Flexibel durch sieben ­Drehpunkte

Diese neuartige Roboter-Portalachse ist mit einer maximal benötigten Höhe von fünf Metern selbst in sehr niedrigen Fertigungshallen ohne zusätzlichen Aufwand einsetzbar.

© Schwäbsiche Werkzeugmaschinen

Nicht nur der Roboter für sich mit seinen jeweiligen spezifischen Leistungsmerkmalen steht auf der Automatica im Fokus. Immer mehr fordern die Anwender ‚schlüsselfertige‘ Komplettlösungen für ihre Automatisierungsaufgaben, wie sie beispielsweise das Unternehmen Schwäbische Werkzeugmaschinen (SW) und der vor knapp einem Jahr von SW übernommene Experte für ­automatisierte Fertigungs- und Montage-Anlagen, die Firma Bartsch, gemeinsam konzipieren. Ein aktuelles Beispiel wird erstmals in München (Halle A5, Stand 512) und der fast parallel laufenden CIMES in China der breiten Öffentlichkeit vorgestellt: eine neue Roboter-Portalachse, die sich im Vergleich zu herkömmlichen, oft sehr großen und nicht besonders flexiblen Mehrachs-Portalen durch sieben zur Verfügung stehende flexible Achsen auszeichnet. Letztere lassen sich für Prozess- oder entsprechende Bauteil-Änderungen beziehungsweise mit nur geringem Rüstaufwand auch für neue Bauteile einsetzen.

„Die Roboter-Portalachse dient zur Beladung von Werkzeugmaschinen und übernimmt alle Logistik- be­ziehungsweise Handlingaufgaben, die zwischen der Rohteil-Aufnahme und dem Bearbeitungsprozess entstehen“, erklärt Sven Makis, Geschäftsführer Produktion und Organisation bei Bartsch, und ergänzt: „Anschließend übergibt der Roboter das bearbeitete Bauteil an die weiteren Prozesse.“ Mit dem Roboter lassen sich Makis ­zufolge auch mehrere gegenüberliegende Maschinen beladen, ebenso ist eine stirnseitige Rohteil-Aufnahme oder Weitergabe des Rohteils an den beiden Stirnseiten möglich. Besonders sei daneben, dass die Be- und Entladung in die Werkstückvorrichtungen der Maschinen durch die mehrachsigen Roboter direkt von oben erfolgt. Die Maschinen sind so ohne Schutzumhausungen frei für Bediener und Wartungspersonal zugänglich. Je nach Bedarf könne das Belade-System frontal, fahrend oder seitlich neben der Maschine angebracht sein.

Die neue ISO/TS 15066

Mitte Februar hat die internationale Organisation für Normung – kurz ISO – neue Richtlinien veröffentlicht, die die Sicherheit von Mitarbeitern in Zusammenarbeit mit Robotersystemen gewährleisten sollen. Die sogenannte ISO/TS 15066 ist eine technische Spezifikation, die ergänzende und unterstützende Informationen zu den Sicherheitsstandards für Industrieroboter aus der ISO 10218-1 und ISO 10218-2 bietet, welche bereits im Jahr 2011 veröffentlicht wurden. Die Spezifikation legt die verschiedenen Kollaborations­konzepte dar und beschreibt die entsprechenden Voraussetzungen, die gegeben sein müssen, um diese zu erfüllen. Neben den Anforderungen hinsichtlich des Designs und der Risikobewertung der Roboter beinhaltet sie eine Forschungsstudie zum Thema Schmerzgrenze versus Roboter-Geschwindigkeit, Belastung und Auswirkungen für definierte Körperteile.

Mensch-Roboter-Kooperation soll sicherer werden

Am 1. April ist an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg das auf drei Jahre angelegte und vom BMBF mit rund einer halben Million Euro geförderte Forschungsvorhaben ‚beyondSPAI‘ an den Start gegangen. Ziel des Projekts unter der Leitung von Professor Dr. Norbert Jung vom Institut für Sicherheitsforschung ist eine verbesserte Absicherung der Kollaboration von Menschen und Robotern in der industriellen Fertigung. Mit Hilfe einer mehrstufigen Sensorik und intelligenter Software sollen Industrie­roboter erkennen können, wenn sie einem Menschen zu nahe kommen, um jede gefährliche Bewegung rechtzeitig zu stoppen.

Direkt am Roboter montierte Sensoren sollen dementsprechend einen Schutzraum eng um die beweglichen Teile des Systems aufspannen. An dieser Stelle sind sowohl optische Punkt­sensoren direkt am Werkzeug des Roboters als auch ein Netz aus Ultraschallsensoren vorgesehen. Optische Sensoren ermöglichen die zuverlässige Unterscheidung der relevanten Materialoberflächen und eignen sich ­speziell zur Detektion von Haut anhand ihrer speziellen Reflexions-Charakteristik im Nah-Infrarotbereich.

In einem mittleren Abstand zum Roboter soll ein Nah-Infrarot Kamerasystem zur Überwachung eines weiter gefassten Schutzraumes eingesetzt werden. Das Kamerasystem ist wie die optischen Sensoren für den Nahbereich in der Lage, Haut mit einer hohen Robustheit zu erkennen. In diesem Fall werden spezielle Bildverarbeitungsalgorithmen zur Erkennung von Personen durch die Hautinformationen ergänzt, um die Silhouette von Menschen sicher zu erkennen. Dieses System soll dazu auf einem steuerbaren mobilen Chassis montiert werden, das eine Ausrichtung der Kamera auf einen situationsabhängig kritischen Gefahrenbereich ermöglicht. Dieser ist vom Schutzsystem durch die von der Programmierung des Roboters bekannten Informationen über die nächsten Aktionen identifizierbar. So lassen sich gezielt Bereiche überwachen, in denen sich für die nächste geplante Bewegung des Roboters keine Menschen befinden sollten.

Wegen der Praxisrelevanz für zukünftige Produktionsverfahren konnte die Hochschule neben der Universität Siegen das Institut für Arbeitsschutz der DGUV, die TH Köln und das Unternehmen K. A. Schmersal (Halle 6, Stand 326) als Partner gewinnen. Letzteres hat beispielsweise einen Safety Controller im Portfolio, in dem sogenannte ‚kartesische Nocken‘ hinterlegt sind, die einen virtuellen Arbeitsbereich bilden. Der Roboter überwacht mit Hilfe der Sicherheitssteuerung selbsttätig seine Position und die Geschwindigkeit der Achsen. Sind Kräfte und Geschwindigkeiten gering genug und bleiben alle Roboterachsen in ihrem virtuellen ‚Käfig‘, dann kann der Roboter in direkte Interaktion mit dem Menschen treten.