Das BMW-Werk Landshut unterhält eine der modernsten Leichtmetallgießereien der Welt. Ob Drei-, Vier- oder Sechszylinder-Motoren: Für sämtliche Modelle der BMW-Flotte werden hier die Kurbelwellengehäuse gefertigt. Bislang erfolgte die Qualitätsprüfung mittels eines ‚Rhönrads‘. Das Kurbelgehäuse wurde dabei mit Muskelkraft samt ‚Rhönrad‘ gedreht, um es so von allen Seiten auf Fehler zu untersuchen. Das Problem dabei: Das Rhönrad ist schwer. Zudem mussten sich insbesondere großgewachsene Arbeiter bei jedem Prüfvorgang bücken, was schädlich für die Rückenergonomie ist.

Dies war der ausschlaggebende Grund für das Vorhaben von BMW, den Prozess der Qualitätssicherung soweit wie möglich zu automatisieren. Soweit wie möglich deshalb, weil es bei der Qualitätssicherung weiterhin des geschulten Blicks der Mitarbeiter bedarf. Folglich lautete der Auftrag an den Augsburger  Systemintegrator MRK-Systeme, eine Anlage zu entwickeln, in der Mensch und Roboter direkt zusammenarbeiten. Das Ziel war letztlich eine Applikation, die die Mitarbeiter entlastet, einfach zu bedienen ist sowie die kurzen Taktzeiten einhält. „Die Anforderungen von BMW waren prädestiniert für den Einsatz von Robotern, da diese sehr flexibel einsetzbar sind. Bei Bauteil-Änderungen können sie zudem einfach per Punkt- oder Logikkorrektur mit dem Kuka SmartPAD umprogrammiert werden“, erklärt Mohre, verantwortlich für den Bereich Operations bei  MRK-Systeme und in dieser Funktion maßgeblich an der Installation der Automatisierung beteiligt. Kurzum: Die Mensch-Roboter-Kollaboration sollte für die ergonomische Entlastung der Mitarbeiter von BMW sorgen.

Seit eineinhalb Jahren stehen nun zwei identische Applikationen mit jeweils einem Kuka-Roboter für Traglasten bis 210 kg aus der KR-Quantec-Serie vom Typ KR 210 R2900 prime K – das K steht für die Konsolen-Ausführung des Roboters – an der Produktionslinie im bayrischen Landshut. Jeweils ein Mitarbeiter steuert dabei mittels Joystick die Bewegungen des Roboters, um in einer angenehmen Körperhaltung die Bauteile auf Fehler zu prüfen.

... dann in einer angenehmen Körperhaltung die Bauteile auf Fehler zu prüfen.

© Kuka

Über ein Förderband werden dabei alle produzierten Kurbelwellengehäuse zunächst in den Arbeitsbereich angeliefert. Je nach Bauart – sprich Drei-, Vier- oder Sechszylinder – wählt die überlagerte Steuerung das entsprechende Programm zur Bewegungs­steuerung des Roboters aus. Die jeweiligen Programme unterscheiden sich in der Lage des Greifpunktes, welcher je nach Kurbelgehäuse in Längsrichtung verschoben ist. Das stellt sicher, dass die Konturbacken des Greifers formschlüssig schließen können. Erreicht das Kurbelwellengehäuse den Arbeitsbereich des Roboters, steuert der Werker mittels Joystick dessen ­Bewegungen. „Im Zuge der Entwicklung der Joysticks war es wichtig, die Kanäle stufenlos zu programmieren und die Auslenkungsrichtung in einer intuitiven Anordnung für den Betreiber zu gestalten“, erklärt Mohre. Der ­Roboter bewegt sich dabei auf einer vorgegebenen Bahn zu dem Gehäuse, schließt den Greifer und reicht das Bauteil dem Werker. Damit der Ro­boter die vorgegebene Bahn beziehungsweise Bewegungsfahrt nicht ­verlässt, wurden mit Hilfe des Handprogrammiergerätes feste Raumpunkte auf der Kuka-Steuerung einprogrammiert, die ausgehend vom Roboter-Ursprung mittels einer Koordinate definiert sind.

Nun prüft der Arbeiter das Bauteil mittels Kaltlichtlampe auf Fehler. Währenddessen hält der Roboter das rund 30 kg schwere Bauteil sicher in der für den Mitarbeiter optimalen Höhe. Hat der Werker den Prüfvorgang abgeschlossen, fährt er den Roboter samt Gehäuse zurück zum Förderband und legt das Bauteil darauf ab. Beendet ist der interaktive Prüfvorgang mit einem Knopfdruck. Damit dokumentiert der Mitarbeiter, ob das Bauteil ‚in Ordnung‘ oder ‚nicht in Ordnung‘ ist.

Um die Sicherheit des Mitarbeiters bei der direkten Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu gewährleisten, basiert das Anlagenkonzept auf drei voneinander unabhängigen Sicherheitsvorrichtungen:

• einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (Safe-SPS), die auch den Greifer mit seinen Funktionen Auf/Zu-Bewegung, Bremsentest und Bauteil-Erkennung sicher erkennt und steuert;
• einer sicheren Robotersteuerung, die den Roboter nur bestimmte Geschwindigkeiten in definierten Arbeitsräumen ausführen lässt sowie
• einem Zustimmtaster, welcher entsprechend der Roboterproduktnorm in dreistufiger zweikanaliger Technik ausgeführt sein muss.

Einfache Bedienung ein Muss

Für die praktikable Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist darüber hinaus eine einfache Bedienung entscheidend. Bei der Umsetzung wurde darauf geachtet, dass sowohl Rechts- als auch Linkshänder den Roboter einfach steuern können. Dies wurde durch die lineare Anordnung dreier Joysticks auf einer Zweihandbedienung umgesetzt. Damit der Roboter verfährt, müssen immer zwei ‚Joystick-Zustimmer‘ betätigt werden – eine weitere Sicherheitsvorkehrung. Ferner ist die Steuerung des Roboters intuitiv beherrschbar: Drückt oder zieht der Mitarbeiter den Joystick-Griff nach vorne beziehungsweise hinten, bewegt sich der Roboter in eine parametrierte Richtung. Drückt er ihn nach links oder rechts, orientiert sich der Roboter ebenfalls entsprechend um. Über ein Daumenrad kann zudem die Höhenverstellung des Kurbelgehäuses relativ zum Werker vorgenommen werden. Mohre hierzu: „Die Joystick-Steuerung erfolgte mit der Kuka-Echtzeit-Schnittstelle RSI (Anmerkung der Redaktion: RobotSensor Interface). Mit 250 Hz beziehungsweise im Interpolationstakt von 4 ms werden dabei die Signale respektive die Analogkanäle von den Joysticks interpretiert und sodann die entsprechende Roboterbewegung gemäß dem programmierten RSI-Projekt ausgeführt.“

Ausbau der Anlage in Planung

Mittlerweile befinden sich die beiden Anlagen seit dem Jahr 2015 in Betrieb. Zeit um ein Fazit zu ziehen: „Wir konnten die Erwartungen durchweg erfüllen. Die Taktzeiten können eingehalten werden und die Arbeit ist für die Mitarbeiter nun deutlich angenehmer“, sagt Mohre. Jetzt arbeiten er und seine Kollegen sogar an einer Erweiterung der Anlage. Zukünftig sollen nochmal zwei Prüfstände für die Qualitätssicherung errichtet werden, um mit der steigenden Produktion Schritt zu halten.

Sicherheit hat 'Prio 1'

Dr. Albrecht Hohne, Director Human Robot Collaboration bei Kuka Roboter

© Kuka

Wie wird ein Standard-Industrieroboter MRK-tauglich? Dr. Albrecht Hoene, Director Human Robot Collaboration bei Kuka Roboter, gibt Auskunft.

Herr Hoene, was genau macht einen MRK-Roboter aus?
Hoene: Bei MRK steht zunächst die Sicherheit an erster Stelle. Um diese zu gewährleisten, gibt es zwei wesentliche Arten von Kollaboration: die Kollisionsvermeidung und die Kollisionsbeherrschung. Bei der Kollisionsvermeidung muss sichergestellt werden, dass der Roboter sicher zum Stillstand kommt, bevor es zur Berührung mit dem Mensch kommt. Bei der Kollisionsbeherrschung ist darauf zu achten, dass im Falle einer Kollision biomechanische Grenzwerte – wie etwa Kräfte oder Drücke – nicht überschritten werden. Die Grenzwerte wurden von neutraler Stelle in Zusammenarbeit mit Ärzten ermittelt und liegen natürlich in einem Wertebereich, der keine Verletzungen verursacht.

Lässt sich auch ein Standard-Industrieroboter zum MRK-Roboter ‚umrüsten‘?
Hoene: Grundsätzlich ja. Die Kollisions­vermeidung gelingt hier durch Sensoren, die den Zutritt des Menschen in den Arbeitsbereich des Roboters erkennen – zum Beispiel durch sicherheitsgerichtete Kameras, Scanner oder Trittmatten. Diese geben an die Robotersteuerung ein Signal, das den Roboter verlangsamt oder stoppt. Denkbar sind auch Sensoren an der Roboteroberfläche, die auf Annäherung oder Berührung ein entsprechendes Signal an die Robotersteuerung geben. Maßnahmen zur Kollisionsbeherrschung sind Abrunden von Kanten, Vermeidung von extern verlegten Kabeln und Schläuchen oder auch das Abpolstern kritischer Stellen.

Wo liegen die Grenzen, wenn ein Industrieroboter MRK-tauglich gemacht werden soll?
Hoene: Bei der Kollisionsbeherrschung gibt es vier Größen, die Einfluss auf die MRK-Fähigkeit einer Anwendung haben: die bewegte Masse von Roboter und Werkstück, die Bewegungsgeschwindigkeit, die Schärfe von Objekten sowie die Körperteile des Menschen, die mit dem Roboter in Kontakt kommen könnten. Daneben muss bedacht werden, dass mitunter am Roboter montierte Werkzeuge Prozesse ausführen, die einen MRK-Betrieb verbieten. Diese wären zum Beispiel Schweißen, Fräsen oder Löten.