Tätigkeiten, in denen kognitive Fähigkeiten erforderlich sind, lassen sich bislang nicht oder nur mit extrem hohem Investitionsaufwand automatisieren. Man denke beispielsweise an Aufgaben wie Schleifen oder Polieren von 3D-Metalloberflächen. Während für den Menschen leicht erkennbar ist, ob das Schleifbild den gewünschten Anforderungen entspricht oder punktuelle Nacharbeit erfordert, stellt dies für den Roboter eine kaum lösbare Aufgabe dar. Neben einem homogenen Schleifbild ist eine hohe Oberflächengüte ein weiteres Qualitätsmerkmal in der Oberflächenbehandlung.

Ausschlaggebend dafür ist eine sehr konstante Kraftaufbringung auf dem Werkstück. Zudem müssen Werkstücktoleranzen, die in Folge von prozessbedingten Fertigungsschwankungen auftreten, vom Roboter erkannt und in der Bahnplanung berücksichtigt werden. Heute übliche Kraftmessdosen, die zwischen Roboterwerkzeug und Roboterflansch montiert sind, tragen diesen hohen Anforderungen meist nicht Rechnung. Der Grund: Die Sensorik der Kraftmessdose misst die auf den Roboterflansch einwirkenden Kräfte in allen drei Dimensionen. Die Differenz zwischen Soll- und Istkraft wird in der Robotersteuerung ausgewertet und führt schließlich zu einem Korrektur-Offset für die vorprogrammierte Roboterbahn.

Für den Regelzyklus bedeutet dies ein ständiges Regeln des gesamten Roboterarmes, welches sich in großen Zeitkonstanten im Bereich von rund 200 ms bezogen auf eine Robotertraglast von 30 kg niederschlägt. Das nichtlineare Verhalten des Roboters durch den seriellen Aufbau der einzelnen Robotergelenke verstärkt diesen Effekt zusätzlich. Diese Nachteile wirken sich besonders in der Kontaktphase des Roboters mit dem Werkstück negativ aus. Es kommt unweigerlich zu Spitzen in der Anpresskraft, da die Kraftregelung beim Eingreifen träge ist.

Diese ständigen - wenn auch nur geringen - Schwankungen in der Anpresskraft führen letztlich zu einer Verringerung der Oberflächenqualität und -güte. Hinzu kommt, dass für die Berechnung der Sensordaten aus der Kraftmessdose ein zusätzlicher Controller erforderlich ist. Dieser ist über Feldbus-Systeme an die Robotersteuerung zu koppeln, in der die Daten schließlich im Roboterprogramm berücksichtigt und verarbeitet werden.

„Luftmuskeln“ regeln die Anpresskraft

Der aktive Kontaktflansch besteht aus zwei ISO-Anschlussflanschen – einer für den Roboter-TCP und einer für das Werkzeug –, die durch einen Faltenbalg von rund 10 cm Länge verbunden sind. Der Faltenbalg schützt das sensible technische Innenleben vor Verschmutzung und anderen Umwelteinflüssen.

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Mit dem Ziel, die Restriktionen bisheriger Lösungen zu umgehen, hat Keba daher den „aktiven Kontaktflansch" entwickelt. Im Gegensatz zu der rein sensorbasierten Technologie der Kraftmessdose handelt es sich dabei um eine neue Kombination eines Sensors mit einem Aktor. Die Aktorik besteht aus pneumatischen Luftmuskeln und kann selbstständig Schwankungen in der Anpresskraft bis zu einem Maximalwert von 500 Newton ausgleichen, ohne dass die Robotersteuerung bahnkorrigierend eingreifen muss. Der untere Grenzwert liegt bei rund 3 Newton. Zum Vergleich: Gängige Kraftmessdosen kommen in puncto Sensibilität auf etwa 20 Newton - also auf den rund siebenfachen Wert!

Montiert wird der aktive Kontaktflansch, der zugleich berührungssensitiv und kraftgeregelt ist, ebenfalls zwischen Werkzeug und Roboterflansch. Der per Pneumatik geregelte Kontaktflansch besitzt einen maximalen Hub von 40 mm. Der dafür erforderliche Regel-Algorithmus wird im SPS-Teil der KeMotion-Robotersteuerung als zusätzliche Technologie-Option zyklisch ausgeführt. Über analoge Signale erfolgt sowohl die Vorgabe der Sollkraft als auch der Neigung des Flansches zur Berücksichtigung von statischen Kräften. Dadurch reduziert sich der Regelkreis im Vergleich zur Kraftmessdose auf ein erforderliches Minimum. Lediglich das Werkzeug und der Kontaktflansch werden nun aktiv anhand der gemessenen Kontaktkraft geregelt.

Die zu bewegende Masse beträgt in diesem Fall nur wenige Kilogramm verglichen mit der gesamten Robotermasse von etwa 250 kg. Dies ist gleichbedeutend mit schnelleren Regelzyklen und folglich einer verbesserten Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstücke. Zudem liegen einfachere lineare Regel-Algorithmen vor, welche eine exaktere Posi-vertionierung ermöglichen. Über die gesamte Roboterbahn ist damit eine Genauigkeit in der Anpresskraft von einem Newton gewährleistet. Zur optimalen Einstellung des Arbeitspunktes lässt sich zusätzlich die aktuelle Auslenkung des Hubes für etwaige Bahnkorrekturen in der Robotersteuerung verwenden.

Roboter folgt nicht starr einer Bahn

In der linken Darstellung mit der Kraftmessdose (KMD) befindet sich der Roboter innerhalb der Regelschleife. Folglich muss zur Korrektur der gesamte Roboterarm und damit eine große Masse ausgeregelt werden. Beim aktiven Kontaktflansch (AKF) in der rechten Darstellung reduziert sich die zu regelnde Masse auf das Roboterwerkzeug. Der Regelkreis weist dadurch wesentlich geringere Zeitkonstanten auf.

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Ein wesentlicher Aspekt bei der Oberflächenbehandlung ist die Kontaktphase, in der der Roboter erstmals an der Werkstückoberfläche ansetzt. Diese ist beim Kontaktflansch über eine initiale Kontaktkraft und eine Kontaktrampe umfassend konfigurierbar. Damit wird nicht nur ein Überschwingen vermieden, sondern auch eine Reduktion von Vibrationen erreicht, welche die Werkstückeigenschaften negativ beeinflussen würden. Ein weiteres Einsatzfeld des aktiven Kontaktflansches sind Klebe- oder Füge-Applikationen.

Diese erfordern eine direkte Kraftmessung am Roboter-TCP (Tool Center Point), wie sie im Technologiepaket des aktiven Kontaktflansches enthalten ist. Zudem besteht die Möglichkeit einer vollständigen Qualitätsrückverfolgung und Reproduzierbarkeit im Produktionsprozess anhand der verfügbaren Sensordaten. Dadurch erübrigt sich eine separate Prozess- und Qualitätskontrolle. Was die Kosten betrifft, so liegt die Kontaktflansch-Technologie bei rund 50 % der Kosten von vergleichbaren Kraftmessdosen. In puncto Software-Integration profitiert das geschilderte Verfahren zusätzlich von der Kombination einer Roboter- und Prozesssteuerung auf einer Hardware, wie es bei der KeMotion-Robotersteuerung der Fall ist. Eine bei üblichen Industrierobotersystemen erforderliche Prozess- beziehungsweise Technologie-SPS - oder auch der Controller für die Kraftmessdose - entfallen damit komplett.

Die dafür notwendigen Algorithmen lassen sich entweder als C/C++-Module in die Echtzeit-Bereiche der Steuerung integrieren oder als Applikationscode gemäß IEC 61131 ausführen. Prozessrelevante Befehle können dabei bis in die Anwendungsschicht der Roboterprogrammierung als zusätzliche Makros geführt werden. Im Klartext bedeutet das, dass sich der Standardbefehlssatz der Steuerung einfach um Technologie-Optionen wie Schleifen oder Polieren erweitern lässt. Anders ausgedrückt: Der komplette Schleif- oder Polierprozess ist auf einem Steuerungssystem realisierbar, womit eine aufwendige und fehleranfällige Synchronisierung mehrerer Systeme entfällt. Durch die zentrale Verfügbarkeit aller prozessrelevanten Parameter, wie Schleifmittelverschleiß oder Bandspannung sowie der Verarbeitung der gesamten Steuerung und Visualisierung von Prozess- und Anlagenparameter auf einem System, lässt sich die Prozessqualität zusätzlich verbessern.

Die Kombination von Prozess und Bewegung bedeutet auch, dass sich die Auslenkung des aktiven Kontaktflansches als Eingangsgröße für ein toolgeführtes Tracking des Roboters verwenden lässt. Somit folgt der Roboter nicht starr der einprogrammierten Bahn im Bezugssystem, sondern das Bezugssystem wird durch die Auslenkung des Kontaktflansches zusätzlich geändert. Damit ist ein optimaler Arbeitspunkt erreichbar und die Rückführung hat letztendlich eine wesentlich einfachere Programmierung der Roboterbahn zur Folge.

Bedienen wie eine Wii

Die Kontaktflansch-Technologiebibliothek wird als C-Modul in das Echzeit-Basissystem der Robotersteuerungslösung integriert (unten). Im IEC-Laufzeitsystem steht ein API in Form einer SPS-Bibliothek zur Verfügung (links). SPS und Robotersteuerung tauschen über gemeinsam genutzte Speicherbereiche Informationen und Kommandos aus. Dadurch stehen dem Anwender zusätzlich zu den gewohnten Programmierbefehlen die technologiespezifischen Befehle für den aktiven Kontaktflansch zur Verfügung, die er nahtlos in seinem Roboterprogramm verwenden kann (rechts).

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Um den Roboter flexibel als Werkzeugmaschine einsetzen zu können, ist neben der sensiblen Werkzeugtechnologie eine Weiterentwicklung der Roboter- Bedienphilosophie erforderlich. Prozessspezifische HMIs sind bereits ein erster Ansatz, die Bedienfreundlichkeit von Robotersystemen zu verbessern. Das bedeutet: Der Bediener wird am Bildschirm nur mit den Informationen versorgt, die für seinen Arbeitsprozess relevant sind; komplexer Programmcode und Unmengen von Systemvariablen hingegen werden ausgeblendet. Dennoch stellt das Verfahren des Roboters für viele Bediener eine heikle Aufgabe dar. So müssen sie den Roboter aus Fehlersituationen ohne Kollision präzise herausmanövrieren. Auch das Online-Teach-in - etwa das Einrichten der Werkstücke am Werktisch - wird trotz aller Offline-Programmierumgebungen nicht vollständig ersetzbar sein.

Alles in allem also eine herausfordernde Aufgabe für das Bedienpersonal. Bediengeräte, wie sie für Spielkonsolen à la Wii & Co. zum Einsatz kommen, zeigen uns hier neue Möglichkeiten auf: Inertialsensoren werden in mobile Bediengeräte verpackt und dienen als Tennis-, Golf- und Baseballschläger.

Diese Entwicklung hat sich Keba zum Vorbild genommen und mit dem „KeTop P10 DirectMove" ein Pointer-ähnliches Gerät zum intuitiven Verfahren von Robotern entwickelt. Die Handbewegung des Roboterbedieners wird dabei ebenfalls von Sensoren aufgenommen, wodurch sich auf die geometrische Stellung der Bedienerhand im Raum schließen lässt. Neben den Winkel- und Linearbeschleunigungen werden zusätzliche Sensordaten wie Temperatur- und Gravitationsmesswerte in die Berechnung mit aufgenommen. Damit ist die Sensordrift, welche durch die Integration der Beschleunigung verstärkt wird, auf eine Minimum reduzierbar. Die berechnete Raumstellung des Pointers dient in der Folge als Vorgabe für die Bewegungsrichtung des Roboters.

Zeigt man mit dem Pointer in Richtung Maschine und drückt den Joystick nach vorne, so bewegt sich der Roboter- TCP auch in Richtung Maschine. Soll er sich in eine andere Richtung bewegen, so zeigt man einfach dorthin. Wird die Taste losgelassen, bleibt der Roboter stehen. Auf den Punkt gebracht: Mit dem neuen Bediengerät in der Hand kann der Anwender künftig dem Roboter die Bewegungsrichtung einfach vorgeben. Per Knopfdruck lassen sich zusätzlich alle Orientierungs-Achsen durch einfache Rotation des Handgelenkes bewegen und ausrichten.

Der Bediener greift dabei quasi virtuell den Roboter- TCP und dreht alle Achsen in die gewünschte Ausrichtung. Erste Versuche haben gezeigt, dass auf diese Weise gegenüber traditionellen Teach-in-Konzepten rund 10 bis 20 % Zeitgewinn möglich sind - und dies selbst bei erfahrenen „Teachern".

Autor: Harald Kampenhuber ist Produktmanager Industrial Automation bei Keba, Linz (A).

Neue Technologien – neue Anwendungsfelder

Die sensible Flanschtechnologie in Kombination mit neuen Bedienphilosophien senken die Einstiegshürden in die Robotik und ermöglichen deren Einsatz auch in Bereichen, wo es bisher keine oder nur wenig Automatisierung gibt.

Ein Beispiel hierfür ist der Herstellungsprozess von Sanitärporzellan. Ein Waschbecken wird typischerweise im Gießverfahren hergestellt. Nach dem Trocknen und der Entnahme aus der Gießform ist eine Oberflächenbehandlung erforderlich. Feine Poren im Ton werden durch einen Schwamm geschlossen und etwaige Grate, die durch die Gießform entstehen, entfernt. Die bisher rein manuelle Tätigkeit erfordert ein Feingefühl an Kraft, die konstant über die gesamte Oberfläche aufgebracht werden muss. Zudem stellt jedes Waschbecken genau genommen ein Unikat dar: Aufgrund von kleinen Verformungen im weichen Ton war der Einsatz von Robotern hier bislang unmöglich.

Die sensible Flanschtechnologie erfüllt erstmals die Anforderungen dieses Arbeitsprozesses. Die Anpresskraft des Roboters sowie alle anderen relevanten Prozessparameter werden zentral in einem Steuerungssystem verarbeitet und garantieren eine optimaleWerkstückqualität. Dank der intuitiven Einrichtmethoden, die das KeTop P10 bietet, kann der Bediener auch ohne detaillierte Roboter-Bedienkenntnisse Werkstücke einlernen. Künftig ist sogar die Interaktion mit einem Teach-in-Assistenen am mobilen Handbediengerät denkbar: Der Bediener richtet mit einem HMI-gestützten Assistenten seine Arbeitsumgebung ein, die Robotersteuerung erstellt im Hintergrund das Bearbeitungsprogramm und kann anschließend vollautomatisch das eben „programmierte"Werkstück bearbeiten.

Sehr kritisch ist darüber hinaus noch der Beund Entladeprozess von Spritzgussmaschinen. Das Einlegen von Labels oder Einlegeteilen in die Spritzgussform erfordert hohe Präzision. Bisher geht diese auf Kosten der Zykluszeit, was letztlich die Produktivität der Anlage reduziert. Mit dem aktiven Kontaktflansch lassen sich diese Teile schneller einlegen, da die Robotersensibilität kritische Kraftspitzen in der Kontaktphase vollständig ausgleicht und ein Überschwingen des Roboters komplett vermeidet. Nicht zuletzt wird der Teile- und Formschutz verbessert, was die wertvolle Zykluszeit zusätzlich reduziert.