Fällt das Stichwort Industrieroboter, so hat man in der Regel „stählerne Werker" vor Augen, die heute in nahezu allen Produktionsbereichen meist vergleichsweise einfache Montage- und Handhabungsaufgaben beziehungsweise kontinuierlich wiederkehrende Bewegungsabläufe wie etwa Pick-and-Place-Applikationen verrichten. Dabei ist die Robotik heute in der Lage, weit komplexere Aufgabenstellungen zu bewältigen - insbesondere aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Sensoren und der fortschreitenden Entwicklung der Steuerungstechnik.

Eine geeignete Sensorik ermöglicht es dem „intelligenten" Roboter, der anders als ein fest programmierter Automat nicht nur eindeutigen Arbeitsanweisungen folgt, seine Umwelt ähnlich wie ein Mensch wahrzunehmen und auf nicht vorhersehbare Ereignisse und Veränderungen in seiner Umgebung direkt zu reagieren. Kurzum: Sehende, fühlende, tastende und letztendlich sensibel reagierende Roboter sind längst nicht mehr nur ein Forschungsgebiet der humanoiden Robotik, sondern industrielle Realität.

Das Prinzip der Echtzeit-Steuerung: Ein Computer errechnet aus den Sensorsignalen die Bewegungsinformationen und überträgt die Positionsdaten in schneller Folge an die Robotersteuerung.

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Eine Standardprogrammierung, die über Programmzeilen und Positionen die Bewegungsabläufe eines Roboters explizit vorgibt, stößt bei solchen Konzepten jedoch schnell an ihre Grenzen. Sie ist nicht geeignet, um bei komplexeren Aufgaben entsprechend der gemessenen Sensorsignale direkt in den Bewegungsablauf eines Roboters einzugreifen. Für die Steuerung von Industrierobotern ergeben sich daraus zusätzliche Anforderungen.

Um schnell auf wechselnde Situationen reagieren zu können, ist zum Beispiel eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen den Sensoren und der Robotersteuerung unerlässlich. Erreicht der Datenaustausch die Geschwindigkeit des internen Regeltakts der Robotersteuerung, ist von der Echtzeit-Steuerung des Roboters die Rede.

Die Echtzeit-Steuerung versetzt Roboter in die Lage, ihre Bewegungsbahn - oder auch die an ihrem Werkzeug wirkenden Kräfte - erst während der Bewegung in Abhängigkeit der aktuellen Sensormesswerte festzulegen. Dabei setzt die Steuerung die Eingangssignale (Beeinflussungssignale) unterschiedlichster Sensoren - seien es Ultraschall-, Infrarot- und Laser-Abstandssensoren oder auch Kameras sowie Kraft-Momenten-Sensoren - direkt in entsprechende Roboterbewegungen um. Aufgrund der Vielzahl der Sensortypen und Kommunikationsprotokolle bietet sich bei solchen Aufgabenstellungen ein PC als Gateway und Umsetzer für die Sensorsignale in Bewegungen an.

1500 Positionen in 3 Sekunden

Bei einem Regeltakt von 2 ms muss die Robotersteuerung für eine Bewegung von 15 cm in 3 Sekunden 1500 Positionen verarbeiten.

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Im Zuge der Echtzeit-Steuerung errechnet der Computer aus den Signalen die Bewegungsinformationen und überträgt die Positionsdaten in schneller Folge - typischerweise im Bereich von 1 bis 10 ms - an die Robotersteuerung. Für eine kurvenförmige Bewegung des Roboterarms von 15 cm, die innerhalb einer Zeitspanne von 3 s erfolgt, müssen bei einer Taktzeit (Regeltakt) des Roboters von 2 ms zum Beispiel 1500 Positionen an die Robotersteuerung übertragen werden. Rechnerisch ergibt sich daraus eine vektorielle Schrittweite von einer Position zur nächsten von 0,1 mm.

Allerdings berücksichtigt diese stark vereinfachte Darstellung der Funktionsweise keine Beschleunigungsund Bremsrampen bei der Positionierung. Eine Verkürzung der Schrittweite führt zu einer langsameren, eine Vergrößerung der Schrittweite zu einer schnelleren Bewegung des Roboterarms. In Summe lassen sich auf der Grundlage einer solchen Ansteuerung beliebige Rampen fahren und beliebige Konturen, zum Beispiel aus CAD-Daten, berechnen beziehungsweise zur Robotersteuerung übertragen.

Was bringt dies nun konkret in der Praxis? In Bearbeitungsprozessen wie Schweißen, Kleben, Entgraten, Bohren und Fräsen können sensorgeführte Roboter unterschiedlichen Konturen folgen und nahezu beliebige Geometrien bearbeiten. Auch das handgeführte Erlernen von Positionsdaten und Pfaden ist mit dieser Art der Robotersteuerung einfach zu realisieren. Die Unternehmen Battenberg Robotic in Marburg und Systec in Nürnberg nutzen diese Technologie schon seit mehreren Jahren für die robotergestützte Qualitätskontrolle.

Sie rüsten Industrieroboter von Mitsubishi Electric mit verschiedenen Werkzeugen aus und kombinieren diese mit Sensoren und einer herstellerspezifischen Mess- und Auswertungssoftware (RobFlow, Labview) zu einem flexiblen Messsystem. Gemeinsames Funktionsprinzip dieser Robotersysteme ist das zeitgleiche Ausführen von Mess- und Bewegungsfunktionen in Echtzeit.

Funktions- und Dauerprüfungen

Beispiel für die Echtzeit-Steuerung von Industrierobotern: Im Fahrzeuginnenraum simuliert ein Mitsubishi-Roboter die Bedienung von Tastern und Schaltern. Startpunkt, Messpunkte und Bewegungen für den automatischen Prüfablauf werden durch handgeführtes Programmieren von Positionen und Bahnkurven festgelegt.

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Ein Beispiel: Bei Funktions- und Dauerprüfungen von Bedienelementen wie Schalter, Taster oder Drehregler kommen Kraft-Drehmoment-Sensoren zum Einsatz, die zwischen dem Roboterhandflansch und dem Werkzeug angebracht werden. Der Sensor misst während der Bewegung des Roboterarms die Kräfte und Drehmomente, die eine Tastspitze oder ein Greifer auf einen Schalter oder einen Drehsteller ausüben, und sendet diese Daten an einen Computer. Zusammen mit den aktuellen Positionen werden sämtliche Daten aufgezeichnet und für die nachfolgende Auswertung bereitgestellt.

In einem von Battenberg entwickelten Verfahren erfolgt die Roboterprogrammierung für den Prüfablauf nicht im herkömmlichen Teach-In-Verfahren, sondern durch handgeführtes Programmieren. Der Anwender führt den Roboter mit der Hand auf der gewünschten Bahnkurve, die gleichzeitig aufgezeichnet wird, und auf die Positionen, die der Roboter später auf dem Prüfobjekt als Start- und Messpunkte anfahren soll. Dazu sind keine Programmierkenntnisse erforderlich. Die Prüfung selbst erfolgt später automatisch mittels des im Programm festgelegten Prüfablaufs.

Durch die Kombination von Echtzeit- Steuerung, Robotertechnik, Sensorik sowie Software konnten Battenberg Robotic und Systec speziell auf dem Gebiet der haptischen Prüfung erhebliche Fortschritte erzielen. So erlaubt es die Messrobotik heute bereits, das subjektive Gefühl beim Bedienen von Schaltern, Hebeln und Tastern in reproduzierbare Zahlen zu fassen. Vor allem in der Automobilindustrie ist das Interesse groß, objektiv messbare Bewertungskriterien wie Betätigungswege, Druckpunkt und taktile Rückmeldung am Schalter als verbindliche Qualitätsstandards festzulegen. Auch Dauertests sind ein ideales Feld für die robotergestützte Messtechnik. In nur wenigen Tagen lässt sich damit der gesamte Lebenszyklus eines Bedienelements simulieren.

Sensorgeführtes Schweißen

Robotergestützte Messtechnik erlaubt es heute, das subjektive Empfinden bei der Prüfung von Bedienelementen in objektive, reproduzierbare Zahlen zu fassen. Der Wechsel der Sensoren für die Haptikprüfungen erfolgt zum Teil bereits automatisch.

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Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Echtzeit-Steuerung ist das sensorgeführte Schweißen. So hat das Unternehmen APT Automation und Produktionstechnik in Bienenbüttel eine vollautomatische Anlage zum Schweißen nichtrotationssymmetrischer Werkstücke entwickelt. Das System mit Namen GeniaWeld verschweißt zum Beispiel Fahrzeugkatalysatoren, Rechteckrohre und Werkstücke mit ovalem Querschnitt in einer einzigen Drehtischaufspannung. Ein Sechs-Achsen-Knickarmroboter vom Typ Melfa RV- 12SL mit zwölf Kilogramm Traglast und bis zu 1385 mm Reichweite (ohne Schweißbrenner) ist eine zentrale Komponente der Anlage.

Das auf einem Drehtisch aufgespannte Werkstück wird während einer schnellen 360°-Drehung mittels eines am Roboterarm angebrachten Laserabstandssensors innerhalb weniger Sekunden berührungslos vermessen. Dieser korreliert die aus diesen Daten ermittelten drehwinkelabhängigen Radien und Tangenten des Werkstücks mit den Einstellungen für Brennerwinkel und -abstand und übermittelt die entsprechenden Roboterpositionen für den nachfolgenden Schweißprozess an die Robotersteuerung.

Während des Schweißvorgangs kann der Bediener jederzeit in den laufenden Prozess eingreifen und zum Beispiel die Position der Schweißnaht, die Schweißgeschwindigkeit, den Brennerabstand und den Winkel der Schweißspitze verändern. Die Eingabe dieser und weiterer Betriebsparameter, wie etwa Drahtvorschub und Schweißstrom, erfolgt über Joystick und Drehpotentiometer am Bedienpult der Anlage.

Neben Unternehmen wie Battenberg, Systec und APT, die sich schon heute auf die Nutzung der Echtzeit-Steuerung von Industrierobotern spezialisiert haben, forschen aktuell Hochschulen wie die Technische Universität München in Richtung neuer Möglichkeiten, um Robotersysteme mit Hilfe der Echtzeit-Steuerung „intelligenter" zu machen.

Autor: Reiner Hänel ist Senior Product Manager Automation Systems - Robot bei Mitsubishi Electric Europe in Ratingen.