Primär in der Automobil-Endmontage, aber auch in anderen produzierenden Unternehmen ist es aktueller Stand der Technik, Montagearbeiten an einem kontinuierlich bewegten Objekt manuell durchzuführen. Diese Form der Montage bietet eine Vielzahl von Vorteilen, wie die Vermeidung von Taktzeitverlusten und damit die Reduktion von Durchlaufzeiten, die Verringerung der zeitlichen und örtlichen Bindung des Mitarbeiters und die Erhöhung der Reaktionsfähigkeit auf variantenbedingte Schwankungen der Montageumfänge. Von Nachteil sind die hohen Kosten der manuellen Arbeit sowie die ergonomischen Einschränkungen beim Handling schwerer Teile.

Automatisierte Montagesysteme sind hier im Vorteil, denn sie unterliegen geringeren Einschränkungen bezüglich Größe und Gewicht der Bauteile und gewährleisten eine gleich bleibend hohe Qualität. Allerdings: Bei der Automatisierung von Montageprozessen in Fließmontagelinien muss das Produkt – im Beispiel des Automobilbaues also das Fahrzeug – prozessbedingt in aller Regel aus der Fließlinie ausgeschleust und taktgebunden, sprich im Stillstand, montiert werden. Grund hierfür ist die mangelnde Synchronisation von Roboter und Fördereinrichtung im Fließbetrieb, wodurch die erforderliche Positionier-Genauigkeit von etwa zwei Zehntel Millimetern nicht mehr gewährleistet ist. Wegen der zum Austakten notwendigen Puffer- und Beschleunigungsbereiche sinkt somit die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme in Fließmontagelinien. Darüber hinaus weisen automatisierte Anlagen eine geringere Flexibilität, beispielsweise bezüglich schwankender Stückzahlen oder Produktvariationen, auf.

Am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München wurde daher die Idee geboren, die Vorteile beider Konzepte – der manuellen und der automatisierten Montage – auszuschöpfen und ein neuartiges System zur automatisierten Montage vorzugsweise schwerer Lasten an kontinuierlich bewegte Objekte zu entwickeln. Die Umsetzung des Projektes „Montage in Bewegung“ erfolgte zusammen mit den Industrie-Partnern EST (Schraubtechnik), der BMW-Gruppe, dem Roboter-Hersteller Kuka, der Firma Sturm Maschinenbau, dem Bildverarbeitungs-Anbieter Quiss und dem Greiftechnik-Spezialisten Schunk sowie unter Mitarbeit des Institutes für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Ergebnis der dreijährigen Arbeiten ist ein am iwb-Anwenderzentrum in Augsburg entstandenes Robotersystem, das eine exakte Bewegungssynchronisation zwischen Basisund Fügebauteil während des Fließbetriebes gewährleistet und somit eine förderbandsynchrone Montage zulässt. Konkret werden bei dieser Demonstrationsanlage Räder an ein Fahrzeug montiert, das von einer Elektrohängebahn geführt wird. Die prototypische Umsetzung deckt dabei den kompletten Prozessablauf ab – von der Zuführung des Rades über die Erkennung des Fahrzeuges, die Positionierung und Drehung des Rades sowie die Synchronisation bis schlussendlich hin zur Montage.

Die Herausforderungen

Eine der zentralen Herausforderungen des Projektes war der Umgang mit den Ungenauigkeiten im Laufverhalten des Förderbandes. Diese resultieren aus den Antriebskomponenten und dem zum Teil hohen Lagerspiel der Fördersysteme. Darüber hinaus fördern prinzipbedingte Konstruktionen das Schwingen des Produktes während des Transportes. So neigen beispielsweise Hängeförderer zu einem pendelartigen Schwingen um die Förderachse. Bei Plattenbandförderern kann das Betreten des Förderers durch Menschen während des Montageprozesses zu massiven Positionierungenauigkeiten aufgrund sich ständig ändernder Massenträgheiten führen. Die bezeichneten Toleranzen und Schwingungen summieren sich zu Positionsabweichungen von bis zu mehreren Millimetern beziehungsweise Grad in allen sechs Raumfreiheitsgraden.

Die Konzeptmerkmale

Translatorische Positionsabweichungen von Plattenbandförderern (a) und Elektrohängebahnen (b): Bei beiden Arten von Fördersystemen sind die Positionsschwankungen so groß, dass eine ungeregelte Montage nur aufgrund der mittleren Position des Produkts nicht möglich ist.

Um eine roboterbasierte Montage am bewegten Band zu ermöglichen, galt es daher, ein geeignetes Synchronisationsprinzip zu erarbeiten. Das erste Merkmal in diesem Zusammenhang ist die Synchronisation des Roboters mit dem Montageort am Produkt. In allen bisherigen Entwicklungsansätzen wurde lediglich die Geschwindigkeit des Förderhauptsystems erfasst und für die Steuerung oder Regelung des Roboters verwendet.

Die erwähnten Schwingungen, welche teilweise erst im Fördersystem oder gar erst am Produkt auftreten oder dort angeregt werden, sind mit diesem Ansatz jedoch nicht zu erfassen. Also ging man bisher davon aus, dass die im System auftretenden Schwingungen zu geringeren Positionsabweichungen führen, als die für den Prozess erforderliche Positioniergenauigkeit. Eine Annahme, die so nicht zutrifft, wie in Bild 1 unschwer zu erkennen ist.

Die dort aufgezeichneten Abweichungen von einer gleichmäßigen Bewegung des Produkts liegen in allen Raumrichtungen im Bereich von 1 bis 2 mm, erfüllen die Anforderungen also bei Weitem nicht. Das am iwb verwendete Synchronisationsprinzip wählt daher einen anderen Ansatz und berücksichtigt alle auftretenden Schwingungen des Teiles, an dem die Montage erfolgen soll. Voraussetzung hierfür ist die Integration der notwendigen Sensorik direkt im Roboterwerkzeug, also in unmittelbarer Prozessnähe.

Das zweite Konzeptmerkmal ist die Trennung der auftretenden Schwingungen in niedrigfrequente und somit regelbare Schwingungen und hochfrequente Schwingungen, die toleriert werden müssen. Eine solche Trennung ist notwendig, da Roboter über eine limitierte Regelungsbandbreite verfügen. Diese resultiert aus einer Vielzahl von Faktoren, wie dem Steuerungstakt und der Trägheit des Roboterarms. Mit derzeit verfügbaren Robotern der verwendeten Traglast von 180 kg sind Frequenzen von maximal 1 bis 3 Hz in Abhängigkeit von der Amplitude direkt regelbar.

Dieser Wert wird sich in den kommenden Jahren durch Weiterentwicklung der Robotertechnik zwar erhöhen, dennoch bleibt auch künftig ein großer, nicht regelbarer Frequenzbereich bestehen. Glücklicherweise führen die hochfrequenten Schwingungen zu nur geringen Abweichungen unter einem Millimeter. Um mit den hohen Frequenzen umgehen zu können, ist es notwendig, passive Elemente zum Ausgleich nicht regelbarer Positionsabweichungen vorzusehen. Diese Elemente sind vorzugsweise direkt im Greifwerkzeug zu integrieren, um die Trägheit der hochfrequent bewegten Massen so gering wie möglich zu halten.

Das dritte Merkmal ist die Verwendung eines speziellen Ablaufes, um eine systematische und immer feiner werdende Annäherung bis zum mechanischen Kontakt zwischen Roboter und Montagehauptkörper zu ermöglichen. Die einzelnen Phasen dieses Ablaufes sind:

• Grobpositionierung: Sie ist nötig, um einen Startpunkt für die folgende Annäherungsphase zu erreichen.
• Annäherung: Die Regelung der Annäherung des Roboters an den Montageort erfolgt mittels berührungsloser Sensorik wie einer Kamera mit dazugehöriger Bildverarbeitung.
• Kontakt: Der Montageprozess ist durch den mechanischen Kontakt zwischen Montagehauptkörper und Robotersystem gekennzeichnet. Dabei sind Geschwindigkeitsschwankungen und andere Schwingungen des Montagehauptkörpers auszuregeln; zumindest sofern sie über den Nachgiebigkeitsbereich des Sensors hinaus gehende Auslenkungen verursachen würden.

Die eingesetzte Sensorik

Während der Phase der Grobpositionierung sind einfache Positionssensoren erforderlich. Diese erfassen, wann ein Basisbauteil den Montagebereich erreicht hat und eine genauere Lagebestimmung durch andere Sensoren möglich ist. Dazu lassen sich die zur bisher üblichen Synchronisation von Roboter und Fördereinrichtung vorgesehenen Sensoren einsetzen, beispielsweise ein Encoder an der Fördereinrichtung. Da die Messung an der Laufkatze der Elektrohängebahn stattfindet und es hier zu Fahrzeugschwingungen kommt, sind in dieser Phase nur Genauigkeiten von 1 bis 2 mm zu erreichen.

Synchronisationsprinzip der Montage in Bewegung: Die Ist-Position von Produkt und Roboter wird erfasst und zur Regelung des Roboters verwendet. Dadurch lassen sich auch die Störungen erfassen, die direkt auf den Montagehauptkörper wirken.

Während der Annäherungsphase des Anbauteils an das Basisbauteil erfolgt die Lagebestimmung berührungslos, etwa durch ein Bildverarbeitungssystem oder einen Laser-Scanner. Besonders vorteilhaft ist eine vom Roboter geführte Kamera, da in diesem Fall bei vielen Aufgaben eine verdeckungsfreie Anordnung in der Nähe des bewegten Montageortes gewählt werden kann.

Für die beschriebene Anwendung bietet sich eine Kamera an, die durch das in jeder Felge vorhandene Achsloch auf die Radnabe blickt. Diese Anordnung erlaubt die Ermittlung der Orientierung des Rades, was sowohl bei der Montage als auch bei der vorangegangenen Radaufnahme erforderlich ist. In der Kontaktphase ist sowohl eine passive Nachgiebigkeit als auch Sensorik nötig. Eine zwischen Roboterflansch und Werkzeug durch Federn und Dämpfer eingebaute Nachgiebigkeit mildert einen durch Mess-Ungenauigkeiten oder Regelfehler verursachten ruckartigen Übergang zwischen Annäherungs- und Kontaktphase und gleicht hochfrequente Störungen der Fördereinrichtung aus. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn mehrere Roboter am selben Fahrzeug gleichzeitig montieren.

Adaptierte Roboterregelung kompensiert Schleppfehler

Bei nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensoren (KMS) erfolgt zunächst eine Messung der translatorischen und rotatorischen Auslenkungen des Sensors. Während hieraus normalerweise die angreifenden Kräfte und Momente berechnet werden, gibt die Lösung des iwb die Auslenkung direkt als Messwert aus. Die Regeldifferenz wird somit – wie bei der berührungslos messenden Sensorik – durch Positionsdifferenzen und Rotationen repräsentiert.

Daraus ergeben sich bei der Nachführung von Robotern diverse Vorteile, da übliche Robotersteuerungen Positionen und Orientierungen mit hoher Bandbreite regeln, während Kräfte und Momente nur durch zusätzliche, langsam abgetastete Regler verarbeitet werden. Außerdem ist keine Kalibrierung des Sensors in Kraft- und Momentenwerte erforderlich.

Endeffektor mit integrierten Sensor- und Aktorsystemen: Selbst wenn zwischen den Greiferstäben ein Rad gehalten wird, hat die Kamera doch freien Blick durch das Achsloch auf die Radnabe. Der gesamte Endeffektor ist durch einen nachgiebigen Kraft-Momenten-Sensor mit dem Roboter verbunden, so dass hochfrequente Auslenkungen des Rades bezüglich des Roboters passiv ausgeglichen werden.

Zur Nachführung des Roboters entsprechend den Sensordaten wurde die Robotersteuerung um eine adaptive Vorsteuerung ergänzt. Diese erlaubt es nach kurzer Adaptionsphase, vorgegebene Bahnen zeitlich korrekt – also ohne Schleppfehler – abzufahren. Voraussetzung ist lediglich, dass die jeweils nächsten Bahnpunkte im Voraus bekannt sind.

Dadurch sind auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten des Roboters Positions- und Orientierungsabweichungen von unter einem Millimeter beziehungsweise unter einem Grad erreichbar. Bei den im Montageprozess vorgesehenen Montageschrägen ist dies ausreichend für ein zuverlässiges Fügen der Teile. Außerdem werden bei so geringen Regelfehlern während der Kontaktphase durch die im Sensor vorhandene Nachgiebigkeit unzulässig große Kräfte und Momente verhindert.

Die Robotersteuerung beruht also, wie generell üblich, auf einer Positionssteuerung, wobei hier die Ermittlung der Sollpositionen oder Soll-Orientierungen während der Bewegung auf der Grundlage der Sensordaten erfolgt. Mit der Kenntnis der Ist-Position des Roboters wird aus den Sensorwerten zunächst die Lage des Montagehauptkörpers berechnet. Relativ dazu ist die gewünschte Roboterbewegung definiert. Ein dynamisches Modell des Montagehauptkörpers und der Förderanlage erlaubt die für eine genaue Bahnsteuerung erforderliche Vorhersage der jeweils nächsten Bahnpunkte.

Aufgrund der positiven Resonanz seitens der Automobilindustrie werden die beteiligten Projektpartner das System bis zur Serienreife weiterentwickeln. Die wichtigsten Themenstellungen auf dem Weg dahin sind die Standardisierung der Schnittstellen, die Erhöhung der Prozesssicherheit und die Überarbeitung der Software, so dass sich auch neue Anwendungen leicht programmieren lassen.

Autoren

Dr. Friedrich Lange ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Jochen Werner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München.