Von Gerd Trommer

Das manuelle Bearbeiten von Metallgussteilen oder auch „Gussputzen“ ist bis heute eine gesundheitsschädliche, arbeits- und kostenintensive Tätigkeit. Ähnlich widrige Bedingungen gelten häufig beim Arbeiten mit sonstigen Metallen und anderen Werkstoffen. Sowohl technischen wie humanen Fortschritt bedeutet es deshalb, wenn Roboter dem Menschen solche Tätigkeiten abnehmen.

Um den Roboter für diese Arbeiten vorzubereiten, mussten Programmierer bislang eine kosten- und zeitintensive Prozedur absolvieren: Komplexe Pfade fehlerlos zurückzulegen oder sich in Abhängigkeit von Faktoren wie Verfahrgeschwindigkeit und Werkzeugleistung richtig zu verhalten, hat der stählerne Handlanger aufwendig zu „lernen“. Während des Bearbeitens hält der programmierte Roboter dann jedoch die jeweiligen Parameter konstant – völlig unabhängig von den konkreten, gegebenenfalls abweichenden Eigenschaften des einzelnen Werkstückes.

Vergleich der wichtigsten Kriterien zwischen konventionellem Bearbeiten und Lösungen mit Funktionen des auf einer Kombination von intelligenter Software und Sensorik basierenden Konzeptes „Force Control (FC) Machining”œ von ABB.

Eine wesentliche Basis zum Lösen des Problems bildet beispielsweise die Funktion „Automatic Path Learning“, die ABB aus der Anwenderpraxis heraus realisiert hat. Im Unterschied zum konventionellen aufwendigen Prozess, bei dem die Pfade manuell exakt eingegeben werden, führt der neue Weg schneller und einfacher zum Ziel – und zwar wie folgt: Manuell führt der Bediener den Roboter lediglich annähernd zu den Punkten im Raum, die den relevanten Arbeitspositionen entsprechen. 

Dabei sind Toleranzen von einigen Millimetern zulässig. Über die Bedienoberfläche (GUI – Graphic User Interface) instruiert der Bediener anhand grafischer Symbole den Roboter beziehungsweise sein Programm. In einem zweiten, dem wesentlichen Schritt erkennt der Roboter selbstständig und adaptiv die tatsächlich benötigten Positionen: Der Roboterarm bewegt sich jetzt eigenständig und „lernend“ auf der Bauteilkontur entlang (Automatic Path Learning). So sind in wenigen Minuten selbst hochkomplexe Pfade erstellt und können sofort abgefahren werden.

Feinfühlig im Umgang mit dem Werkstück

Durch innovative Programmierfunktionen ergeben sich künftig neue Möglichkeiten wie kürzere Programmier- und Zykluszeiten, Lokalisieren von Pfadabweichungen, Anpassen an Bauteilgegebenheiten, höhere Prozesssicherheit oder auch voraussagbarer Werkzeugverschleiß, so zum Beispiel beim Entgraten und Putzen von Gussteilen (siehe Bild).

Das „blinde“ Folgen einer einmal programmierten Bahn kann aufgrund vorhandener Toleranzen oder unvorhergesehener Widerstände zu erheblichen Problemen führen. Störungen wie beispielsweise das Abschalten des Roboters wegen Überlastung seiner Servomotoren, Werkzeugbruch oder Beschädigen des Werkstücks sind gängige Folgen. Um solche Risiken auszuschließen, fährt man die Systeme meist mit deutlich reduzierter Geschwindigkeit – und schränkt so deren Produktivität stark ein. Hier setzt eine weitere Funktion an – genannt „FC Pressure“.

Sie sorgt beim Bearbeiten für einen konstanten Druck des Werkzeugs auf die Werkstück-Oberfläche. Die Vorgaben beziehungsweise Grenzwerte richten sich nach dem Arbeitsprozess und Werkstoff: Schleifen oder Fräsen von Angüssen und Graten, Polieren der Oberfläche von Metallguss- oder Kunststoffteilen, Fräsen, Bohren und Schleifen von Verbundmaterialien oder anderen Werkstoffen.

In jedem Bearbeitungsprozess erfasst die Software über den am Roboterflansch integrierten Kraftsensor die Istkräfte und gleicht sie mit der Sollvorgabe ab. Bei stets gleichmäßigem Kontaktdruck ändert sie die vorgegebenen Pfade adaptiv, falls diese vom Musterwerkstück aus dem Pfad-Lernvorgang abweichen. Dies stellt sicher, dass das Werkzeug immer an der tatsächlichen Oberfläche des Werkstückes entlangfährt – also Konturunebenheiten und Fertigungstoleranzen berücksichtigt.

Das System reagiert bereits auf geringste Kraftunterschiede in der Größenordnung von 10 Newton. So gewährleistet die Software ein minimiertes Schadensrisiko für die Werkstück-Oberfläche, das Werkzeug sowie das gesamte System. Ein Zusatznutzen: Es prognostiziert zuverlässig den Werkzeugverschleiß.

Als dritte, aus der Praxis resultierende Funktion sorgt „FC SpeedChange“ mit dem Ändern der Roboterbahngeschwindigkeit für konstanten Materialabtrag während des Prozesses. Treten zu hohe Bearbeitungswiderstände auf, reduziert die Software automatisch die Geschwindigkeit des Roboterarms und hält so die Bearbeitungskräfte konstant. Dies verhindert weitgehend auch Maßabweichungen, die sich sonst bei höherem Druck aus dem Durchfedern des Roboterarms ergeben.

Weiter verhindert der Roboter auf diese Weise Schäden am Werkstück oder Werkzeug, die durch zu hohe mechanische und thermische Beanspruchungen entstehen könnten. Sowohl die optimale Roboterarbeitsgeschwindigkeit als auch die reduzierten Schadensrisiken beziehungsweise die erhöhte Prozesssicherheit steigern die Produktivität und Wirtschaftlichkeit des kompletten Bearbeitungsprozesses.

Gehorcht aufs Wort

Programmierbefehle in Form einfacher grafischer Symbole genügen, um den Roboter die gewünschten Bewegungen erkennen zu lassen. Seinen exakten Pfad lernt er anschließend selbsttätig.

Im Rahmen einer europäischen Forschungsinitiative mit Namen SMErobot arbeiten diverse Hersteller und Forschungsinstitute aus dem Roboter-Umfeld darüber hinaus an einer Aufgabe, die der alten Vision von aufs Wort gehorchenden Maschinen näher kommt. Mittels der so genannten Lead-Through-Programmierung wollen etwa die ABB-Forscher auch unerfahrenen Benutzern das Programmieren ermöglichen. Das innovative Konzept geht von Befehlen aus, die der Benutzer mit Hilfe von Schlüsselwörtern abruft. Er fordert den Roboter beispielsweise auf: „bewege dich hierher – schalte das Werkzeug ein – warte fünf Sekunden“.

Zum Programm-Erstellen führt der „Programmierer“ den Roboter dabei schrittweise durch den Bearbeitungsprozess. Das System bietet ihm jeweils lediglich die Schlüsselworte beziehungsweise zu codierende Befehle an, die in der spezifischen Situation relevant sind. Auf dieser Grundlage empfängt das System die Befehle als gesprochenes Wort und generiert daraus das Programm. Der Anwender muss dazu weder eine Programmzeile schreiben noch benötigt er Programmierkenntnisse. Stattdessen zählen seine Erfahrung und sein Anwender-Know-how.

Die Befehle und der Funktionsumfang unterscheiden sich nach der Anwendung: So enthält das System in Diensten des Gießereiwerkers andere Befehle als die des Kunststoffverarbeiters oder des Schreiners. Auf den Punkt gebracht: Der aufs Wort hörende Roboter bietet zukünftig auch völlig neuen, programm- und informationstechnisch unerfahrenen Mitarbeitern die Vorzüge robotergestützter Produktion. Letztlich eröffnen sich Betrieben und Unternehmen, denen die Robotik bisher fern war, neue Fertigungsoptionen.

Eine besondere Herausforderung des „Voice-Control“-Projektes bestand darin, statt einer spezifischen Lösung für eine klar definierte Aufgabe eine offene Plattformlösung zu finden. Für dieses Plattformkonzept und das es realisierende Programm wandten beispielsweise die ABB-Entwickler ein Mannjahr auf. Jetzt befindet sich das Programm in der Testphase. Pläne zur konkreten Markteinführung liegen zwar noch nicht vor; auf dem SMErobot-Gemeinschaftsstand auf der Fachmesse Automatica in München wird ABB jedoch einen ersten Prototyp vorstellen.

Autor: Gerd Trommer ist freier Journalist aus Gernsheim.