Die Simulation ist ein Verfahren, mit dem sich reale Systeme per Software nachbilden lassen. In der Industrie kommt die Simulation derzeit sowohl bei logistikrelevanten Fragestellungen als auch bei Untersuchungen von produktionstechnischen Alternativen zur Anwendung. Auf letzteres fokussiert das Autonomik-Teilprojekt „Rorarob“. Ziel der beteiligten Projektpartner ist es, ein prototypisches Hardware- und Software-Assistenzsystem (Mehrrobotersystem) zur Bearbeitung von Schweißaufgaben in der Rohr- und Rahmenfertigung zu entwickeln.

Zurzeit lassen sich die gewünschten Geometrien bei der Fertigung von Rohr- und Rahmenkonstruktion auf unterschiedliche Weise herstellen. Mit Hilfe des Rohr- und Profilbiegens sind komplexe Geometrien unter Verwendung unterschiedlicher Verfahren herstellbar. Das Hauptproblem dieses Ansatzes besteht vor allem in der Rückfederung der Werkstücke nach dem Umformen. Hierdurch sind aufwendige Simulationsansätze und/oder Iterationsschleifen zur Feinabstimmung des Fertigungsprozesses notwendig, sodass dieses Verfahren für kleine Losgrößen und insbesondere für die Einzelstückfertigung des Maschinen- und Anlagenbaus auch in Anbetracht der hohen Investitionskosten für Biegemaschinen sehr oft nicht wirtschaftlich ist. Alternativ können die gewünschten Geometrien durch das Verschweißen von Segmenten hergestellt werden. Hierbei besteht bei komplexen Geometrien und insbesondere bei manueller Fertigung das Problem, die Segmente so genau zu fügen, dass die Abweichung zur vorgesehenen Endgeometrie ausreichend klein ist.

Beiden Ansätzen gemein ist der Umstand, dass in der Praxis ein Schweißer bei der Rohr- und Rahmenkonstruktion heute viele Arbeiten verrichten muss, die mit dem eigentlichen Schweißvorgang nur sekundär zu tun haben. Dazu gehört zum Beispiel das Auflegen der Teile auf einen Schweißtisch, das Ausrichten von Anschlägen oder das Ansetzen von Schraubzwingen. Genau bei diesen Tätigkeiten soll das roboterbasierte Assistenzsystem mit seinen beiden robotergeführten Greifarmen den Schweißer kooperativ unterstützen. Um darüber hinaus die Fehlerquote der Schweißnähte möglichst gering zu halten, empfiehlt sich für diesen Prozess eine automatisierte Lösung, in Form des Hardware- und Software-Assistenzsystems, wie es im Rahmen von Rorarob entwickelt wird.

Das Assistenzsystem, welches auf zwei 6-Achs-Industrierobotern basiert, hat letztlich die unter sicherheitstechnischen und ergonomischen Aspekten gestaltete Interaktion zwischen Mensch und Maschine zum Ziel. Um diese Aspekte zu untersuchen und sicherzustellen, ist der Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Mensch-Maschine-Interaktion das Mittel der Wahl. Dementsprechend ist es Aufgabe der Projektbeteiligten, ein 3D-Menschmodell in Form einer Humansimulation zur ergonomischen Analyse von Bewegungsprozessen des Schweißers mit einer Software zur Offline- Programmierung für Industrieroboter zu kombinieren. Dies soll schlussendlich einen wesentlich Beitrag zur Akzeptanz automatisierter Fertigungs- und Handhabungsaufgaben in hybriden Arbeitssystemen leisten.

Montagesimulation einer Rahmenkonstruktion im Offline-Programmiersystem „Famos Robotic“.

© Rorarob

An der Züricher Hochschule für angewandte Wissenschaft ist in der Vergangenheit bereits eine Roboterassistenz zur Unterstützung in Schweißprozessen insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) entwickelt worden. Hierbei wurde in erster Linie das Heranführen der Bauteile zum manuellen Heften durch die Verwendung eines sicher gesteuerten und mit einem Joystick ausgestatteten Roboters unterstützt, wobei sich geteachte (programmierte) Bewegungsabläufe wiederholen lassen. Allerdings handelt es sich hierbei um eine Anwendung mit nur einem Handhabungsroboter; das zweite zu verschweißende Bauteil ist zuvor auf einem Werktisch zu positionieren. Mit anderen Worten: Der Roboter unterstützt den Werker bei diesem Ansatz lediglich im Bereich der Handhabung; ergonomische Betrachtungen oder die Integration von Sicherheitstechnik für den kollaborierenden Betrieb standen dabei weniger im Fokus.

Ebenfalls aus dem Umfeld der Servicerobotik sind bereits eine Vielzahl von Entwicklungen für einen kooperierenden Betrieb zwischen Mensch und Roboter hervorgegangen. Systeme wie der Kuka Leichtbauroboter oder mobile Plattformen mit Roboter-Kinematiken sind zwar auf Forschungsebene weit voran geschritten, ein industrieller Einsatz ist aufgrund der sicherheitsrechtlichen Grundlage derzeit jedoch nur eingeschränkt möglich. Darüber hinaus sind die begrenzten Handhabungsgewichte und Prozesskräfte aufgrund der leichtbauenden Ausführung für Assistenzaufgaben im industriellen Umfeld oftmals nicht ausreichend.

Im Gegensatz dazu werden im Projekt Rorarob Bauteile, insbesondere für Rohr- und Rahmenkonstruktion, von zwei herkömmlichen, leistungsstarken 6-Achs-Robotern in eine für den Schweißer günstige Position orientiert und dort positionsgenau gehalten, um nachfolgende Schweißprozesse zu ermöglichen. Weiter sind un­terstützende Funktionen – wie das Nachführen der Bauteile während des Schweißprozesses – geplant und sollen in einer Demonstrationsanlage erprobt werden. Ein wesentliches Ziel des Projekts ist die Gestaltung der Interaktion zwischen Mensch und Maschine unter ergonomischen und ökonomischen Aspekten.

Die Umsetzung erfolgt nach einer genauen Analyse der Ausgangsbedingungen, und zwar so, wie sich derzeit die Fertigungsabläufe in der Rohr- und Rahmenkonstruktion darstellen. Diese Informationen fließen in die Software ein, in der die Fertigungsschritte in Optimierung an die Bewegungen des Schweißers programmiert und simuliert werden. So sollen die Mitarbeiter in der Fertigung in die Lage versetzt werden, parallel zu anderen Fertigungsschritten exakt und ergonomisch optimiert die Konstruktionsvorgaben zu realisieren. Die Konsortialführung des Projektes Rorarob hat die Firma Carat Robotic Innovation, weitere Konsortialpartner sind die Firmen Albert Böcker, MAN Turbo sowie die Technische Universität Dortmund.