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Assistenzroboter in der sensorgestützten Montage

Special Robotik in der industriellen Fertigung

AssistenzroboterSensorgestützte Montage an manuellen Arbeitsplätzen

Durch die Markteinführung sicherer, für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter geeigneter Leichtbauroboter, ist eine wichtige Voraussetzung erfüllt, um neuartige Automatisierungskonzepte für die Montage zu realisieren.

Assistenzroboter

Notwendig für die Kooperation von Mensch und Maschine ist die Entwicklung von Sicherheitskonzepten, die eine Integration von Robotern in bestehende manuelle Montageeinzelarbeitsplätze oder Montagelinien ohne Zaun erlauben. Neben der Sicherheit sind jedoch weitere Herausforderungen zu bewältigen. Im Vergleich zu Roboterzellen sind manuelle Arbeitsplätze deutlich weniger strukturiert. Teile werden nicht millimetergenau bereitgestellt. Zudem befinden sich Montagevorrichtungen nicht an einer exakt definierten Position, sondern werden bei Bedarf in den Arbeitsbereich des Werkers gebracht und entweder gar nicht oder nur ungefähr positioniert. Ein Robotersystem, das in einen manuellen Arbeitsplatz integriert werden soll, muss mit diesen Anforderungen zurechtkommen.

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Dafür wurde am Fraunhofer IPA die sensorgestützte Montage nach dem Prinzip „Groblokalisierung – Feinlokalisierung – kraftgeführte Montage“ entwickelt und in zwei industriellen Szenarien realisiert.

„Groblokalisierung – Feinlokalisierung – kraftgeführte Montage“

Unter Groblokalisierung wird die ungefähre – im Zentimeterbereich genaue – Lokalisierung des zu montierenden Objekts mithilfe einer über dem Arbeitsplatz angebrachten 3D-Kamera verstanden. Feinlokalisierung beinhaltet die Bestimmung der exakten Montageposition mit einer Genauigkeit – je nach Anforderung – von weniger als einem Millimeter durch eine in das Roboterwerkzeug integrierte Kamera. Je nach Bedarf und verwendetem Roboter umfasst die kraftgeführte Montage die Durchführung des Montageprozesses unter Verwendung der integrierten Kraft-/Momenten-Sensorik des Roboters, eines externen Kraft-/Momenten-Sensors oder durch Ableiten ungefährer Kraft-/Momenten-Werte aus den Motorströmen des Roboters. Dadurch ist es möglich, Kontaktsituationen zu erkennen und darauf basierend regelnd oder steuernd einzugreifen, um den eigentlichen Fügevorgang trotz Toleranzen robust durchzuführen, Fehlerfälle frühzeitig zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

Fraunhofer Projekt für neue Automatisierungskonzepte

Am Beispiel des Aufdrehens einer Kupplung auf die Kurbelwelle eines Motorblocks einer Kettensäge wird exemplarisch ein in eine manuelle Montagelinie integrierter sensorgeführter Montageprozess ermöglicht.

Scenario: Integration eines Roboters in eine manuelle Montagelinie

Die zu montierenden Kupplungen werden ohne gesonderte Vorrichtung im Arbeitsbereich des Roboters auf einer ebenen Fläche bereitgestellt. Der Roboter lokalisiert die Kupplungen mithilfe einer in das Roboterwerkzeug integrierten Stereokamera. Die Montageposition der Kupplung am Motorblock wird in zwei Schritten ermittelt: Zunächst erfolgt eine Groblokalisierung des Motorblocks mithilfe einer über dem Roboter hängenden 3D-Kamera mit einer Genauigkeit von plus/minus fünf Millimeter. Darauf basierend fährt der Roboter die ungefähre Position der Kurbelwelle relativ zur Position des Motorblocks an und lokalisiert die exakte Position der Kurbelwelle mithilfe einer in das Roboterwerkzeug integrierten Stereokamera mit einer Genauigkeit von plus/minus einem Millimeter. Während des Auffädelns und Aufdrehens der Kupplung auf die Kurbelwelle erfolgt eine Kraftüberwachung, um Fehlersituationen zu erkennen (zum Beispiel das Verkanten der Kupplung beim Aufdrehen) und um geeignet zu reagieren (zum Beispiel durch neues Ansetzen). Die Anwendung des Prinzips „Groblokalisierung – Feinlokalisierung – kraftgeführte Montage“ ermöglicht in diesem Szenario die freie Positionierung von Werkstücken und eliminiert teure und teilespezifische Vorrichtungen, in diesem Fall von teilespezifischen Magazinen oder Bereitstelleinrichtungen für die Kupplungen und einer Indexiervorrichtung, um den Werkstückträger des Motorblocks auf dem Fließband exakt zu positionieren. Die Kraftüberwachung des eigentlichen Fügevorgangs erlaubt das rechtzeitige Erkennen von Fehlern und das Einleiten von geeigneten Reaktionsstrategien.

Bedien- und Ausführumgebung Assembly Assistant

Die am Fraunhofer IPA entwickelte Bedien- und Ausführumgebung „Assembly Assistant“ ermöglicht das einfache Anpassen und Erstellen von Programmen für die sensorgeführte Montage bei sich ändernden Montageaufgaben. Der Bediener kombiniert vordefinierte Programmbausteine, zum Beispiel zum Nieten, zum Einführen eines Niets in ein Loch, zur Bewegung des Roboters oder zur Grob- und Feinlokalisierung per Drag-and-Drop zu einem Programmablauf. Die einzelnen Programmbausteine werden anschließend mithilfe sogenannter Wizards, die über grafische Oberflächen beispielsweise das einfache Bewegen des Roboters, das Auswählen eines zu verwendenden Nietlochs in einem Live-Kamerabild oder das Definieren einer Bounding Box zur Groblokalisierung einer Vorrichtung ermöglichen, parametrisiert. Wurde das Programm auf diese Weise angepasst, lässt es sich ohne weitere Schritte sofort ausführen. Die Bedien- und Ausführumgebung „Assembly Assistant“ ermöglicht durch die einfache Bedienung das Anpassen des Programmablaufs auch durch Nicht-Experten und bietet somit eine Option, um ohne Hinzuziehen eines Experten schnell und flexibel auf Änderungen der Montageaufgabe zu reagieren und den Roboter somit optimal auszunutzen.

Neue Möglichkeiten der Automation

Die Markteinführung sicherer, für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter geeigneter Leichtbauroboter ermöglichen neue Automatisierungskonzepte an bisher manuellen Montagearbeitsplätzen. Neben anwendungsspezifischen Sicherheitskonzepten werden dazu jedoch auch Lösungen zum Umgang mit – an manuellen Arbeitsplätzen üblichen – undefinierten Teilepositionen und möglichen Bauteiltoleranzen benötigt. Die sensorgestützte Montage nach dem Prinzip „Groblokalisierung – Feinlokalisierung – kraftgeführte Montage“ bietet eine Lösung und wurde vom Fraunhofer IPA in zwei industriellen Szenarien beispielhaft realisiert. Diese Lösung ist nicht auf bestimmte Applikationen oder Produkte beschränkt, sondern lässt sich für eine Vielzahl von Applikationen einsetzen. Die Bedien- und Ausführumgebung „Assembly Assistant“ ermöglicht ein einfaches Anpassen sensorgeführter Montageprozesse an sich ändernde Applikationen.

Martin Naumann/bw

HMI, Halle 17, Stand F14

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