Initiative SMErobotics

Flexible Robotersysteme für die digitalisierte Produktion

Speziell auf die Anforderungen kleiner und mittlerer Produktionsbetriebe zugeschnittene wirtschaftliche Automatisierungslösungen für Montage, Schweißen und Holzbearbeitung: Dies zeigt die europäische Initiative SMErobotics auf der Fachmesse Automatica (21. bis 24. Juni in München). Das vom Fraunhofer IPA koordinierte EU-Projekt präsentiert Technologiebausteine für Systemintegratoren und Ausrüster innovativer Robotersysteme sowie direkt einsetzbare Anwendungen für den Mittelstand.

CAD-basierte Programmierumgebung: Montageabläufe wie das Einführen von Achsen in Lager werden am CADModell durch Markieren der beteiligten Flächen (gelb) oder Bauteilelemente beschrieben. (Quelle: fortiss)

Hohe Variantenvielfalt und Qualitätsanforderungen sowie kleine Losgrößen erschweren bislang den wirtschaftlichen Einsatz »klassischer« Robotersysteme in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU). Die Robotersysteme passen mit der aufwendigen Einrichtung, dem hohen Platzbedarf getrennt vom Menschen und der unlexiblen Programmierung nicht zur kundenorientierten Produktionsweise in KMU. Um KMU mehr Automatisierung zu ermöglichen, hat die SMErobotics-Initiative speziell auf deren Bedürfnisse zugeschnittene intelligente Robotersysteme entwickelt. Sie arbeiten ohne trennende Schutzeinrichtungen mit und neben ihren menschlichen Kollegen. Neue Technologien zur intuitiven Programmierung sowie zur robusten sensorüberwachten Programmausführung erlauben Unternehmen, Robotersysteme auch bei vielen Produktvarianten efizient einzusetzen und den Durchsatz und die Qualität ihrer Produkte weiter zu verbessern.

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Schlüsselkomponente Software

Graphische Programmieroberläche, mit der der Werker das Programm aus fertigen Bausteinen erstellt. (Quelle: DTI)

Ein Ziel von SMErobotics ist, dass Anwendungsfachkräfte Roboter einfach instruieren sowie verlässlich und zeitsparend bedienen können. Dies wird durch die Programmierung von Montage- und Handhabungsaufgaben mittels intuitiver graphischer Bediensysteme möglich. Mithilfe eines »skill-basierten«, also auf fertigen Programmbausteinen basierenden graphischen Programmiersystems instruiert die Fachkraft den Roboter in anschaulichen Anwendungen.

In einem weiteren graphischen Programmiersystem für komplexe Montageaufgaben, beispielsweise in der Getriebemontage, speziiziert der Anwender die Montageabläufe interaktiv am CAD-Modell unabhängig von einem konkreten Robotersystem. Leistungsfähige Planungs- und Schlussfolgerungssysteme berechnen anschließend selbsttätig die notwendigen Roboterbewegungen anhand von Modellen der einzelnen Teile und des ausführenden Robotersystems. Damit konnten Fachkräfte ohne Robotikerfahrungen Montageaufgaben in Tests zehn- bis fünfzehnmal schneller programmieren als erfahrene Roboterprogrammierer mit Handbediengeräten.

Schweißen für Losgröße 1: »CoWeldRob« scannt Werkstücke und indet automatisch Schweißnähte, die der Werker in einem graphischen System anpassen kann. (Quelle: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez)

Die robuste, »skill-basierte« Programmausführung ermöglicht weiterhin den transparenten Umgang mit Ungenauigkeiten in der Umgebung und an Werkstücken. Dies ist wesentlich für KMU, weil Robotersysteme bspw. oft von Hand vorbereitete Werkstücke bearbeiten, die Toleranzen oder Abweichungen zu Konstruktionsdaten aufweisen. Der Einsatz von Sensoren zur Werkstücklokalisierung und -vermessung macht zudem feste Positionierungen und Halterungen für Werkstücke weitgehend unnötig. Die beschriebenen Softwaremodule zur intuitiven Programmierung und Roboterprogramm- Generierung wurden unabhängig von speziischen Robotertypen entwickelt. Sie sind als eigenständische Module verfügbar und können von Ausrüstern der Automatisierungstechnik und Industrial IT in ihren Systemlösungen eingebaut werden.

Anwendungen für Schweißprozesse und flexible Montage

Mehrere in ersten Praxistests erprobte Roboterzellen und Arbeitsplätze für die Mensch- Roboter-Kollaboration demonstrieren den praktischen Nutzen der Softwarekomponenten in typischen Produktionsszenarien von KMU.

Zweiarmiges Einfädeln einer Achse in ein Lager. (Quelle: Tekniker)

Der »CoWeldRob« des Fraunhofer IPA ist eine Schweißzelle für Losgröße 1. Robuste 3D-Sensorik, umfangreiche Technologie- und Prozessmodelle und eine intuitive graphische Bedienoberläche ermöglichen das Nahtschweißen von vormontierten Bauteilen mit wenigen Handgriffen. Das System scannt neue Werkstücke, identiiziert die zu schweißenden Nähte und schlägt dem Schweißer geeignete Parameter für den Schweißprozess vor. Ebenso identiiziert und lokalisiert das System bekannte Werkstücke und generiert das Schweißprogramm dann vollautomatisch. Der Schweißer kann dieses in der Bedienoberläche anpassen oder direkt ausführen lassen. Gewünschte Änderungen lernt das System und berücksichtigt diese bei späteren Aufgaben. 

Mehrere Anwendungen werden mit einem Zwei-Arm-Roboter realisiert, der ähnlich der menschlichen Arbeitsweise agiert. So sind keine Spannvorrichtungen nötig und Positionieraufwände entfallen, was eine besonders wirtschaftliche Lösung bietet. SMErobotics zeigt mit dem Zwei-Arm-Roboter das Schweißen großer Bauteile, beispielsweise für den Bausektor. Der Roboter bewegt die Bauteile mit beiden Armen und hält diese mit einem Arm fest, während er mit dem anderen Arm Schweißnähte ausführt. Die zweiarmige Montage wird am Beispiel von Komponenten eines Getriebes sowie aus der Luft- und Raumfahrt gezeigt. Sensorüberwachte »Skills« ermöglichen die robuste Durchführung von Einfüge- und Schraubvorgängen, leistungsfähige 3D-Sensorik das Finden und Aufgreifen der Bauteile an nur ungefähr bekannten Positionen im Arbeitsraum.

Dass auch Montageprozesse mit Toleranzen im Mikrometerbereich möglich sind, zeigt die Präzisionsmontage einer ganzen Bauteilgruppe ohne aufwendige, produktspeziische Fixierungen und Führungseinrichtungen. Die Zelle, die derzeit bei einem Endanwender im Testbetrieb läuft und zukünftig in die laufende Produktion integriert werden soll, montiert beispielsweise Ventilbaugruppen in mehreren, hintereinander ausgeführten Schritten. Hierzu gehört auch das Einfädeln eines Schiebers mit nur drei Mikrometern Toleranz. Präzise Objekterkennung und Lokalisierung erlauben die sichere Aufnahme von losen Bauteilen aus Materialboxen und die genaue Ansteuerung der Montagestelle, feinfühlige Sensorik und gezielt nachgiebig geschaltete Bewegungen ermöglichen die verklemmungsfreie Montage. Tests zeigen eine um 30 Prozent reduzierte Fehlerrate in der Montage des Schiebers gegenüber der derzeitigen manuellen Ausführung.

Tool zum Investitions-Schnell-Check von Robotersystemen

www.robotinvestment.eu: Schnell-Check für die Investitionskosten eines Robotersystems. (Quelle: DTI)

Fünf weitere Demonstratoren zu Technologiekomponenten und kollaborativen Arbeitsplätzen sowie das Online-Tool www.robotinvestment.eu komplettieren das Standangebot. Mit dem Tool können Endanwender schnell und individuell eine Kalkulation für die Anschaffung eines Robotersystems sowie für dessen Rentabilität (»return on investment«) erhalten. Außerdem können bei Interesse direkt Systemintegratoren kontaktiert werden. Das Tool bietet Unternehmen einen Überblick über Optionen und Chancen einer Automatisierungslösung sowie eine erste Entscheidungsgrundlage.

Europaweite Projektpartner In der Forschungsinitiative sind große europäische Roboterhersteller, Systemintegratoren, führende Forschungsinstitute und Endanwender aus ganz Europa vertreten. Zu den Partnern der Initiative gehören die Roboterhersteller Comau, Güdel, KUKA und Reis (jetzt Kuka Industries) sowie die Universitäten und Forschungseinrichtungen Lund University, Schweden, DTI Danish Technological Institute, Dänemark, das fortiss An-Institut der Technischen Universität München (TUM) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Robotik und Mechatronik. SMErobotics wird seit 2014 von industriellen Endanwendern und Systemintegratoren unterstützt. Sie geben gezielt Rückmeldungen und können als erste die Vorteile der neu entwickelten Technologien nutzen. Mit diesem Netzwerk verfügt SMErobotics über breites technisches Know-how und bezieht konsequent die Endanwender mit ein, um anspruchsvolle Lösungen und Innovationen in der Robotertechnik zu liefern.

SMErobotics wird durch das Fraunhofer IPA koordiniert, eine der führenden Institutionen für angewandte Forschung. Indem die Initiative KMU-speziisches Wissen mit den Marktkenntnissen der Industriepartner und dem gezielten Blick der Endanwender verbindet, verfügt sie über fundiertes Praxiswissen bezüglich lexibler Automatisierungsanforderungen. Darauf basierend, entwickelt und testet SMErobotics die Projektergebnisse in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen KMU in realen Produktionsbedingungen.

Präzisionsmontage von losen Bauteilen. (Quelle: TU Cottbus)

Die Projektpartner sind an einer Zusammenarbeit mit weiteren KMU interessiert, die ihre Erfahrungen einbringen und von neuesten Technologien proitieren möchten.

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA | DLR – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | DTI – Danish Technological Institute | Gemeinnützige GmbH fortiss, An-Institut der Technischen Universität München | GPS Gesellschaft für Produktionssysteme GmbH | Lund University – ULUND | Technische Universität Chemnitz | COMAU Robotics S.p.A. | GÜDEL AG | KUKA Roboter AG | Reis GmbH & Co KG Maschinenfabrik, now KUKA Industries

Weitere Partner

Acht kleine und mittelständische Unternehmen und weitere Industriepartner sowie 13 Systemintegratoren und regionale anwendungsorientierte Forschungseinrichtungen. SMErobotics ist ein von der EU gefördertes Forschungsprojekt (grant agreement no. 287787) und Teil des 7. EU Rahmenprogramms (FP7/2007-2013).

Projekttitel:

“The European Robotics Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing by integrating aspects of cognitive systems”

Projektlaufzeit:

1.1.2012-30.6.2016

Automatica, Halle A4, Stand 131

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