Kollaborative Roboter: Kleine Helfer mit großem Aktionsradius

Kollaborative Roboter (Cobots) heben schwere Gegenstände oder übernehmen monotone, einseitig belastende Aufgaben wie etwa das wiederholgenaue Anreichen von Teilen. Damit entlasten sie den Werker und schonen seine Gesundheit. Auch für bahngesteuerte Tätigkeiten, die ein Mensch nicht so präzise, dauerhaft oder schnell und sicher ausführen kann wie eine Maschine, bieten sie sich an. Dazu zählt beispielsweise das Eindrehen besonders filigraner Schrauben oder das Realisieren von Niet- oder Klebeverbindungen.

Kollaborative Roboter gegen Fachkräftemangel

Zudem leisten die kleinen Roboter wertvolle Dienste in Zeiten des Fachkräftemangels; fehlt es doch in vielen Bereichen an qualifizierten Mitarbeitern. So sind beispielsweise gut ausgebildete und erfahrene Schweißer, die präzise Schweißverbindungen herstellen können, nur noch schwer zu finden. Für Cobots ist das – einmal angelernt – kein Problem.

Damit ein Cobot erfolgreich arbeiten kann, sollten vor der Anschaffung einige grundlegende Fragen beantwortet werden. Dazu zählt neben der eigentlichen Aufgabenstellung auch die Frage nach dem Ak­tionsradius und – daraus resultierend – nach der erforderlichen Anzahl der Antriebsachsen. Dabei lässt sich der Bewegungsspielraum mithilfe von Linearachsen und elektrischen Hubsäulen erreichen. Wie komplex die Installation sowie das steuerungstech­nische An- und Einbinden ins Produktionsumfeld sein werden, gibt die Aufgabe des Roboters vor. Zudem muss neben der Sicherheit des Cobots selbst auch die Sicherheit sämtlicher Achsen im Sinne der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gewährleistet sein; schließlich haftet der Betreiber persönlich.

Hohe Präzision beim Schweißen

Zu den komplexeren Anwendungen von kollaborierenden Robotern, die hohe Anforderungen an zuverlässige Wiederholgenauigkeit und dauerhafte Präzision stellen, gehören anspruchsvolle Schweißarbeiten. Eine solche Cobot-Lösung mit großer Reichweite in drei Dimensionen entwickelte das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM mit Unterstützung von RK Rose+Krieger. Bei der Konzeption eines robotergestützten Handling- und Bearbeitungssystems zum Schweißen zylindrischer Stahltanks übernahm das Team des Fraunhofer IEM die Konzeption und Realisierung der Roboterapplikation inklusive der Steuerungs- und Benutzerschnittstellen-Programmierung, der Integration fortschrittlicher Regelungsansätze und des elektrischen Aufbaus. RK Rose+Krieger entwickelte die Lösung zur kugelförmigen Erweiterung des Arbeitsbereichs des Schweiß-Cobots – das Raumportal – auf Basis seines Profil- und Lineartechnik-Baukastens.

Das Grundgerüst des Raumportals besteht aus Blocan-Aluminiumprofilen unterschiedlicher Baugrößen. Es kann auf zwei parallel angeordneten, zahnriemengetriebenen Linearachsen vom Typ RK Duoline Z 80 Protect über eine Strecke von 1500 Millimetern in der Horizontalen verfahren werden. Zwei weitere, ebenfalls parallel verlaufende RK Duoline Z 80 Protect bilden die Z-Achse des Raumportals. Sie bewegen eine Rollenführungs-Linearachse vom Typ RK Monoline Z120 vertikal über 1500 Millimeter. An dieser Linearachse ist der Cobot mit der Bearbeitungseinheit montiert. Das Raumportal erweitert den Arbeitsbereich des kollaborativen Roboters (Durchmesser maximal 2650 Millimeter) um den ansonsten nicht erreichbaren zylinderförmigen Bereich ober- und unterhalb seiner Basis. Damit kann er innerhalb der gesamten Portalstruktur ohne Einschränkung agieren. Die Baugröße von Portal und Achsen lässt sich individuell an die Größe des Cobots und die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen.

Kollaborative Roboter und Portal in einer Steuerung

Für das synchrone Verfahren aller Achsen führten die Spezialisten des Fraunhofer IEM die sechs Achsen des Industrieroboters mit den drei Achsen des Raumportals in einer Industriesteuerung zusammen. Für eine reibungslose Kommunikation zwischen Cobot und Raumportal sorgen intelligente Sensoren und Algorithmen. Das Ergebnis sind synchronisierte Bewegungen von Portal und kollaborative Roboter sowie die einfache Anpassung des Systems an wechselnde Anwendungsszenarien ohne aufwändige Umbau- und Rüstarbeiten. Zudem werden Abweichungen der Bauteile von der ursprünglichen CAD-Konstruktion etwa aufgrund von Materialschwankungen oder Schweißverzug während des Prozesses sensorbasiert kompensiert. Zusätzliche positive Nebeneffekte ergeben sich aus der Steifigkeit des Raumportals, die eine hohe Präzision beim Einsatz des Werkzeugs garantiert, und den im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern deutlich geringeren Kosten.

Drehvorrichtung als Ergänzung

Bei einfacheren Cobot-Lösungen steht häufig die Arbeitsplatzergonomie im Vordergrund. Auch in diesen Fällen lässt sich der Aktionsradius der kleinen Roboter mit Lineartechnik erweitern. So können sie mithilfe von Hubsäulen wie dem Powerlift Z elektrisch in der Höhe verstellt werden (Y-Achse). Linearachsen aus der Monoline- oder Duoline-Baureihe verfahren sie zusätzlich auf der X- und Z-Achse und erweitern so ihre Reichweite im Raum, um beispielsweise mehrere Arbeits- oder Ablageplätze miteinander zu verknüpfen. Denkbar ist auch, den Cobot zusätzlich auf eine Drehvorrichtung zu montieren, ihn um die Y-Achse rotieren und an verschiedenen Orten arbeiten zu lassen. In Verbindung mit höhenverstellbaren Arbeitsplätzen, wie dem RK Easywork, und Pick-to-light-Systemen eröffnet dies ganz neue Montagekonzepte.

Der Montagarbeitsplatz ist besonders attraktiv für Klein- und Mittelserien, deren Nutzung nicht dauerhaft festgesetzt ist. Ausgerüstet mit Multilift-II-Hubsäulen für die elektrische Höhenverstellung ist der robuste Arbeitstisch dank seines Baukastensystems auch nach Jahren erweiterbar und in seiner Funktionalität veränderbar. Kombiniert man ihn in der Bauteilmontage mit einem per Linearachse und Hubsäule mobilisierten Cobot sowie einem Setago-Pick2Light-System, erhält man einen sicheren, kollaborativen, ergonomischen und zu 100 Prozent fehlerfreien Montagearbeitsplatz.

Die ursprünglich aus der Intralogistik und Kommissionierung stammende Pick2Light-Anwendung wird immer häufiger in produzierenden Unternehmen zur Unterstützung der Mitarbeitenden eingesetzt. Sie gibt dem Werker über ein grünes Licht vor, welches Teil er aus welchem Bereitstellungskasten nehmen und montieren muss, und führt ihn so durch den Montageprozess. Bei Fehlgriffen leuchtet das Licht rot. Jeder Arbeitsschritt wird vorgegeben und nach Durchführung bestätigt. Dies erfolgt entweder über einen Sensor, der die Entnahme des richtigen Teils überwacht, oder durch Bestätigung mittels Taste oder Fußschalter. Auf diese Weise können insbesondere bei hoher Variantenvielfalt Produktionsfehler in der Bauteilmontage vermieden werden.

Fazit: Ob einfache Handling-Unterstützung oder komplexe Bauteilbearbeitungen – kollaborative Roboter übernehmen zuverlässig schwere oder monotone Arbeiten, die einen Menschen auf Dauer zu stark belasten. Sie arbeiten präzise und wiederholgenau, ohne zu ermüden, und tragen damit zu einer Fehlervermeidung bei. Die intelligente Verknüpfung mit Lineartechnik erweitert ihren Aktionsradius um ein Vielfaches.

Der Autor Bernd Klöpper ist Marketingleiter bei der RK Rose+Krieger GmbH.

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