Flexibilisierte Montage mit Roboter

Ein Roboter greift unterschiedlichste Gegenstände und setzt Werkzeuge gekonnt ein. Mit einem solchen Roboter würde sich die Automatisierung der Herstellung auch bei geringeren Stückzahlen lohnen. Doch wie sieht eine flexibilisierte Montage mit einem Roboter aus?

Steckbrief

  • Departement Technik und Informatik
  • Forschungsschwerpunkt Industrielle Produktion
  • Forschungsfeld Produktion mit Robotik
  • Laufzeit (geplant) 01.06.2018 - 28.02.2019
  • Projektverantwortung Norman U. Baier
  • Projektleitung Joel Costan
  • Projektmitarbeitende Joel Costan
    Simon Kaderli
  • Schlüsselwörter Automatisierung, Robotik, Herstellung, Montage, Produktionsprozess

Ausgangslage

Einer der Gründe, warum Robotik bei geringen Stückzahlen und in kleineren Unternehmen nur wenig verwendet wird, ist der unvermeidliche Einsatz eines Spezialisten. Die Programmierung des Roboters wird in der Regel durch eine Fachperson durchgeführt. Sind nur einzelne Produktionslinien vorhanden, ist diese Fachkraft meist nicht ausgelastet und kann unter Umständen nicht gewinnbringend in anderen Funktionen eingesetzt werden.

Es gibt zudem technische Gründe, warum sich Robotik für kleine Stückzahlen bisher nicht durchgesetzt hat. Der Mensch kann mit seinen Händen unterschiedlichste Gegenstände zuverlässig greifen, was für eine komplexere Fertigung elementar ist. Reichen die Hände für einen Montageschritt nicht aus, behilft er sich mit Werkzeugen wie Elektroschraubern.

Ziele

Wie würde eine flexibilisierte Montage mit einem Roboter aussehen? Die Antwort auf diese Frage war das Ziel des Projekts. Zudem sollte die grundlegende Programmierung automatisch ausgeführt werden, wenn der Roboter für kleine Stückzahlen eingesetzt werden soll. Ebenfalls soll der Roboter Werkzeuge auf dieselbe gewandte Art einsetzen können, wie dies eine Person tut.

Von der Idee zur Realisierung

Die Umsetzung erfolgte mit einem P-Rob 2 der Firma F&P Robotics AG und der Software Solid Edge von Siemens PLM Software Inc. Ebenfalls kam ein Kraft-Momenten-Sensor der Firma OnRobot A/S zum Einsatz. Der Computer, auf dem Solid Edge läuft, bildet gleichzeitig die Schnittstelle zum P-Rob 2, der seine Kommandos über eine Ethernet-Verbindung erhält. Programmiert wurde der Roboter über die Roboter-eigene Programmierumgebung myP, die auf Python basiert. Die Schnittstelle zwischen Solid Edge und P-Rob 2 übernimmt ein, in der Hochsprache C# geschriebenes Programm. Als zu montierender Gegenstand wählte man ein aus Zahnrädern, Deckel und Schrauben bestehendes Getriebe.

Flexibilisierte Montage 1

Erstellung der CAD-Baugruppe

Damit die Montage eines Gegenstandes funktioniert, wird eine entsprechende CAD-Baugruppe in Solid Edge benötigt. In dieser Baugruppe ist momentan noch ein gewisser Initialaufwand versteckt. Die Bahnplanung erfolgt durch Zwischenpositionen, die in einer «alternativen Baugruppe» abgelegt sind. Im einfachsten Fall wird die zu fertigende Komponente linear montiert. Für komplexere Bewegungsabläufe des Roboters müssen mehrere Zwischenpositionen angegeben werden.

Bei der Erstellung der Zeichnung gibt der Konstrukteur vor, in welcher Reihenfolge die Teile montiert werden und erzwingt mit dieser Vorgabe von Zwischenpositionen jene Bahnen, die im Prozess kollisionsfrei sind.

Flexibilisierte Montage 2

Automatisierte Montage

Der P-Rob 2 ist mit zwei Servo-Fingergreifern verfügbar, die ein versatiles Greifen erlauben. Während der Arbeit hat es sich gezeigt, dass diese zwar ein versatiles Greifen erlauben, der Griff aber mit einer relativ grossen Varianz erfolgt. Dadurch kann die genaue Position des gegriffenen Teils, trotz vereinzelter Bereitstellung, nicht genügend genau errechnet werden, um eine sichere Fertigung zu garantieren.In der aktuellen Version wurde deshalb auf einen speziell gefertigten Kopf zurückgegriffen, der mehrere pneumatische Greifer beinhaltet.

Für das Montieren von Wellen und von ineinander eingreifenden Zahnrädern wurde ein Kraft-Momenten-Sensor eingesetzt. Das Ansetzen und Verdrehen eines Zahnrads bis zum Einrasten übernimmt in diesem Fall das C#-Programm und wird nicht durch den Konstrukteur vorgegeben. Für das Verschrauben von Gehäusedeckeln wird ein Elektro-Schrauber mit einem magnetischem Bithalter eingesetzt. Die Schrauben lassen sich auf diese Weise aufnehmen werden und direkt eindrehen.

Aktueller Stand des Systems

Die Initialzündung, die zur Entwicklung dieses Systems führte, war die Tatsache, dass immer noch viele elektrische Platinen in Kleinserien von Hand mit verdrahteten Komponenten bestückt werden. Beim aktuellen Stand der Entwicklung lassen sich keine verdrahteten Bauteile greifen. Aus diesem Grund bietet für diesen Anachronismus, momentan noch keine Lösung an. In solchen Fällen empfiehlt es sich zu prüfen, wie sich Oberflächenmontierte Bauteile und ein Bestückungsautomat in den Prozess integrieren lassen. Dahingegen erledigt das System die Endmontage von Geräten, die aus bestückten Platinen, Achsen und Zahnrädern bestehen, problemlos. Das trifft auch auf Antriebe, Verstärker, Umrichter und weitere mechatronische Einheiten zu.