Im freien Wechselspiel

Montage - Kürzere Produktlebenszyklen, steigende Produktvarianz und die Notwendigkeit einer effizienten Produktion machen neue Wege erforderlich. Es gilt, Lösungen für frei anpassbare Abläufe in der Montage zu entwickeln. Ein Forschungsprojekt suchte Lösungen, auch bei der Greiftechnik.

30. September 2019
Im freien  Wechselspiel
Die Zimmer Group hat eine spezielle Greifbackengeometrie entwickelt, die – je nach eingesetztem Material – eine definierte Flexibilität zulässt. Im Bild zu sehen ist ein mechatronischer Servogreifer zur Montage von Spannringen. (Bild: Zimmer Group)

2015 gab die Bundesregierung im Rahmen ihrer Hightech-Strategie bekannt, Deutschland auf dem Weg zum weltweiten Innovationsführer voranbringen zu wollen. Übergeordnetes Ziel war es, gute Ideen schnell in neue Produkte und Services zu überführen. Im Rahmen des Förderprogramms ›Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen‹ initiierte sie Ideenwettbewerbe und Forschungsprogramme. Ziel der Förderung war es, innovative Systemlösungen zur Montage komplexer Stückgüter in produzierenden Unternehmen zu entwickeln, zu gestalten und einzuführen. Diese Systemlösungen waren als anwendungsorientierte und beispielhafte Lösungen am Produktlebenszyklus des zu montierenden Produktes und dem wirtschaftlich optimalen Automatisierungsgrad in der Montage auszurichten. Dabei ließen sich zwei unterschiedliche Gestaltungsfelder angehen: zum einen kollaborative Montagesysteme und zum anderen wandlungsfähige Montageanlagen.

Frei vernetzte Montagesysteme

Zum Ideenwettbewerb reichten 345 Projektpartner insgesamt 41 Projektskizzen unter dem Stichwort ›Kompetenz Montage – kollaborativ und wandlungsfähig (KoMo)‹ ein, neun wurden ausgewählt. Aus einer dieser Skizzen entstand das Forschungsprojekt FreeMoVe. Mit dieser Abkürzung bezeichnen die beteiligten Partner unter der Leitung des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen eine wandlungsfähige Montage in frei vernetzten Montagesystemen. Neben den Anwendern Infineon, ZF Friedrichshafen und Philips Innovation Services arbeiten hier auch die Ausrüster Zimmer Group, Ifsys, Henkel+Roth sowie Istec im Rahmen von Arbeitspaketen an verschiedenen Fragen. Unterstützt werden sie durch das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT). Gestartet ist das Projekt 2017, es läuft noch bis Ende 2019.

Wie lassen sich frei verkettete Montagesystem gestalten und steuern? Dieser grundsätzlichen Frage galt es, im Projekt nachzugehen. Als frei verkettet wird dabei ein Montagesystem bezeichnet, das für jedes individuelle Produkt in Form einer Auftragsroute eine flexible Montageabfolge ohne zeitliche oder räumliche Restriktionen bereitstellt. Eine Auftragsroute beschreibt dabei die für die Montage eines Produktes ausgewählten Bearbeitungsorte und deren Reihenfolge.

Ziel des Vorhabens ist es, eine neue Organisationsform für die wandlungsfähige hochvariante Montage für kleine Stückzahlen bis Losgröße 1 zu entwickeln. Voraussetzung für solch einen Ansatz ist, dass eine übergeordnete Steuerung die sogenannte Auftragsroute, also die Bearbeitungsorte und Reihenfolge für jedes Produkt, individuell nach Verfügbarkeit festlegen kann. Hierfür haben die Projektpartner die Planung und Gestaltung, die Steuerung und Informationsbereitstellung sowie die erforderliche Technik weiterentwickelt. Daneben entstanden unter anderem ein merkmalsbasiertes Steuerungs- und Leitsystem mit Plug-and-produce-Funktionen, mobile Roboter, flexible Zuführ- und Greiftechnik sowie Stationstechnik.

Im Gegensatz zu einem starr verketteten Montagesystem, in dem die Auftragsroute bei der Systemgestaltung festgelegt wird, sind für frei verkettete Systeme dynamische Auftragsrouten charakteristisch. Das Festlegen der Route erfolgt individuell für jeden Auftrag. Diese wird kontinuierlich nachgeführt und berücksichtigt die Verfügbarkeit geeigneter Montageressourcen, zum Beispiel nicht verfügbar aufgrund von hoher Auslastung, Wartung oder Defekt. Die Route passt sich entsprechend an. Es lassen sich Wartezeiten an einer Station vermeiden, indem erst eine andere Aufgabe im Produktionsprozess angefahren und erledigt wird. Das Leitsystem setzt dabei Optimierungsalgorithmen ein, um die Effizienz des Systems zu maximieren.

Hauptsache adaptiv

Insgesamt zehn Arbeitspakete hatten die Projektpartner zu bearbeiten. Neben der Entwicklung eines dezentralen Leitsystems zur Auftragssteuerung lag etwa ein Schwerpunkt auf der wandlungsfähigen Stationstechnik. In diesem Bereich arbeitete die Zimmer Group als ein Hauptverantwortlicher mit. Dabei stand für das Unternehmen das Thema Greiftechnik am mobilen Roboter beziehungsweise die Entwicklung adaptiver und flexibler Greiftechnik im Fokus. Es hat im Projekt drei unterschiedliche adaptive Greifsysteme für verschiedene Einsatzfälle entwickelt. Dabei wurden auch die Möglichkeiten moderner elektrischer Greifsysteme berücksichtigt, die durch die stufenlose Einstellbarkeit von Kraft und Geschwindigkeit taktiles Arbeiten ermöglichen. Denn das Handhaben von einzelnen Werkstücken oder Baugruppen ist eine elementare Tätigkeit in der industriellen Montage, deren Anpassung an wechselnde Produkte zeit- und kostenintensiv ist. Große regelbare Hub- und Greifkraftbereiche sowie eine einfache Anpassbarkeit der Greifbackengeometrie sind wichtige Anforderungen an eine adaptive Greiftechnik.

Für eine roboterbasierte Beförderung unterschiedlichster Produktionsvorrichtungen entwickelten die Experten im Projekt ein flexibles Greifsystem, das die Vorrichtungen an individuell definierten Positionen sicher aufnimmt. Es besteht aus mehreren Elektrogreifern und zeichnet sich laut Angaben des Herstellers durch seine Vielseitigkeit und Flexibilität aus.

Das System verfügt über einen großen einstellbaren Hub in X- und Y-Richtung und ermöglicht den klassischen Kraft- und Formschluss sowie das vorgesteuerte Vorpositionieren und Greifen. Weitere Merkmale sind die schlanke Dimensionierung für den Einsatz an Leichtbaurobotern. Außerdem lassen sich alle relevanten Greifparameter im Voraus konfigurieren.

Im zweiten Anwendungsfall haben die Forscher ein neuartiges Wechselfingersystem zur Handhabung unterschiedlichster Fahrwerkkomponenten (Spurstangen) entwickelt. Systeme mit weichen Materialien können die exakte Positionierung des Bauteils im Greifer meist nicht gewährleisten. Daher wird oft mittels Wechselschnittstelle am Roboter der komplette Greifer ausgetauscht, was zu hohen Kosten führt.

Bei dem neuen Wechselfingersystem wurden lediglich die Greifbacken ausgetauscht und somit die Anzahl redundanter Greifer deutlich reduziert. Durch Anpassen der produktseitigen Greifbackengeometrie ließen sich unterschiedlichste Bauteile nun sicher greifen.

Elastizität der Greifbacken genutzt

Die Greifbacken können Kräfte in allen Raumrichtungen aufnehmen. Für den automatisierten Wechsel sind keine Werkzeuge, zusätzliche Antriebe oder Sensoren nötig, da dies durch die Bewegung des Roboters erfolgt, was den Vorgang robust und wartungsfrei macht. Das System ist modular aufgebaut, kann bei Bedarf Druckluft oder Vakuum übertragen und ist laut Zimmer einfach in Anwendungen integrierbar.

Im dritten Anwendungsfall untersuchten die Experten, wie man die Elastizität der Greifbacken dafür nutzen kann, um insbesondere Bauteile mit hohen prozess- und geometriebedingten Toleranzen zu handhaben. Dazu hatte die Zimmer Group eine spezielle Greifbackengeometrie entwickelt, die je nach eingesetztem Material eine definierte Flexibilität zuließ.

Im Zusammenspiel mit einem universellen Zuführsystem konnten die Forscher im Projekt prozesssicheres Greifen zeigen. Sie haben einen End-of-Arm-Systembaukasten entwickelt, um den Greiferwechsel für Anwendungen auch im Bereich der Mensch-Roboter-Kollaboration sowie auf mobilen Manipulatoren zu vereinfachen. Mittels eines werkzeuglosen mechatronischen Schnellwechselsystems mit Luft-, Strom- und Signalübergabe können mehrere Greifer, Kamerasysteme und Sensoren direkt und ohne außen liegende Kabel mit dem Roboterflansch verbunden werden. Sie tauschen ihre Informationen mit der Robotersteuerung aus und lassen sich entsprechend parametrieren und bedienen. In den vergangenen Jahren entwickelte die Zimmer Group HRC-Greifer (HRC: Human-Robot Collaboration) für unterschiedliche Anwendungsfelder, welche die DGUV zertifiziert hat.

Auf der diesjährigen Motek wird es einen gemeinsamen Stand der Forschungsprojekte aus KoMo geben, die sich mit der Wandlungsfähigkeit befasst haben. Das sind neben FreeMoVe die Projekte ProMoa und Mikrokomo. Auf der Messe werden die Partner die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentieren.

Motek: Halle 3, Stand 3405

Erschienen in Ausgabe: 06/2019
Seite: 28 bis 29

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