Robotersysteme

Automatisch verdrahtet

Verdrahtung von Schaltschränken. Im Projekt RoboSchalt wird an einer robotergestützten Lösung zur Automatisierung einzelner Montageschritte in der Herstellung von Schaltschränken geforscht – mit Fokus auf der Verdrahtung der Komponenten.

Aufnahme während der Verdrahtung. © Ruhr-Universität Bochum

Schaltschränke werden in vielen Bereichen der Industrie benötigt und entsprechend ist deren Herstellung von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Jedoch wird durch die Individualität der Schaltschränke die Herstellung immer noch manuell mit hohem Kostenaufwand durchgeführt. Daher wird im Forschungsprojekt RoboSchalt derzeit an einer robotergestützten Lösung zur Automatisierung einzelner Montageschritte gearbeitet. Der Projektfokus liegt in der Automatisierung der Verdrahtung der im Schaltschrank verbauten Komponenten. Allerdings soll das Automatisierungskonzept ausreichend flexibel sein, um auch andere Montageprozesse, wie die Bestückung von Klemmen, potenziell automatisieren zu können.

Service-orientierte Architektur
Üblicherweise werden im Programm des Industrieroboters die Werkzeugkoordinaten (TCP, Tool Center Point), notwendige Werkobjekte und Posen relativ zu den Werkobjekten definiert. Mit diesen Informationen kann dann der gewünschte Bewegungsablauf programmiert werden. Diese monolithische Vorgehensweise führt allerdings zu einem zentralen Problem: die Definition der Werkzeugdaten im Roboterprogramm führt zu einer engen Verknüpfung zwischen Werkzeug und Roboter. Sobald ein weiterer Prozess betrachtet wird, ergeben sich aufgrund eines neuen Werkzeugs auch andere Werkzeugdaten. Zudem ist der Bewegungsablauf anders. So erfolgt beispielsweise die Montage einer Ader in eine Klemme mit Push-In-Technik durch eine lineare Vorwärtsbewegung, während die Montage der Klemme auf eine Hutschiene eine kippende Bewegung erfordert. Damit erhöht sich die Komplexität des Roboterprogramms mit jeder neuen Aufgabe und die Erweiterbarkeit, die Wiederverwendbarkeit sowie die Wartbarkeit einzelner Module werden erschwert.

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Als Lösungsansatz wird eine service-orientierte Architektur (SOA) umgesetzt. Jeder Dienst soll dabei abgeschlossen sein, also unabhängig von den anderen Diensten arbeiten, auch wenn durchaus andere Dienste zur Erfüllung einer Aufgabe genutzt werden können.

Roboter mit Werkzeug an der Montageposition. © Ruhr-Universität Bochum

Ausgehend von den Planungsdaten ist der erste Dienst der Geometrie-Dienst. Dieser erzeugt aus den Auftragsdaten ein umfassendes digitales Modell des Schaltschranks. Das Modell hat neben einer dreidimensionalen Darstellung detaillierte Informationen der einzelnen Komponenten, wie die Einsteckpositionen der Adern. Die Basis bildet dabei eine Wissensdatenbank, welche spezifische Informationen über einzelne Komponenten liefert. Zusammen mit Planungsdaten wird das Modell im systemneutralen AutomationML-Standard erstellt und kann von anderen Diensten genutzt werden um zum Beispiel Montagepositionen abzufragen.

Der wesentliche Unterschied zur monolithischen Umsetzung wird im Handhabungs-Dienst deutlich. Dieser umschließt neben einem Software-Anteil die Steuerung des Industrieroboters. Dabei verfügt der Dienst – und damit auch der Industrieroboter – über keine Informationen über das geführte Werkzeug. Dadurch wird die Implementierung der Roboterbewegung von den spezifischen Montagebewegungen des jeweiligen Werkzeugs getrennt und der Dienst kann unverändert bleiben, wenn das Werkzeug getauscht wird. Die verbleibenden Aufgaben des Dienstes sind damit das Anfahren von anlagenspezifischen Posen, wie der Ort einer externen Inspektionskamera, sowie das Anfahren von schaltschrankspezifischen Posen, beispielsweise die Montageposition einer Ader für eine bestimmte Klemme. Da die schaltschrankspezifischen Posen aus den Planungsdaten gewonnen werden, ist die Schnittstelle derart ausgelegt, dass Sollposen angegeben werden können. Montagebedingte Toleranzen werden vom Dienst automatisch erkannt und ausgeglichen, sodass die Nutzung stark vereinfacht wird.

Zur Realisierung der Verdrahtungsaufgabe sind zwei weitere Dienste erforderlich: der Werkzeug-Dienst, welcher die Handhabung der Adern übernimmt, sowie ein externer Inspektionsdienst, welcher zur Analyse der Enden eines gegriffenen Kabels dient.

Orchestrierung der Dienste
Unter Nutzung der service-orientierten Architektur kann eine Montageaufgabe durch Orchestrierung der einzelnen Dienste umgesetzt werden. Für das Einstecken eines Kabels in eine Klemme wird das Kabel gegriffen und die Einsteckposition angefahren. Die Einsteckposition wird über den Geometrie-Dienst geliefert. Toleranzen im Kabel werden vom externen Inspektions-Dienst und Toleranzen im Schaltschrank von Handhabungs-Dienst ausgeglichen. Die Komplexität der Aufgabe wird dadurch auf die unterschiedlichen Dienste verteilt, wodurch die jeweilige Komplexität innerhalb der einzelnen Dienste geringer ist und diese allgemeiner genutzt werden können. Damit wird die Wiederverwendbarkeit einzelner Dienste verbessert und die Flexibilität des Gesamtsystems erhöht. Das so aufgebaute System kann derzeit einzelne Kabel montieren und in den Kabelkanal ein- bzw. ausfädeln. Im weiteren Projektverlauf wird an der Anbindung eines Kabelmagazins sowie an der Behandlung des Füllstandes der Kabelkanäle gearbeitet, sodass der Verdrahtungsprozess vollständig automatisiert werden kann. 

Das Forschungsprojekt RoboSchalt (Förderkennzeichen ZF4060720RP7) wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. S. Spies, B. Kuhlenkötter/as


Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS)

Kurz erklärt: Der LPS
Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) wird von Prof. Dr. Bernd Kuhlenkötter geleitet. Die wissenschaftliche Ausrichtung des LPS umfasst die Themenfelder Produktionsmanagement, Produktionsautomatisierung und Industrielle Robotik. Der LPS betreibt eine Lern- und Forschungsfabrik (LFF), in der die theoretischen Konzepte umgesetzt und evaluiert werden. Durch diese Demonstrationen der Ergebnisse fördert der LPS den Technologie-Transfer in die Wirtschaft..


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) © MHI e.V.

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: http://www.wgmhi.de.

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