09.07.2020

Wandlungsfähige Montage in frei vernetzten Systemen

Die Zukunft fest im Griff

In Automatisierung und Produktionstechnik stehen aktuell alle Weichen auf möglichst viel Flexibilität. Waren es bisher meist starre Prozesse mit großen Losgrößen, die für Automatisierung und Robotik besonders interessant waren, sind künftig vor allem flexible Systeme und Lösungen gefragt, die unterschiedliche Bauteile und Werkstücke handhaben können. Im Rahmen eines Forschungsprojekts hat die Zimmer Group verschiedene Greiferlösungen realisiert, mit denen sich diesen Herausforderungen der Zukunft gut begegnen lässt.


Hochflexibles Greifsystem für das Vorrichtungs-Handling bei Infineon
Bild: Zimmer GmbH

Bereits seit dem Jahr 2015 verstärkt die Bundesregierung im Rahmen ihrer Hightech-Strategie ihre Bemühungen, Deutschland auf dem Weg zum weltweiten Innovationsführer voranzubringen. Übergeordnetes Ziel war es, gute Ideen schnell in neue Produkte und Dienstleistungen zu überführen. Die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft in der deutschen Produktionsforschung sollte die Voraussetzungen dafür schaffen. Im Rahmen des Förderprogramms 'Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen' wurden Ideenwettbewerbe und Forschungsprogramme initiiert, damit Innovationen für die Produktion von morgen zum Nutzen der Gesellschaft weiterentwickelt werden können. Zielsetzung der Förderung war die Entwicklung, Gestaltung und Einführung neuartiger Systemlösungen zur Montage komplexer Stückgüter in produzierenden Unternehmen. Diese Lösungen sollten als anwendungsorientierte Beispiele am Lebenszyklus des zu montierenden Produktes und dem wirtschaftlich optimalen Automatisierungsgrad in der Montage ausgerichtet werden. Dabei konnten zwei unterschiedliche Gestaltungsfelder bearbeitet werden.

• kollaborative Montagesysteme

• wandlungsfähige Montageanlagen

Zum Ideenwettbewerb wurden insgesamt 41 Projektskizzen mit 345 Projektpartnern unter dem Stichwort 'Kompetenz Montage - kollaborativ und wandlungsfähig (KoMo)' eingereicht.

Frei vernetzte wandlungsfähige Montage

Aus einer dieser Projektskizzen entstand das Forschungsprojekt freeMoVe. Unter diesem Begriff sollte eine wandlungsfähige Montage in frei vernetzten Systemen verstanden werden. Ziel war die Entwicklung einer neuen Organisationsform für die flexible hochvariante Montage in kleinen Stückzahlen bis Losgröße 1. Grundlage der neuen Organisationsform war die Möglichkeit, die Bearbeitungsorte und Reihenfolge für jedes Produkt individuell nach Verfügbarkeit festzulegen (sogenannte Auftragsroute). Hierfür wurden die Planung und Gestaltung, die Steuerung und Informationsbereitstellung sowie die erforderliche wandlungsfähige Technik weiterentwickelt. Neben der Entwicklung der Organisationsform entstanden auch verschiedene technologische Bausteine, unter anderem ein merkmalsbasiertes Steuerungs- und Leitsystem mit Plug&Produce-Funktionen, mobile Roboter, flexible Zuführ- und Greiftechnik sowie Stationstechnik.

Gestaltung und Steuerung frei verketteter Montagesysteme

Im Forschungsprojekt untersuchte das WZL der RWTH Aachen zusammen mit den Industrieanwendern Infineon, ZF Friedrichshafen oder Philips Innovation Services und den Ausrüstern Zimmer Group, Ifsys, Henkel+Roth sowie Istec die Gestaltung und Steuerung frei verketteter Montagesysteme. Auch das Fraunhofer IPT wurde zur Unterstützung in das Projekt eingebunden. Als frei verkettet wird eine Lösung bezeichnet, die für jedes Produkt eine individuelle Auftragsroute bereitstellt und damit eine flexible Montageabfolge ohne zeitliche oder räumliche Restriktionen ermöglicht. Im Gegensatz zu einem starr verketteten Montagesystem, in dem die Auftragsroute bei der Systemgestaltung festgelegt wird, sind für frei verkettete Montagesysteme dynamische Routen charakteristisch. Die Festlegung der Route erfolgt individuell für jeden Auftrag und wird unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit geeigneter Montageressourcen kontinuierlich nachgeführt. Das Leitsystem setzt dabei Optimierungsalgorithmen für die größtmögliche Effizienz des Montagesystems ein.

Wandlungsfähige Stationstechnik

Die Zimmer Group zeichnete im Forschungsprojekt freeMoVe schwerpunktmäßig für die wandlungsfähige Stationstechnik verantwortlich. Dabei fokussierte das Unternehmen die Greiftechnik an mobilen Robotern bzw. die Entwicklung adaptiver und flexibler Greiflösungen. Das Handling 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 ein einfaches Anpassen der Greifbackengeometrie sind wichtige Anforderungen an eine adaptive Greiftechnik. Die Zimmer Group hat im Rahmen des Forschungsprojektes drei adaptive Greifsysteme für unterschiedliche Anwendungsfälle entwickelt. Dabei wurden auch moderne elektrische Lösungen berücksichtigt, die durch die stufenlose Einstellbarkeit von Kraft und Geschwindigkeit ein taktiles Arbeiten ermöglichen.

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Adaptives Greifsystem

Für eine roboterbasierte Beförderung verschiedener Produktionsvorrichtungen wurde ein flexibles Greifsystem entwickelt, das die Vorrichtungen an definierten Positionen sicher aufnimmt. Das aus mehreren Elektrogreifern bestehende System zeichnet sich durch seine extreme Vielseitigkeit und Flexibilität aus. Es 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 des Systems sind die schlanke Dimensionierung für den Einsatz an Leichtbaurobotern. Des Weiteren lassen sich alle relevanten Greifparameter im Voraus konfigurieren.

Wechselfingersystem für Fahrwerkkomponenten

In einem zweiten Anwendungsfall wurde von der Zimmer Group ein völlig neuartiges Wechselfingersystem zur Handhabung unterschiedlicher Fahrwerkkomponenten, sogenannter Spurstangen, entwickelt. Durch die Anpassung der Greifbackengeometrie ließen sich verschiedene Bauteile sicher greifen. Lösungen mit weichen Materialien können eine exakte Positionierung der Teile im Greifer jedoch meist nicht gewährleisten. Daher wird in der Praxis heute oft der komplette Greifer über eine Wechselschnittstelle am Roboter ausgetauscht, was zu hohen Kosten führt. Bei dem neuen Zimmer-Wechselfingersystem werden lediglich die Greifbacken ausgetauscht und somit die Anzahl redundanter Roboterkomponenten deutlich reduziert. Die Backen können dennoch Kräfte in allen Raumrichtungen aufnehmen. Für den automatisierten Wechsel sind weder Werkzeuge noch zusätzliche Antriebe oder Sensoren nötig. Er erfolgt allein durch die Bewegung des Roboters, was den Vorgang robust und wartungsfrei macht. Das System ist modular aufgebaut, kann Druckluft oder Vakuum übertragen und ist einfach in Anwendungen integrierbar.

Hohe prozess- und geometriebedingte Toleranzen

Im dritten Anwendungsfall wurde untersucht, wie sich die Elastizität von Greifbacken dafür nutzen lässt, um Bauteile mit großen prozess- und geometriebedingten Toleranzen zu handhaben. Dazu hat die Zimmer Group eine spezielle Backengeometrie entwickelt, die je nach eingesetztem Material eine definierte Flexibilität zulässt. Im Zusammenspiel mit einem flexiblen Zuführsystem konnte so im Forschungsprojekt ein prozesssicheres Greifen umgesetzt werden. Zur Vereinfachung des Greiferwechsels sowie für Anwendungen im Bereich der Mensch/Roboter-Kollaboration oder der mobilen Robotik hat das Unternehmen einen End-of-Arm-Systembaukasten entwickelt. Über ein werkzeugloses mechatronisches Schnellwechselsystems mit Luft-, Strom- und Signalübergabe können mehrere Greifer, Kamerasysteme und Sensoren direkt und ohne außenliegende Kabel mit dem Roboterflansch verbunden werden. Die Geräte tauschen ihre Informationen mit der Robotersteuerung aus und werden entsprechend parametriert und bedient. In den letzten Jahren hat die Zimmer Group mit der Baureihe HRC (human-robot collaboration) Greifer für unterschiedliche Anwendungsfelder entwickelt, die durch die DGUV für Cobot-Anwendungen zertifiziert sind.

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