Autonome Montage

Flexible Montage individueller Baugruppen

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Kollisionsfreie Bahnplanung für kooperierende Roboter

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FlappyBot

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Offlineprogrammiersystem für biegeschlaffe Halbzeuge

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Safe Autonomous Robot Assistant

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KoKo

KoKo

Kollisionsfreie Bahnplanung für kooperierende Roboter

Die Idee dahinter

Bereits jetzt gibt es automatisierte Fertigungsschritte, in denen zwei oder mehr Roboter zusammenarbeiten, um gemeinsam eine Aufgabe zu erledigen.

Ein klassisches Beispiel ist ein Roboterduo, in dem ein Roboter eine Autotür fixiert hält, während ein anderer Roboter Schweißarbeiten an der Tür vornimmt. In diesem Szenario sind die Bewegungen für jeden Durchlauf genau die Gleichen und können in einem langwierigen iterativen Prozess vorab geplant werden. In einer flexiblen intelligenten Fabrik, in der zusätzlich noch komplexere Transportaufgaben hinzukommen, muss die Planung schneller und dynamischer ablaufen.

Der Aufbau des Systems

Das am ZLP in Augsburg entwickelte System kann in einem virtuellen Abbild der Fertigungsumgebung kollisionsfreie Transportpfade finden.

Dabei gilt es nicht nur Kollisionen der Roboter untereinander, sondern auch mit der Umgebung und dem transportierten Material zu vermeiden. Die Planung der Pfade läuft intern über einen genetischen Algorithmus; die so gefundenen Pfade müssen im Allgemeinen noch geglättet werden, um einen ruckfreien Ablauf gewährleisten zu können.

Anwendungen

Das System wird hauptsächlich bei pick-and-place-Anwendungen eingesetzt, bei denen zwei Roboter einen Kohlenstofffaserzuschnitt von einem ebenen Aufnahmetisch in eine dreidimensional gekrümmte Form transportieren müssen. Es ist aber auch in der Lage, kollisionsfreie Bahnen für einen Roboter zu finden und kann daneben für die Handhabung von anderen Materialien wie zum Beispiel Aluminiumblechen verwendet werden.

Screenshot des Bahnplanungstools für kooperierende Roboter beim Transport eines Zuschnitts von einem ebenen Tisch in eine zylindrische Halbschale

Ansprechpartner:

Lars Larsen

Institut:

Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie

FlappyBot

FlappyBot

FlappyBot – der neue Freiheitsgrad für Fiberplacement

Die Idee dahinter

Große, flächige Faserverbundstrukturen für Verkehrsflugzeuge werden aufgrund von Automatisierbarkeit und Prozessstabilität vorwiegend im Fiberplacement-Verfahren hergestellt. Ein typischer Anwendungsfall sind die Flügelschalen.

Das Laminat wird aus bis zu 300 Einzellagen dünner, unidirektionaler Faserhalbzeuge aufgebaut. Der Ablegekopf wird dabei durch große Portalanlagen oder Knickarmroboter geführt. Entsprechend der Bauteilgröße eines Flügels und der erforderlichen Genauigkeit sind die Portalanlagen entsprechend groß und massiv ausgeführt. Kompaktere Knickarmroboter verfügen über eine eingeschränkte Reichweite. Mit kontinuierlicher Effizienzsteigerung in der Produktion entstand der Ansatz, mehrere Ablegeköpfe gleichzeitig an einem Laminat legen zu lassen. Eine robotergebundene Umsetzung dessen wird bereits in Stade entwickelt. Als zukünftige Ausbaustufe sind frei verfahrbare, kabellose, autonome Plattformen denkbar, die die bisherigen Führungskinematiken obsolet machen. Schwarmähnliche Effizienz mehrerer kooperierender Einheiten und Redundanz durch Austauschbarkeit einzelner Einheiten machen das Fertigungssystem wirtschaftlicher und robuster.

Der Aufbau des Systems

Der Ansatz frei verfahrbarer, mobiler Einheiten wird seit einer Prämierung durch den DLR-Idea-Award verfolgt. Die zentrale Herausforderung des Verfahrens – dem Fahren auf dem Laminat ohne unzulässige Beschädigungen – wurde auf einem Prüfstand untersucht.

Aufgrund der Prozesscharakteristik sind als Radlösung Kugelradmodule am besten geeignet. Die selbstfahrenden Einheiten verfügen dabei über jeweils drei Kugelradmodule. Insbesondere bei Richtungsänderungen verhalten sich diese schonender gegenüber dem noch unausgehärteten Laminat. Gleichzeitig ist die im Vergleich zu konventionellen Rädern höhere Flächenpressung unter der Kugel nicht kritisch. An einem Prüfstand werden für kommende Ausbaustufen weitere kritische Parameter wie beispielsweise das viskoelastische Verhalten des Fasermaterials und die Schlupfcharakteristik zwischen Kugel und Laminat untersucht. Parallel zur Validierung der Auswirkungen auf das Laminat wird das Antriebsmodul entwickelt und in das Mockup implementiert.

Anwendungen

Für Fiberplacement sind Portalsysteme und Knickarmroboter durch Legeleistung und Genauigkeit Benchmark. Solche Systeme sind durch ihren großen Umfang an Hardware und baulichen Voraussetzungen jedoch nur bedingt skalierbar. Das Projekt FlappyBot hat das Ziel, den Entwicklungsfortschritt der mobilen Robotik für Fiberplacement zugänglich zu machen.

Mehrere selbstfahrende, kabellose Robotereinheiten sollen das Laminat aus Fasermaterial aufbauen. Schwarmähnlich sollen die Einheiten kooperieren und für Fiberplacement erstmalig eine Redundanz ermöglichen, um Stillstandzeiten durch Bestückung, Wartung und Reinigung abzufangen. Diese Flexibilität ist der entscheidende Vorteil des Fertigungssystems. Die Fertigungstechnik von kommenden Nurflügler-Flugzeugkonfigurationen könnte aufgrund der guten Skalierbarkeit und des geringen Hardwareumfangs ebenfalls von FlappyBot profitieren. Ein Zwischenschritt in der Entwicklung von FlappyBot im skalierten Maßstab können NDT-Anwendungen parallel zum Ablegeprozess oder der vollständig ausgehärteten Flügelschalen sein.

Fiberplacement durch autonome selbstfahrende Einheiten

Mehrere Einheiten kooperieren und verfahren ohne Führungskinematik

Ansprechpartner:

Philipp Sämann M.Sc.

Institut:

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

OLP

Offlineprogrammiersystem für biegeschlaffe Halbzeuge

Die Idee dahinter

Bei der Produktion von Kohlefaserverbundstoffen ist ein wichtiger Schritt die Aufnahme eines zweidimensionalen Zuschnitts aus Kohlefasern und dessen Ablage in einer dreidimensionalen Form.

Im Zuge der automatisierten und digitalisierten Fertigung wird dies von Robotern mit geeigneten Greifern durchgeführt. Herkömmliche Offlineprogrammiersysteme stoßen dabei schnell an ihre Grenzen, weshalb der Wunsch nach einem eigenen System entstand.

Der Aufbau des Systems

Das System liest aus einem speziell aufbereiteten Exportfile aus einem CAD-Programm sowohl die 2D- als auch die 3D-Kontur der zu legenden Zuschnitte aus.

Daneben enthält dieses File noch eine Reihe von korrespondierenden Punktepaaren in 2D und 3D, die zur Umrechnung von 2D- in 3D-Positionen genutzt werden. Aus anderen File können Informationen über die verwendeten Greifer ausgelesen werden, die der Nutzer dann auf den zweidimensionalen Zuschnitten platzieren kann, während das System die Umrechnung in die zugehörige dreidimensionale Position übernimmt. Im Kontext von Industrie 4.0 wurde auch eine auf OPC-UA basierende Schnittstelle geschaffen.

Anwendungen

Ursprünglich geplant für das Handling von einfachen kleinen Zuschnitten mit einem Greifer wurde das System weiter entwickelt und kann nun auch mit größeren Zuschnitten umgehen, die von mehreren, auch unterschiedlichen Greifern gegriffen werden müssen. Daneben zeigte es seine Flexibilität, als es auch für die Prozessplanung für das Legen von großen Aluminiumblechen Verwendung fand.

Screenshot des Offlineprogrammiersystems bei der Aufnahem eines Zuschnitts mit zwei gekrümmten Greifern

… und der Ablageposition

Ansprechpartner:

Roland Glück

Institut:

Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie

Flexible Montage individueller Baugruppen

Flexible Montage individueller Baugruppen

Die Idee dahinter

Die individualisierte Fertigung und kürzere Produktlebenszyklen sind aktuelle Trends, die die industrielle Produktion maßgeblich verändern werden. Autonome und kognitive robotische Systeme rücken in den Vordergrund, um die notwendige Flexibilität und Wandlungsfähigkeit für die Produktion der Zukunft zu unterstützen: Die automatisierte Herstellung von Einzelstücken wird möglich.

Die Vision zielt auf eine einfache Handhabung und Integration ab: Das Institut für Robotik und Mechatronik des DLR entwickelt ein Montagesystem, das einerseits mit weniger Fachwissen bei den Benutzern auskommt, andererseits aber in der Lage ist, komplexe Produkte und verschiedene Varianten davon zu fertigen. Dabei soll der Aufwand für die Implementierung neuer Aufgaben deutlich gesenkt werden. Gleichzeitig soll das System dem Benutzer die Arbeit erleichtern, indem es Planungsaufgaben selbständig übernimmt. Im Extremfall soll lediglich das gewünschte Endprodukt durch den Kunden vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise über eine Schnittstelle zur intuitiven Produktkonfiguration geschehen. Hochentwickelte Planungsalgorithmen erstellen daraufhin automatisch eine Folge von Montageschritten.

Der Aufbau des Systems

Das System des DLR basiert auf verschiedenen Planungseinheiten. Zentral sind die Flexibilität und der Grad an Autonomie der Plattform: Ein Algorithmus findet geeignete Montagesequenzen, die von dem System ausgeführt werden können. Methoden zur Greifplanung, die automatische Analyse von Erreichbarkeiten in der Arbeitszelle und die kollisionsfreie Planung von Bewegungen machen das System besonders flexibel – auch mit Blick auf verschiedene Produktvarianten.

Zentral ist die Anpassungsfähigkeit an neue Aufgaben. Die Vorstellung, dass der Roboter über Fähigkeiten verfügt, die in unterschiedlichen Situationen einfach wiederverwendet werden können, wird von der Planung bis zur Ausführung durchgängig umgesetzt. Der Aufbau besteht aus zwei Leichtbaurobotern LBR iiwa der Firma KUKA. Deren besondere Eigenschaften ermöglichen eine zuverlässige Ausführung, der auch Unsicherheiten in der Arbeitszelle nichts ausmachen. Durch die integrierte Kraftsensorik wird eine feinfühlige Montage möglich wird. Daher können auch die Anforderungen an die absolute Genauigkeit eines Aufbaus herabgesetzt werden.

Anwendungen

Aktuell baut das System Aluminiumprofile zu komplexen Strukturen auf. Das Design des zweiarmigen Systems zielt darauf ab, die Anzahl der spezialisierten Systemeinrichtungen zu reduzieren und so die Montage von großen und unterschiedlichen Produktfamilien zu ermöglichen. Das System kann verschiedene Produkte fertigen, die über ein einfach zu bedienendes Tablet Interface konfiguriert werden. Folgende Teilaufgaben muss das System erledigen: Profile und Verbindungswinkel platzieren, Einlegemuttern einfügen und Verbindungen zusammenschrauben. Die zwei Roboterarme arbeiten dabei so zusammen, dass diese Aufgaben ohne spezielle Werkstückhalterungen gelöst werden können.

Der Nutzer definiert das gewünschte Produkt über einen intuitiv bedienbaren Konfigurator

Nach kurzer Planung baut das Robotersystem selbstständig das gewünschte Produkt (Video)

Ansprechpartner:

Korbinian Nottensteiner

Institut:

Institut für Robotik und Mechatronik

SARA

SARA

Safe Autonomous Robotics Assistant (SARA)

Die Idee dahinter

Robotische Fertigungsassistenten müssen gefühlvoll, flexibel und einfach zu bedienen sein – und mehr. Der DLR Safe Autonomous Robotic Assistant soll die robotische Montageunterstützung auf ein neues Level heben.

DLR SARA zeigt erstmalig das Erlernen von Wirktrajektorien: Die Interaktionskräfte, die der Werker im Verlauf der Montage vorgibt, wenn er den Roboter führt, werden gespeichert und können als ‚Filmschnipsel‘ abgespielt oder für Lernalgorithmen verwendet werden.Werkzeugwechsel erfolgen mit dem integrierten Werkzeugwechsler in Sekunden, um die Ausführung komplexer Montageabläufe abbilden zu können. Und Kontakte und Kollisionen werden in nie dagewesener Signalqualität erfasst und zur Reaktion verwendet.

Der Aufbau des Systems

Eine komplett neue, patentierte Anordnung von Kraft- und Drehmomentsensoren erlaubt die Unterscheidung von Führ- und Kontaktkräften. Per PCI Express kann der Steuerungs PC jederzeit bis in die Spitze des Roboters zugreifen.

Die spezielle Sensoranordnung nutzt die Unterscheidung der eingeleiteten Kräfte, um den Roboter schwerelos zu regeln. Nur in diesem Zustand wird der Roboter ‚transparent‘, also kommen die vom Werker aufgebrachten Kräfte auch am Werkstück an. Damit kann in nie dagewesener Qualität gemessen werden, was am Werkstück passieren soll. Um Kontakte optimal erfassen zu können, und um den Roboterarm in der vollen Steifigkeit der Mechanik, aber auf Wunsch auch nachgiebig wie eine Feder regeln zu können, wird der gesamte Arm im 8kHz Takt ausgelesen und kommandiert. PCI Express zugriff auf alle intelligenten Komponenten ermöglicht die maximale Flexibilität in der Entwicklung, bei der Erweiterung und in der Signalanalyse der Roboterdaten.

Anwendungen

Im Rahmen der Factory of the Future ist SARA die zentrale Komponente für vollständig autonome Montage. Einfache Logistiksysteme und durchdachte passive Elemente reichen, um vollständig autonom für Montageaufträge zu rüsten, und diese abzuarbeiten. Durch die besonderen Fähigkeiten des Arms, zusammen mit der intelligenten Planungssoftware des Instituts für Robotik, werden komplexe Montageaufgaben oder kleine Losgrößen automatisierbar.

Die Zustandsregelung mit Kraftrückkopplung erlaubt, abgestimmte Gebinde und Vorrichtungen gezielt und passgenau im Arbeitsraum zu platzieren, sodass prozesssicher darauf zugegriffen werden kann. Auf diese Weise kann in einer Fabrik mit mehreren Stationen vom Serienprodukt bis zum wiederkehrenden Einzelauftrag eine breite Palette von Arbeiten ausgeführt werden, sogar nachts. Durch die flexible Verkettung von Stationen kann ein Ausfall oder eine Blockade einer Station kompensiert werden.

Roboterarm SARA beim Montageprozess einer Gehäuseabdeckung.

Safe Autonomous Robotic Assistent (SARA) mit Motorblock.

Ansprechpartner:

Oliver Eiberger

Institut:

Institut für Robotik und Mechatronik