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Für Mehrachs-Roboteranwendungen. Beim RSP (Rückzugsystem Pneumatik) wird die Kraft über einen Pneumatikzylinder erzeugt. Aucht bei schweren Kabeln ist in jeder Position für den Rückzug der mehrdimensional beweglichen Energiekette gesorgt.

Für Mehrachs-Roboteranwendungen. Beim RSP (Rückzugsystem Pneumatik) wird die Kraft über einen Pneumatikzylinder erzeugt. Aucht bei schweren Kabeln ist in jeder Position für den Rückzug der mehrdimensional beweglichen Energiekette gesorgt.Igus

Der Sechs-Achs-Roboter der Fraunhofer-Projektgruppe Fügen und Montieren (FFM) wird ausschließlich für Forschungszwecke eingesetzt, um komplexe Klebeapplikationen im Leichtbau in Großstrukturmontage zu realisieren. Umrüstungen, die flexibel gehandhabt werden müssen, sind dort an der Tagesordnung. „Wir entwickeln und automatisieren maßgeschneiderte Montageabläufe, die kleb- und niettechnische Fügeprozesse sowie Bohren, Besäumen und Flächenfräsen umfassen können“, berichtet Sarah Ernst von der Projektgruppe im Großforschungszentrum CFK Nord in Stade, einem Außenstandort des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen. „Bei uns werden integrierte Systemlösungen, Fertigungs- und Anlagenkonzepte erarbeitet, die sich im Maßstab 1:1 realisieren lassen.“

Kunden kommen vor allem aus dem Flugzeugbau, aber auch der Automobilbranche und aus dem Bereich der Erneuerbaren Energien. Gewichtsersparnis bei hoher Robustheit machen Hightech-Leichtbaumaterialien in vielen Anwendungen alternativlos. Nachdem sich sowohl glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) als auch carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in der Industrie etabliert haben, ist zu erwarten, dass ihr Einsatz in Zukunft weiter zunehmen wird. Dies erfordert eine stetige Weiterentwicklung und zunehmende Automatisierung der Produktionsprozesse, die besonders im Bereich der Großstrukturmontage zahlreiche Probleme mit sich bringen. Eines davon ist die Klebetechnik. Vor allem das präzise Positionieren der Bauteile vor dem Fügeprozess ist ein wichtiger Faktor für die spätere Langzeitqualität der Verbundwerkstoff-Komponenten.

Markus Böhm (Technischer Verkaufsberater E-Kettensysteme, Igus), Sarah Ernst (Fraunhofer-Projektgruppe Fügen und Montieren FFM), Jörg Ottersbach (Leiter Branchenmanagement Automotive

Markus Böhm (Technischer Verkaufsberater E-Kettensysteme, Igus), Sarah Ernst (Fraunhofer-Projektgruppe Fügen und Montieren FFM), Jörg Ottersbach (Leiter Branchenmanagement Automotive & Robotics, Igus) vor dem Roboter, der sich nicht verheddert.Igus

Eine automatisierte Montage von Großbauteilen mit niedrigen Fertigungstoleranzen ist mehr als anspruchsvoll. Die annähernd biegeschlaffen Bauteile werden automatisiert in Position und in die gewünschte Form gebracht. Danach werden in Umfangsrichtung die notwendigen Versteifungen im Rumpf oder um die Tür- und Fensterstrukturen aufgebracht, das heißt verklebt. Diese Prozesse erfolgen auf flexibel konfigurierbaren Anlagen mithilfe von Robotern, die sich auf Linearachsen an den Großbauteilen entlang bewegen können.

Anspruchsvolle Montageprozesse

„Wir verfügen über langjährige Erfahrungen im Bereich des klebtechnischen Fügens und bieten teil- und vollautomatisierte Prozesse an, mit denen wir eine hohe Sicherheit und Langzeitbeständigkeit der Klebverbindungen erreichen“, so Sarah Ernst. „Auch die Kombination von Kleben und Nieten, wie es im Flugzeugbau heute noch Stand der Technik ist, gehört zu unserem Portfolio.“

Auf der Achse 1 ist eine robuste Energiezuführung im Einsatz.

Auf der Achse 1 ist eine robuste Energiezuführung im Einsatz.Igus

Ein Industrieroboter für solche anspruchsvollen Montagearbeiten bewältigt eine Traglast von 240 kg, hat eine Reichweite von 3.100 mm und ist mit Energiezuführungen von Igus ausgerüstet. Auf der Achse 1 ist die leise Energiekette aus der Serie E4.1 mit rückwärtigem Biegeradius im Einsatz. Für die Energie-, Daten- und Medienzuführung der Achsen 2 bis 6 wird die mehrdimensional bewegliche Energiekette Triflex R in geschlossener Ausführung (TRC) eingesetzt. Der Energieketten-Baukasten des Unternehmens speziell für Roboteranwendungen umfasst rund 250 Komponenten, um Leitungen und Schläuche sicher um schwierige Geometrien zu führen.

Auf der zugehörigen Montageanlage werden zurzeit Bauteile der Größenordnung 4 mal 4 m bearbeitet; 8 mal 8 m-Bauteile sind in Planung. Mithilfe des Roboters werden regelmäßig Versuchsreihen gefahren, die die Forscher anschließend auswerten. Außerdem stehen die erreichbaren Geschwindigkeiten bei der Oberflächenvorbehandlung oder beim eigentlichen Kleb- und Fügeprozess im Mittelpunkt der Tests, um optimale Bedingungen für die Prozesse festzulegen.

Kabel und Leitungen im Zaum halten

Der Clou dieser Mehrachs-Roboteranwendung ist allerdings das einstellbare Rückzugsystem RSP (Rückzugsystem Pneumatik) zur sicheren Leitungsführung auch bei großen Armdurchmessern und komplexen Bewegungen. Beim RSP wird die Kraft über einen Pneumatikzylinder erzeugt; und nicht über eine Feder, wie bei herkömmlichen Systemen. Die Rückzugskraft lässt sich über die Druckveränderung im Zylinder einstellen. Der Kraftverlauf bleibt immer konstant, das sorgt auch bei schweren Befüllungen mit Leitungen und Schläuchen in jeder Position für einen sicheren Rückzug der Kette. Das RSP lässt sich durch kompakte Befestigungskonsolen auf den verschiedenen Robotermodellen schnell und einfach installieren. Die Systeme mit unterschiedlichen Auszugslängen, die zwischen 500 und 1.000 mm liegen können, benötigen nur wenig Platz und sind leicht. In dieser Anwendung liegt der Auszugsweg bei rund 800 mm. „RSP ist sehr flexibel und kann in allen Arbeitspositionen eingesetzt werden“, so Jörg Ottersbach, Leiter Branchenmanagement Automotive & Robotics E-Kettensysteme bei Igus.

Die mehrdimensional bewegliche Energiezuführung hat einen Durchmesser von 125 mm. Zurzeit ist kein größeres Volumen erhältlich.

Die mehrdimensional bewegliche Energiezuführung hat einen Durchmesser von 125 mm. Zurzeit ist kein größeres Volumen erhältlich.Igus

Um die schweren Schlauch- und Leitungspakete sicher führen zu können, kommt eine Energiezuführung mit einem Durchmesser von 125 mm zum Einsatz. Es handelt sich um das maximale derzeit auf dem Markt erhältliche Volumen für die Achsen 3 bis 6. „Wir planen, in absehbarer Zeit ein noch größeres System zur Verfügung zu stellen, da sich das Anforderungsprofil an den Befüllungsgrad branchenübergreifend ständig erhöht“, gibt Ottersbach zu bedenken. „Dem wollen wir Rechnung tragen.“

Während der zahlreichen Auswertungen steht die Anlage still. Aus diesem Grund spielt eine lange Lebensdauer oder hohe Zyklenzahlen der Energieketten eine untergeordnete Rolle. Sarah Ernst erläutert: „Uns kommt es auf Flexibilität beim Umrüsten an. Die sechste Achse ist mit einem Werkzeugwechselsystem für eine Plasma- und Dosieranlage sowie einem Messsystem und Greifer ausgestattet, die immer wieder schnell umgebaut werden müssen.“ Geplant ist außerdem noch der Einsatz einer Strahlanlage. Jedes Endgerät besitzt eine Vielzahl von Schläuchen und Leitungen, die jeweils sauber und sicher in der Energiekette geführt werden müssen, damit Prozesssicherheit auf Dauer gegeben ist.

Über die Druckveränderung im Pneumatikzylinder lässt sich die Rückzugskraft des Systems einstellen. So bleibt der Kraftverlauf nahezu konstant. Ein Druckausgleichsbehälter (rechts unten im Bild) spart zusätzlich Druckluft.

Über die Druckveränderung im Pneumatikzylinder lässt sich die Rückzugskraft des Systems einstellen. So bleibt der Kraftverlauf nahezu konstant. Ein Druckausgleichsbehälter (rechts unten im Bild) spart zusätzlich Druckluft.Igus

Aber das Anforderungsprofil geht noch weiter. Das Werkzeugwechselsystem benötigt auch viel Platz. Denn es müssen viele Steckerverbindungen untergebracht werden. Da die Bauteile über der Achse liegen, muss der Roboter auch über Kopf arbeiten. Das können nicht viele Energieketten. Außerdem soll er jederzeit seinen kompletten Arbeitsraum behalten, da in Zukunft auch noch andere Anwendungen auf ihm gefahren werden. „Hier kennen wir natürlich nicht den konkreten Platzbedarf, den wir dann brauchen“, gibt Sarah Ernst zu bedenken. Die äußeren Umgebungsbedingungen sind dagegen eher unspektakulär. Zwar fallen geringfügig Stäube und Dämpfe der applizierten, zum Teil warmen, Klebstoffe an, die aber kein Problem für die geschlossene, robuste Energiezuführung sind.

Den Roboter überwachen

Zusätzlich nutzt die Fraunhofer FFM ein optional erhältliches Wegüberwachungssystem. Es ist für Roboter mit häufig wechselnden, alternierenden oder nicht hundertprozentig vorhersehbaren Programmabläufen geeignet. Besonders für durch Kamera oder Bilderfassungssysteme gesteuerte Roboter ist dieses Zubehör sinnvoll. Die Überwachung erfolgt per Verbindung mit der Robotersteuerung oder SPS. Sollten vorgegebene Toleranzwerte überschritten werden, gibt das Condition-Monitoring-System ein frühzeitiges Signal. Auch beim häufigen Um-Teachen oder der generellen Programmierung bietet es zusätzliche Sicherheit.

„Als Forschungseinrichtung haben wir im Roboter viele Weiterentwicklungen realisiert“, verdeutlicht Sarah Ernst. „So haben wir beispielsweise eigene Module für die Steuerungstechnik entwickelt und das Gesamtsystem größtenteils selbst aufgebaut.“ Der Roboter ist über die konkreten Anforderungen vor Ort hinaus flexibel ausgelegt und seit Frühjahr 2012 im Einsatz. „Sowohl die Erfahrungen mit der Energiekette als auch mit dem integrierten Rückzugsystem, die beide in Kombination erstmals in dieser Größenordnung zum Einsatz kommen, sind von Anfang an gut. Die geforderte Flexibilität und Zuverlässigkeit ist vom ersten Tag der Inbetriebnahme an gewährleistet worden.“

Markus Böhm

Technischer Verkaufsberater E-Kettensysteme bei der Igus GmbH in Köln.

(mf)

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