Die Software Robot Programming Suite von ArtiMinds Robotics kommt bei ZF Friedrichshafen zum Einsatz, um neue Roboteranwendungen vorab zu simulieren und Programmcode per Baukastenprinzip zu generieren, um diesen herstellerunabhängig auch für Roboteranwendungen an anderen Standorten zu nutzen.

ZF Friedrichshafen setzt die Software Robot Programming Suite (RPS) von ArtiMinds Robotics ein, um neue Roboteranwendungen vorab zu simulieren und Programmcode per Baukastenprinzip zu generieren. Diese lässt sich herstellerunabhängig auch für Roboteranwendungen an anderen Standorten nutzen. ZF

Für die Produktion setzt ZF Friedrichshafen zahlreiche Industrieroboter ein, wobei durch Zukäufe immer wieder neue Modelle anderer Hersteller hinzukommen. Bereits diese Vielfalt an Robotersystemen ist für ZF eine Herausforderung. Hinzu kommt, dass der Markt für Roboter sich rasant weiterentwickelt: Wo es früher nur die großen Industrieroboter in den Produktionsstraßen gab, sind in jüngerer Zeit vermehrt Leichtbauroboter hinzugekommen. Sie werden auch als kollaborative Roboter bezeichnet, da sie die Mitarbeiter direkt an ihren Arbeitsplätzen, ohne Einhausung, unterstützen sollen. Ihre Programmierung erfordert aber nach wie vor einen Experten.

Uwe Wachter ist bei ZF Friedrichshafen Leiter des Production Tech Center Robotics and Vision. Er berichtet: „Vor ungefähr dreieinhalb Jahren haben wir das Production Tech Center Robotics mit Sitz in Schweinfurt gegründet. Wir sind der Bereich im ZF-Konzern, der sich um neue Technologien wie etwa Leichtbauroboter, Kamerasysteme oder Software-Lösungen, etwa künstliche Intelligenz, für die Produktion kümmert.“

Software für eine universelle Roboterprogrammierung

Nach der Auswahl des Programmbausteins leitet ein Wizards Schritt für Schritt durch die Parametrierung , so dass sich die Bewegungsabläufe des Roboters sehr einfach konfigurieren lassen.

Nach der Auswahl des Programmbausteins leitet ein Wizards Schritt für Schritt durch die Parametrierung , so dass sich die Bewegungsabläufe des Roboters einfach konfigurieren lassen. ArtiMinds

Im Roboterkonfigurator wählt der Anwender seinen Industrieroboter und die dazugehörigen Peripheriegeräte aus. Für dieses Set-up wird am Ende der native Robotercode erzeugt.

Im Roboterkonfigurator wählt der Anwender seinen Industrieroboter und die dazugehörigen Peripheriegeräte aus. Für dieses Set-up wird am Ende der native Robotercode erzeugt. ArtiMinds

In seiner Rolle als Technologie-Scout und -Berater ist Uwe Wachter immer auf der Suche nach neuen Lösungen, die die Arbeit erleichtern. So wurde er auf die Software von ArtiMinds aufmerksam: „Die Robot Programming Suite ermöglicht uns eine universelle Roboterprogrammierung auf einer qualitativ höheren Ebene.“ Der Clou bei der Robot Programming Suite (RPS): Einmal eine Roboterapplikation in der RPS entwickeln – läuft diese jederzeit auf verschiedenen Robotersystemen. Dazu Wachter: „Wenn wir beispielsweise in Schweinfurt eine Anwendung für Roboter des Herstellers A entwickeln, dann können wir anschließend aus diesem Quellcode auch das lauffähige Programm für Roboter des Herstellers B generieren. Dafür müssen wir lediglich unser Robotersetup im Roboterkonfigurator der RPS ändern. Das generierte Programm schicken wir dann per E-Mail zu unserem Werk in Portugal. Dort können die Kollegen mit ihrem Robotersystem B die gleiche Produktion fahren wie wir in Schweinfurt mit dem Robotersystem A.“

Seitdem Wachter die ArtiMinds Robot Programming Suite für sich und sein Team entdeckt hat, entwickelt er damit Lösungen für verschiedene Aufgabenstellungen. Hier drei Beispiele solcher Roboterapplikationen:

  • Der Einsatz eines Leichtbauroboters im Laborumfeld,
  • die Durchführung von Simulationen für Machbarkeitsstudien und
  • die Entwicklung einer Anwendung für eine Aufgabe, die bislang als nicht automatisierbar galt.

Roboterapplikationen I: Der Roboter als flexibler Laborgehilfe

ArtiMinds RPS bietet die Möglichkeit, CAD-Modelle zu importieren. So lassen sich auch die Bewegungsbahnen von Bauteilen mit komplexen Geometrien schnell erstellen und z.B. Anwendungen wie Schleifen oder Entgraten höchst präzise lösen.

ArtiMinds RPS bietet die Möglichkeit, CAD-Modelle zu importieren. So lassen sich auch die Bewegungsbahnen von Bauteilen mit komplexen Geometrien schnell erstellen und z.B. Anwendungen wie Schleifen oder Entgraten höchst präzise lösen. ArtiMinds

ZF Friedrichshafen betreibt im Schweinfurter Werk ein Labor für unterschiedliche Untersuchungen wie Materialprüfungen. Wachter erklärt: „Für Röntgenaufnahmen stand bislang ein stationäres System in einem separaten Raum zur Verfügung. Weil diese Installation unflexibel ist, haben die Kollegen vom Labor zusätzlich ein mobiles Röntgengerät angeschafft.“

Dieses Gerät ähnelt einem Handscanner: Für eine gute Röntgenaufnahme müssen Anwender das mobile Röntgengerät an dem Werkstück, das untersucht werden soll, bei konstanter Geschwindigkeit und in einem gleichbleibenden Anstellwinkel entlangführen. Verbunden mit dem nötigen Schutz vor Röntgenstrahlung ist diese Aufgabe damit im Prinzip wie geschaffen für einen Leichtbauroboter.

Das Problem sind jedoch die vielfältigen Werkstücke und die damit verbundenen unterschiedlichen Anforderungen. Wachters Kollege Jonas Arnold, Ingenieur für kollaborative Roboter, erklärt: „Es sind täglich andere Teile zu prüfen. Heute sollen 300 Zahnräder geprüft werden. Morgen ist es eine Kolbenstange von der Losgröße 1. Der Roboter fungiert wie ein menschlicher Arm, aber kann die unterschiedlichen Geometrien viel exakter und flexibler abfahren. Für jede Prüfung, das heißt für jede Bewegungsabfolge, muss der Roboter jedoch umprogrammiert werden.“

Bislang war Roboterprogrammierung eine Aufgabe für Experten. Den Labormitarbeitern fehlte jedoch die dazu erforderliche Qualifikation. Wie hat ZF das Problem gelöst? Dazu Wachter: „Mit der ArtiMinds Robot Programming Suite konnten wir den Kollegen im Labor vordefinierte Programmbausteine zur Verfügung stellen. Mittels Wizards werden die Laboranten Schritt für Schritt durch die Parametrierung  geführt und können die Bewegungsabläufe des Roboters sehr einfach konfigurieren. Das geht schnell und dafür ist lediglich Grundwissen erforderlich.“

Bei einfachen Geometrien reicht eine lineare Bewegung zwischen zwei Punkten aus. Für komplexere Aufgaben orientiert sich der Roboter am CAD-Modell des jeweiligen Prüfteils. Hierbei hilft das CAD2Path Feature, mit dem sich ein Programm aus CAD-Daten, die in die Software geladen werden, erstellen lässt.

Wachter fasst zusammen: „Die vereinfachte Konfiguration über die Robot Programming Suite hat diese Art der Anwendung im Laborumfeld überhaupt erst ermöglicht. So können auch Nicht-Fachleute Roboter programmieren und das Ergebnis in einer visuellen Simulation überprüfen.“

Der Roboter überwacht sich selbst

ArtiMinds LAR zeichnet Sensor-Daten wären der Anwendung live auf. So lassen sich diese direkt im laufenden Betrieb analysieren und ggfs. Optimierungen vornehmen.

ArtiMinds LAR zeichnet Sensor-Daten wären der Anwendung live auf. So lassen sich diese direkt im laufenden Betrieb analysieren und ggfs. Optimierungen vornehmen. ArtiMinds

Neben der Robot Programming Suite evaluiert ZF das ArtiMinds Tool ‘Learning & Analytics for Robots (LAR)’. Jonas Arnold, Ingenieur für kollaborative Roboter, hat bereits genaue Vorstellungen davon, wie ihm dieses Feature helfen kann: „Der Aufwand für die Wartung von Robotersystemen ist für uns ein großes Problem. Wir haben einige Applikationen, bei denen sich durch Verschleiß und Veränderung der Materialeigenschaften über die Zeit das gesamte System verändert. Die LAR könnte uns helfen, frühzeitig einzugreifen und mit wenigen Klicks Korrekturen vorzunehmen oder sogar ermöglichen, dass sich der Roboter autonom anpasst.“

Hintergrund ist, dass bei größeren Anlagen das Nachteachen mehrere Tage in Anspruch nehmen kann, an denen die Anlage stillsteht. Genau hier setzt Learning & Analytics for Robots an. Die LAR sammelt im laufenden Betrieb beispielsweise von den Kraft-Momenten-Sensoren kontinuierlich Daten zu jeder ausgeführten Bewegung und verwertet sie weiter. Auf dieser Grundlage kann die Software frühzeitig erkennen und warnen, wenn es zum Beispiel zu Ungenauigkeiten in der Greifbewegung kommt. Das soll aufwendige Wartungseinsätze vermeiden.

Roboterapplikationen II: Erst simulieren, dann realisieren – auch für MRK

Per Offline-Programmierung und 3D-Simulation ist es möglich, Anwendungen ohne Roboter programmieren und die Machbarkeit prüfen zu können.

Per Offline-Programmierung und 3D-Simulation ist es möglich, Anwendungen ohne Roboter programmieren und die Machbarkeit prüfen zu können. ArtiMinds

Simulationen sind ohnehin ein Aufgabenschwerpunkt des Production Tech Center Robotics. Hierfür nutzt Arnold regelmäßig die RPS. „Oft sind wir mit der Aufgabe konfrontiert, abzuschätzen, ob ein Roboter in einer gegebenen Situation eine bestimmte Taktzeit erfüllen kann oder nicht. In simplen Fällen kann man das leicht abschätzen. Bei komplexeren Projekten müssen wir aber eine Machbarkeitsstudie erstellen.“

In der Vergangenheit musste ZF für solche Machbarkeitsstudien das Robotersystem mit viel Aufwand vor Ort installieren, die passende Applikation entwickeln und testen, ob das System die vorgegebene Taktzeit erfüllen kann. Mit der Robot Programming Suite kann ZF Anwendungen nicht nur programmieren, sondern auch simulieren und dadurch Zeit und Geld sparen. Jonas Arnold erklärt: „Durch die Visualisierung können wir bereits im Vorfeld mögliche Probleme erkennen. Das fängt schon mit den räumlichen Gegebenheiten an. Bietet der verfügbare Platz überhaupt ausreichend Bewegungsfreiheit?“

Beim Einsatz kollaborativer Roboter sind außerdem spezielle Normen einzuhalten, die für die Sicherheit der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sorgen sollen. Arnold erklärt: „Im Vorfeld müssen wir beispielsweise evaluieren, wo Kollisionen von Mensch und Roboter möglich sind. Kann der Roboterarm bis in Kopfhöhe gelangen? Gibt es mögliche Klemmstellen? Um die Sicherheit zu gewährleisten, müssen wir Kraft- und Druckwerte der ISO TS 15066 einhalten und die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters begrenzen. Beim Greifprozess muss man Ungenauigkeiten einplanen, die Zeitverzögerungen verursachen. All das können wir durch die Simulation mit der Robot Programming Suite leichter beurteilen.“

Auf Grundlage einer solchen technischen Machbarkeitsstudie kann ZF dann auch abschätzen, ob sich der Robotereinsatz für die jeweilige Aufgabe finanziell lohnt. Dazu Wachter: „Letztlich geht es immer darum, ob wir eine bestimmte Zielgröße einhalten können. Ein Leichtbauroboter, der mit einer Taktzeit von 20 bis 30 Sekunden arbeiten soll, darf die Hardware, Programmierung und Installation einen definierten Preis nicht überschreiten. Mithilfe einer Simulation können wir frühzeitig und schnell abschätzen, ob wir diese Zielgröße einhalten können.“

Jonas Arnold zieht für sich das Fazit: „Der größte Vorteil der RPS sind für mich die vielen flexiblen Features, die uns ermöglichen, Anwendungen schon vor dem realen Aufbau zu simulieren und auch neue, bisher noch nicht automatisierte Aufgaben umzusetzen.“

Video zur Durchführung einer Machbarkeitsstudie mit der Robot Programming Suite

Roboterapplikationen III: Offen für Sonderwünsche – Airbags vernähen

Das Vernähen von Airbags ist aufgrund der Geometrie eine komplexe Aufgabenstellung für Roboter

Das Vernähen von Airbags ist aufgrund der ungleichmäßigen Geometrie eine komplexe Aufgabenstellung für Roboter ZF

Uwe Wachter und Jonas Arnold haben bereits mehrere Jahre Erfahrung mit unterschiedlichsten Anwendungen. Und dennoch treffen auch sie immer wieder auf Applikationen, die sich nicht so einfach umsetzen lassen. Sie erzählen: „In einem portugiesischen Werk von ZF werden Airbags vernäht. Die Herausforderung ist, die Geschwindigkeit beim Vernähen konstant zu halten, auch wenn der Airbag keine gleichmäßige Geometrie besitzt.“ Diese Aufgabe mit einem Roboter zu realisieren erwies sich als unerwartet schwierig. Denn, so Arnold: „Der Roboter sitzt fast mittig vom Bauteil. Das heißt je nachdem, wie weit und in welchem Winkel sich der Roboterarm bewegen muss, müsste die Bewegungsgeschwindigkeit ununterbrochen angepasst werden.“ Die Kollegen aus Portugal hätten mehrere Wochen lang versucht, diese Aufgabe zu lösen und schließlich aufgegeben. Auch mit externen Systemintegratoren schienen die Anforderungen nicht umsetzbar zu sein.

Gemeinsam mit dem Projektteam von ArtiMinds konnte ZF schließlich eine Lösung für die Umsetzung des Roboterprogramms erarbeiten. Arnold lobt die Kooperation und enge Zusammenarbeit: „Immer wieder kommen wir mit Sonderwünschen zu ArtiMinds. Dort stoßen wir stets auf offene Ohren und Hilfsbereitschaft.“

Fachkräftemangel lindern

Wachter und Arnold sind sich sicher, dass der Einsatz von Robotern bei ZF in der Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird. Denn gerade in der Automatisierung von nicht wertschöpfenden Prozessen oder Bereichen, die bisher nicht automatisierbar waren, aber eine hohe körperliche Belastung oder monotone Arbeit darstellen, sehen sie noch großes Potenzial. Wachter erklärt: „Speziell für die klassische Roboterprogrammierung qualifiziertes Personal ist rar gesät. Mit der RPS können wir diesen Mangel zumindest punktuell lindern, indem wir die Umsetzung von Roboterapplikationen mit Hilfe der Software erleichtern.“ Außerdem stünden digitale moderne Tools bei jungen Nachwuchskräften um einiges höher im Kurs als komplexer Programmcode. „Das macht auch das Arbeiten bei ZF attraktiver.“