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Interview mit Martin Hägele, Abteilungsleiter am Fraunhofer IPA

Aktuelle Innovationen rund um den Einsatz von Robotern

Bis 2014 wird der Anteil von Maschinenbauern in Deutschland, die Roboter an den Maschinen einsetzen, von derzeit 45% auf 50% steigen, die Anzahl der Maschinen mit Robotern wird sich um 31% erhöhen. Diese Trends stammen aus der Quest-Studie zum Robotereinsatz bis 2014.


Für diese Studie nannten die Maschinenbauer auch, wo sie beim Robotereinsatz "der Schuh drückt", welche Änderungen bzw. Innovationen sie von den Herstellern von Robotern und Automatisierungstechnik erwarten. Diese Hinweise der Maschinenbauer haben die Fragen an das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme, beeinflusst.


Das Fraunhofer IPA ist das europweit führende Forschungsinstitut zur Produktionstechnik. Die Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme bietet umfassende F&E-Leistungen und Ressourcen im Auftrag von produzierenden Unternehmen und von Ausrüstern an.


Martin Hägele ist Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, in Stuttgart. Er erläutert die aktuellen Innovationsschwerpunkte des Fraunhofer IPA zum Robotereinsatz im industriellen Einsatz.

Welche technologischen Perspektiven sehen Sie für die Entwicklung der Roboter?

22. Oktober 2012 - Roboter werden in Zukunft noch stärker für die Automatisierung des Materialflusses eingesetzt werden, also zum Sortieren, Verpacken, Palettieren, Kommissionieren, Dekommissionieren und Transportieren.

 

Typische Einsatzfelder für die Materialflussautomatisierung umfassen die industrielle Produktion, die Umschlagslogistik, den Versandhandel, die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, die Herstellung chemischer Erzeugnisse, Solarpanel- oder Flachbildschirmproduktionen.

Foto: Martin Hägele
Martin Hägele

Die Optimierung des Materialflusses zielt unter anderem auf die Durchsatzsteigerung ab. Deshalb sind hohe Roboter-Verfahrgeschwindigkeiten ein großes Thema. Kinematik, Antriebstechnik und auch die Greiftechnik werden auf Geschwindigkeitszuwachs hin laufend optimiert.

 

Leichtbau in der Robotik zielt neben der Reduzierung bewegter Massen insbesondere auf die Reduzierung der Trägheiten ab. Der Leichtbau des Roboters im Zusammenspiel mit hochdynamischen Antrieben gehört zu den vorrangingen technologischen Trends.

 

Hier erwarte ich aber für die Zukunft noch interessante Innovationen: neuartige leichte, aber steife Kinematiken, Einsatz neuer Materialien wie z.B. Kunststoffe und auch neue Antriebstechnik z.B. für eine programmierbare Steifigkeit.

 

Typisch für den Robotereinsatz in der Materialflussautomatisierung sind die pulsierenden Bewegungen. Damit stellt die Energieeffizienz des Roboters eine aktuelle Herausforderung dar.

 

Man kann natürlich aufgebrachte Bewegungsenergie durch Rückspeisung im Bremsfall erneut nutzen, was bereits von Herstellern optional angeboten wird. Darüber hinaus können konventionelle Roboter bereits heute mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen energie-effizienter gemacht werden.

 

Besonders einfach geht das durch Optimierung seines Bewegungsablaufs: Anteile an kartesischen Bewegungen werden minimiert, sanfte Beschleunigungen gewählt und Antriebe zeitweise abgeschaltet.

 

Zur systematischen Optimierung des Roboter-Bewegungsablaufes insbesondere in Bezug auf Zykluszeit-Optimierung und Energieeinsparung stehen sogenannte Offline-Programmiersysteme, d.h. spezielle 3D-CAD-Systeme zur Simulation der Roboterbewegung zur Verfügung.

Die Maschinenbauer möchten den Roboter einfacher und vor allem grafisch programmieren. Wie sehen Sie das aus wissenschaftlicher Sicht?

Offline-Programmiersysteme zur 3D-Simulation des Robotersystems und automatisierter Roboter-Programmgenerierung gibt es schon seit mehr als 20 Jahren. Natürlich wuchsen diese Systeme mit den Möglichkeiten der heutigen PC-Technik wie z.B. realitätsnahe 3D Visualisierung, Simulation physikalischer Effekte usw.

 

Die Frage ist, inwieweit die geplante Roboteranwendung rasch im Offline-Programmiersystem hinreichend genau modelliert werden kann und wie diese Simulation mit der realen Roboteranwendung in der Praxis in Übereinstimmung gebracht wird. Ziel ist eine aussagekräftige Zykluszeitbestimmung und die verlässliche Ausführung der in der Simulation generierten und optimierten Roboter-Programme.

 

Der erste Knackpunk hierbei ist der Aufwand zur 3D-Modellerstellung der Roboteranwendung. Hier sind in Bezug auf die rasche 3D-CAD-Erstellung der Roboteranwendung enorme Fortschritte erzielt worden. Moderne Offline-Programmiersysteme erlauben ein „Drag&Drop“ der CAD-Modelle vielfältigster Automatisierungskomponenten. Fast alle Hersteller typischer Roboter- und Automatisierungskomponenten bieten heute CAD-Daten in passenden Formaten zur weiteren Verwendung in Offline-Programmiersystemen an.

Foto: Fraunhofer IPA

Der zweite Knackpunkt ist der Abgleich der simulierten Roboteranwendung mit der realen Anwendung vor Ort. Da die Simulation von einer perfekt vermessenen Roboterzelle ausgeht, müssen die generierten Roboterprogramme nochmals vor Ort adaptiert werden, d.h. Bewegungsbahnen und - Abläufe müssen teilweise korrigiert werden. Dies ist mit einem gewissen Aufwand und auch mit Programmiergeschick verbunden.

 

Abhilfe verschaffen hier sogenannte Kalibriersysteme, die für einen Abgleich der realen Roboterzelle mit der im Offline-Programmiersystem simulierten Roboterzelle sorgen. Mehrere Kalibriersysteme unterschiedlicher Funktions- und Preisklassen, die übrigens Schnittstellen zu den wichtigsten Offline-Programmiersystemen besitzen, werden heute angeboten.

 

Der dritte Knackpunkt und ein aktuelles F&E-Thema ist die Einbeziehung von Sensoren in die Simulation, vor allem die Bildverarbeitung zur Objektidentifizierung und –lokalisierung sowie Kraft-Momenten-Sensoren zur Dimension von Kräften.

 

Aktuell schätze ich, dass solche Sensoren nur in ca. 20% der Roboteranwendungen eingesetzt werden, Tendenz stark steigend. Hier wäre es wünschenswert, dass die Konfiguration der Sensoren und ihre Einbeziehung in die Roboterprogramme aus dem Offline-Programmiersystem heraus erfolgen könnten.

Eine weitere moderne Roboter-Programmiermethode, die auch von uns maßgeblich in den letzten Jahren entwickelt wurde, ist das “Programmieren durch Vormachen“:

 

Hierbei wird der Roboter durch den Programmierer „vor Ort“ entlang der gewünschten Bahnen geführt. Neben der Trajektorie werden noch weitere Befehle wie z.B. exakte Geschwindigkeitsvorgaben oder weitere prozessrelevante Informationen wahlweise per Touchscreen oder durch Sprachbefehle ergänzt.

 

Die aufgenommenen Programme werden am Offline-Programmiersystem auf dem Bildschirm der Robotersteuerung visualisiert, bei Bedarf korrigiert und zur Ausführung freigegeben.

 

Insbesondere für den ungeübten Programmierer lassen sich Programmierzeitverkürzungen von 70% und mehr bei gleichzeitiger Reduktion der Fehler erreichen.

Zur Seite 2 des Interviews mit den Themen:

  • Zur einheitlichen Programmiersprache für alle Roboter
  • Zur möglichst einfachen Verbindung von Roboter- und Maschinensteuerung
  • Zum künftigen Stellenwert von Open Source Steuerungen für Roboter
  • Die wesentlichen künftigen Innovationen beim Einsatz von Robotern an den Maschinen
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Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, kurz Fraunhofer IPA, bildet mit den verbundenen Universitätsinstituten den größten Standort für die Produktions-forschung in Europa.

Sein Fokus ist die Umsetzung von Innovationen in die industrielle Praxis der fünf Anwendungsfelder Automotive, Maschinenbau, Elektronik und Mikro-systemtechnik, Energiewirtschaft sowie Medizin- und Biotechnik.

In Stuttgart sind knapp 300 WissenschaftlerInnen beschäftigt.

Die Produktionsforschung gliedert sich in Produktionsorganisation, Oberflächen-technologie, Automatisierung und Prozesstechnologie. Die Automatisierung unterteilt sich in sechs Abteilungen, eine davon betrifft Roboter- und Assistenz-systeme.


Die Abteilung Roboter und Assistenz-systeme entwickelt Schlüsseltechnologien und setzt diese in innovative Industrie-roboter, Serviceroboter und intelligente Maschinen um.

 

Martin Hägele ist Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme in Stuttgart.


Zu den Forschungsprojekten dieser Abteilung gehören:

SMErobotics - eine europäische Robotik-Initiative zielt auf die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Produktionsbetriebe

Greifmodule für die Intralogistik

Komrob - Branchenunabhängige Basismodule für Kommissionier-robotersysteme