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Roboterprogrammierung Intuitive Programmierung von Robotern beim Flechten von Kohlefasern

Autor / Redakteur: Christian Meyer und Olaf Rüger / Rüdiger Kroh

Die durch den Robotereinsatz möglichen Einsparpotenziale lassen sich nun auch für kleine Serien erschließen. Zur schnellen und intuitiven Roboterprogrammierung durch Vormachen wurde eine Programmierumgebung entwickelt. Diese Vorgehensweise verringert die Programmierzeiten deutlich und erhöht so die Wirtschaftlichkeit beim automatisierten CFK-Flechten.

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Bild 1: Roboter mit dem Kern eines Überrollspoilers (rechts) und einem fertigen Bauteil (links).
Bild 1: Roboter mit dem Kern eines Überrollspoilers (rechts) und einem fertigen Bauteil (links).
( Archiv: Vogel Business Media )

Wegen ihrer günstigen Materialeigenschaften werden bei höchsten Beanspruchungen vermehrt Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen verwendet. Beispiele sind Flugzeugspanten, Rohrleitungen oder Rahmenprofile für Fahrzeuge. Sie werden gefertigt, indem ein Kern, also ein Positiv des Bauteils, durch eine Radialflechtmaschine, die mit trockenen Kohlefaserbändern besetzt ist, geführt wird. Die so entstandene Preform (Vorform) wird im nachfolgenden Arbeitsschritt mit Harz infiltriert.

Roboter zieht Preformen durch die Flechtmaschine

Um die komplexen Kerne durch die Flechtmaschine zu führen, kann ein Industrieroboter verwendet werden (Bilder 1 und 2). Die Preformen können bei diesem Verfahren von dem Roboter durch die Flechtmaschine gezogen werden, was zu reproduzierbaren Bauteilqualitäten und niedrigen Fertigungskosten führt.

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Wirtschaftlich lässt sich der Industrieroboter bisher allerdings nur bei hohen Stückzahlen einsetzen; erst dann nimmt die Roboterprogrammierung nur einen geringen Anteil der Gesamtfertigungszeit der Serie ein. Weiterhin problematisch ist die notwendige hohe Qualifikation des Roboterprogrammierers. Nur mit der komplexen Programmierumgebung sehr vertraute Werker erzielen optimale Ergebnisse.

Um die Einsparpotenziale durch Industrieroboter auch für kleine Serien und kleine und mittelständische Unternehmen nutzbar zu machen, hat das Fraunhofer IPA die Programmierumgebung In-Teach zur schnellen und intuitiven Roboterprogrammierung durch Vormachen entwickelt. Dabei wird die Umsetzung auf einem Handlingroboter beschrieben, die zusammen mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart vorgenommen wurde.

Roboterprogrammierung durch Vormachen

Basierend auf intuitiver haptischer Interaktion, also auf Ziehen und Schieben, kann der Roboter vom Werker bewegt werden. Die abgefahrene Bahn wird aufgenommen und anschließend wieder abgespielt. Die von einem Sensor gemessenen Kräfte und Momente des Werkers werden also in Bewegungen umgerechnet und über eine herstellerspezifische Schnittstelle an den Roboter übertragen.

Basierend auf einer modularen Architektur können die in Bild 3 dargestellten Komponenten in die Programmierumgebung integriert werden. Die wichtigste Interaktionskomponente neben dem Kraft-Momenten-Sensor zur Führung des Roboters ist eine grafische Benutzeroberfläche. Über diese lässt sich der Roboter kommandieren, aber auch die Bahn bezüglich Position, Orientierung und Schaltzustand von Ausgängen anpassen.

Roboter lässt sich über grafische Benutzeroberfläche kommandieren

Auch ein Geschwindigkeitsprofil lässt sich über die Oberfläche definieren. Zusätzliche Komponenten sind Handhelds, die über ein Funknetzwerk in das System integriert werden können, oder eine Sprachsteuerung, um Systemzustände und Geschwindigkeiten zu setzen. Weil per Hand eine hundertprozentige Führung der abzufahrenden Bahn nicht genau genug möglich ist, muss die Bahn im Nachhinein bearbeitet werden können. Dazu wird die grafische Oberfläche genutzt. Mit ihr hat der Werker eine Vielzahl von einfachen Möglichkeiten der Nachbearbeitung:

  • Glättung der Bahn durch Kompression und Umwandlung in Geraden und Splines;
  • Anpassung von Position und Orientierung der Bahnpunkte;
  • Setzen von Ausgängen in Abhängigkeit von der Bahnposition.

Alle Funktionen sind nach kurzer Einlernzeit mit der Maus zu erledigen. Eine Kontrolle der Änderungen kann durch eine grafisch dargestellte Simulation erfolgen.

Roboterprogrammierung beim Flechten vergleichsweise einfach

Im Gegensatz zu Anwendungen in der Klebe- oder Schweißtechnik ist für die Programmierung der Flechtkernbahn keine Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden notwendig. Es wird ausgenutzt, dass, um eine optimale Lagenstruktur zu erhalten, im Flechtpunkt nur eine Bewegung axial zur Flechtmaschine gewünscht ist. Der Kern muss sich immer mittig im Flechtpunkt befinden. Bild 4 zeigt das speziell an diese Eigenheiten angepasste Bewegungskonzept.

Die Rotationen Rx und Rz werden vom Programmierer über den Kraft-Momenten-Sensor gesteuert, die Verfahrbewegung Ty erfolgt automatisch. Über einen Touchscreen können Korrekturbewegungen Tx und Tz vorgenommen werden.

Als Zusammenarbeit des Instituts für Flugzeugbau IFB der Universität Stuttgart mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wird die In-Teach-Programmierumgebung aktuell auf ihre Alltagstauglichkeit getestet. Die häufig kleinen Losgrößen der Fertigung des IFB bieten optimale Rahmenbedingungen für einen zeitsparenden Einsatz der Programmierumgebung.

Die Programmierung der Roboter durch Vormachen bietet gerade bei komplex gebogenen Bauteilen einen deutlichen Zeitvorteil. Ein neues Bauteil wird in etwa 30 bis 90 min programmiert, nicht wie zuvor in mehreren Stunden. Die intuitiven Bedienschnittstellen über Kraftsensorik, Sprache und 3-D-Grafik erlauben eine sehr schnelle Einarbeitung. Letztendlich ermöglicht die In-Teach-Programmierumgebung die wirtschaftliche Automatisierung bei kleineren Stückzahlen.

Dipl.-Systemwiss. Christian Meyer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in 70569 Stuttgart. Dipl.-Ing. Olaf Rüger arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart.

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