Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPAKognitiv und kollaborativ: CoWeldRob – Der Schweißroboterassistent
Er kann Bauteile lokalisieren, automatisiert Programme erzeugen, vom Werker lernen und mit ihm zusammenarbeiten: Für die europäische Forschungsinitiative SMErobotics entwickeln Wissenschaftler am Fraunhofer IPA den kognitiven und kollaborativen Schweißroboterassistenten CoWeldRob. Ziel ist es, den Programmieraufwand für die automatisierte Fertigung in kleinen und mittelständischen Schweißbetrieben deutlich zu senken. Auf der Automatica 2014 wird eine Schweißroboterzelle zum Schweißen typischer Bauteile demonstriert.
Solides Fachwissen und langjährige Erfahrung: Das sind die Anforderungen für die hochwertige Fertigung von Schweißbauteilen. Der Schweißbrenner muss mit handwerklichem Geschick präzise geführt und die richtige Schweißreihenfolge eingehalten werden. Gleichzeitig erschweren z. B. Luftverschmutzung, Hitze und eine unergonomische Körperhaltung die Arbeitsbedingungen für den Menschen. Zudem fehlen immer mehr qualifizierte Fachkräfte: Vorhandenes technologisches Wissen könnte daher auf Robotersysteme übertragen werden. Besonders bei Kleinserien und hoher Produktvielfalt, wie in kleinen und mittelständischen Produktionen üblich, ist eine Automatisierung jedoch aufgrund des hohen Programmieraufwands für Roboteranlagen bislang nicht möglich. Notwendig ist ein Robotersystem, das selbstständig Vorschläge einer Aufgaben- oder Programmausführung erstellt, kontinuierlich vom Menschen lernt und gelerntes Wissen auf ähnliche Bauteile überträgt.
Wirtschaftlich auch bei kleinen Stückzahlen
Die europäische Forschungsinitiative SMErobotics entwickelt neue modulare und interaktive Bedienkonzepte und Steuerungssysteme für einen effizienten Robotereinsatz in unterschiedlichen Anwendungen. Das Fraunhofer IPA konzipiert und entwickelt dafür einen kognitiven und kollaborativen Schweißroboterassistenten: CoWeldRob. Ziel ist es, den Programmieraufwand für die automatisierte Fertigung in kleinen und mittelständischen Schweißbetrieben deutlich zu senken. »CoWeldRob soll die Automatisierung von Schweißaufgaben auch für kleine Losgrößen und Stückzahlen wirtschaftlich machen, indem er einfach und intuitiv durch den Schweißexperten zu programmieren ist und kontinuierlich von ihm lernt«, erläutert Thomas Dietz, Projektleiter und Gruppenleiter in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme. Der Schweißroboterassistent kann Programme automatisiert auf ähnliche Bauteile ohne einen hohen neuen Programmier - aufwand übertragen. »Vor allem kleine und mittelständische Unternehmen können somit flexibler auf Auftragsschwankungen reagieren«, so Dietz. Auf der Automatica 2014 wird eine Schweißroboterzelle zum wirtschaftlichen Bahnschweißen am Beispiel von Stahlbauteilen aus dem Landmaschinenbereich auch bei kleinsten Losgrößen demonstriert. Der Besucher hat dabei die Möglichkeit, gewünschte Schweißprozesse selbst zu spezifizieren und vom Robotersystem ausführen zu lassen.
Geringe Programmier- und Rüstzeiten für Systemkomponenten
Automatische, modellbasierte Bahn- und Programmerzeugung: Auf Basis unterschiedlicher Modelle der Bauteile, des Schweißprozesses und des Robotersystems werden Roboterprogramme automatisch erzeugt. Durch die intuitive Bedienung, z. B. über Touchscreen, Zeigen und direkte Bewegungsvorgabe, lassen sich Änderungen des Schweißexperten schnell einbeziehen und umsetzen. Diese Benutzereingaben sowie weitere sensoriell erfasste Daten werden in einen logischen Zusammenhang gebracht. Wiederverwendet werden können diese Informationen für verschiedene nachgelagerte Prozesse, wie beispielsweise für das Schleifen oder die Qualitätskontrolle. Damit lassen sich Programmier- und Rüstzeiten deutlich senken. Bauteillokalisierung: Der Schweißroboterassistent kann durch den Vergleich von CAD und Sensordaten die genaue Lage des Bauteils und schließlich der Schweißbahnen automatisch bestimmen. Damit ist es möglich, die Roboterbahn anzupassen und auf starre Vorrichtungen zur exakten Positionierung der Bauteile zu verzichten.
Robuster Umgang mit Unsicherheiten: Die entwickelten Ansätze sollen mit Toleranzen der Bauteile, wie etwa einem Luftspalt oder der Nahtvorbereitung, und mit Toleranzen des Prozesses, wie z. B. einer erlaubten Abweichung der Brennerorientierung, umgehen und adäquat auf diese reagieren können. CoWeldRob ist somit robuster als herkömmliche automatisierte Schweißanlagen.
Lernender Roboter: Aus langjähriger Erfahrung wissen Schweißer, welche Einstellungen notwendig sind, um eine hohe Qualität der Bauteile zu erreichen. Diese Erfahrungen kann der Prozessexperte auf CoWeldRob übertragen, indem er z. B. eine vorgeschlagene Schweißnahtreihenfolge bewertet und so das Robotersystem hinsichtlich der gewünschten Verhaltensweise belehrt. Auf Basis von Verfahren der Kognitionsforschung kann der Roboter vom Prozess-Know-how des Schweißers lernen und seine Leistung kontinuierlich über die Zeit verbessern.