Vom Kundenprojekt zum Robotics Lab

Andreas Mühlbauer,

Automatisierungstechnik im Dienst der Forschung

Damit Roboter in der Produktion möglichst effizient und genau agieren können, muss an vielen Stellschrauben gedreht werden. Welche das sind, erforscht das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik IEM im Auftrag seiner Kunden.

Eine Rotations- und Linearachse von RK Rose+Krieger ermöglicht hier eine Unabhängigkeit der Rotation des Roboters von den Winkelgrenzen des Roboter-Basisgelenks, der Rotationsmittelpunkt wird aus der vertikalen Achse des Portals verschoben. © RK Rose+Krieger

Im hauseigenen Robotics Lab lassen sich Anwendungen demonstrieren, konzipieren und testen. Entstanden ist das Labor in enger Zusammenarbeit mit RK Rose+Krieger. Der Spezialist für Automatisierungstechnik lieferte unter anderem die nötigen Portalsysteme sowie Lineartechnik. Dass diese Komponenten sich im Einsatz optimal bewähren, beweist ein erstes Forschungsprojekt der beiden Partner im Auftrag eines mittelständischen Kunden.

Der Forschungsbereich Scientific Automation des Fraunhofer IEM beschäftigt sich mit den Herausforderungen, die aus der steigenden Komplexität mechatronischer Anlagen resultieren. Das Ziel ist es, mittels modellbasierter Entwurfsmethoden intelligente technische Systeme zu regeln, zu automatisieren und zu optimieren. Einer der Schwerpunkte innerhalb dieses Forschungsbereichs ist die intelligente Automatisierung von Systemen und Anlagen. „Mit innovativen Methoden und Technologien schaffen wir individuelle, industrietaugliche Lösungen“, erläutert Arne Rüting, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IEM. „Im Vordergrund stehen die Effizienzsteigerung von Entwicklungsprozessen, ressourcenschonende und selbstoptimierende Maschinen und Anlagen sowie die Systemvernetzung.“

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Maßgeschneidertes System für die roboterbasierte Bearbeitung

Die Robotik ist ein Weg, um Herstellungsprozesse zu automatisieren und damit effizienter zu gestalten. Genau das wollte ein mittelständisches Unternehmen erreichen, das sich mit einer individuellen Aufgabenstellung an das Fraunhofer IEM wandte: Entstehen sollte ein maßgeschneidertes System zur roboterbasierten Bearbeitung inklusive einer intelligenten Vernetzung aller Komponenten – also von Raumportal, Roboter, Werkzeug und zusätzlichen Sensoren. Das Bearbeitungssystem sollte sich je nach Bauteil schnell und einfach adaptieren lassen, ohne dass der Anwender Programmieraufgaben durchführen muss. „Diese Aufgabenstellung ließ sich mit auf dem Markt erhältlichen Standardsystemen nicht realisieren“, so Arne Rüting. „Deshalb beauftragte der Kunde bei uns eine individuelle und exklusive Lösung.“

Im ersten Schritt ermittelte das Fraunhofer IEM in enger Abstimmung mit dem Kunden die Anforderungen an das System. Basierend auf einer strukturierten Prozessanalyse und Dokumentation folgte im zweiten Schritt die Auswahl der Komponenten sowie die Konstruktion und Auslegung des Raumportals. Das dabei entstandene CAD-Modell setzten Arne Rüting und seine Kollegen zum einen im Rahmen einer Mehrkörpersimulation ein, um die Anforderungen hinsichtlich Arbeitsraum und anderen Parametern zu überprüfen. Zum anderen konnte auf Basis des Modells mittels virtueller Inbetriebnahme bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Projekt der Steuerungscode geprüft werden.

Systemlösungen in der Automatisierungstechnik

Für die Konstruktion und Realisierung des Raumportals hatten die Experten einen professionellen Partner an der Seite: RK Rose+Krieger. Das Fraunhofer IEM arbeitet bereits seit vielen Jahren erfolgreich mit dem führenden Anbieter von Komponenten und Systemlösungen für die Automatisierungstechnik zusammen. „Das Portal von RK Rose+Krieger ist ein entscheidender Faktor für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems“, betont Rüting. „Es ermöglicht die gewünschte Größe des Arbeitsraums, zudem ist die Steifigkeit ausschlaggebend für die mit dem Werkzeug erzielbare Genauigkeit.“ Neben der eigentlichen Konstruktion des Portals berechnete RK Rose+Krieger auch die Dimensionierung der Linearachsen und Antriebe hinsichtlich des statischen und dynamischen Drehmoments sowie der maximal erforderlichen Drehzahl.

„Projekte dieser Art sind die Spezialität unseres Geschäftsbereichs RK Systemlösungen“, erläutert André Horst, Key Account Manager bei RK Rose+Krieger. „Mit unserem Baukasten aus nahezu 50.000 Komponenten können wir beinah jede Vision realisieren. Neben Mehrachs-Handlingsystemen liefern wir auch individuelle Arbeitsplatzsysteme, Maschinengestelle, Arbeitsbühnen oder Maschineneinhausungen.“ Das in diesem Fall entstandene Mehrachsportal setzt sich unter anderem aus unterschiedlichen Linearachsen, Schwerlast-Aluprofilen (siehe Infokasten) und Verbindungselementen zusammen; die Lösung ist optimal auf die verwendeten Antriebe und die Steuerungstechnik abgestimmt. „Das im Rahmen des Projektes entwickelte Gesamtsystem erfüllt im produktiven Einsatz die vorab definierten Anforderungen vollständig“, freut sich Arne Rüting. „Das Raumportal bewährt sich auch bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen mit hoher Staubbelastung. Die eingesetzten Achsen überzeugen durch ein sehr gutes Laufverhalten und eine hohe Robustheit.“

Möglichkeiten demonstrieren und Ideen realisieren

Bevor die Gesamtlösung beim Kunden zum Einsatz kam, wurde sie zunächst prototypisch in den Räumlichkeiten des Fraunhofer IEM aufgebaut und getestet. Diese Vorgehensweise hat sich so bewährt, dass eine Idee aufkam: Warum nicht eine Laborumgebung schaffen, in der ähnliche Projekte durchgeführt werden können? Die Idee für das institutseigene Robotics Lab war geboren. „Hier können Kunden ihre Applikationen zunächst prototypisch umsetzen, bevor sie in eigene teure Hardware investieren“, erläutert Arne Rüting. „Wenn eine gewisse Grundausstattung vorhanden ist, entfällt zudem der initiale Aufwand und die Voruntersuchungen können direkt beginnen – das spart dem Kunden wertvolle Zeit im Entwicklungsprozess.“ 

Gesagt, getan: In Partnerschaft mit RK Rose+Krieger entstand im Laufe des Jahres 2018 das sogenannte Robotics Lab: Eine moderne Infrastruktur aus Robotern unterschiedlicher Leistungsklassen, fahrerlosen Transportsystemen, leistungsfähigen Achsportalen, fortschrittlichen Fertigungs- und Handhabungssystemen sowie leistungsfähiger Steuerungs- und Messtechnik. RK Rose+Krieger lieferte zahlreiche Komponenten, die für die Ausstattung des ca. 80 Quadratmeter großen Labors benötigt wurden, darunter ein dreiachsiges Raumportal, ein zweiachsiges Flächenportal, einzelne Achsen zum Verfahren von Robotern sowie Monitor- und Sensorhalterungen. Zudem ist das gesamte Robotics Lab mit blickdichten Trennwänden sowie Sichtfenstern aus Verbundsicherheitsglas von der Laborhalle abgetrennt.

Eine Partnerschaft mit Zukunft

Die Komponenten und Systeme von RK Rose+Krieger überzeugen neben einer optimalen Funktionalität auch und besonders durch ihre Skalierbarkeit: Im Robotics Lab in kleinerem Maßstab erprobte Anwendungen lassen sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand auf deutlich größere Systeme überführen und entsprechend in die Produktion des Kunden integrieren. Für Arne Rüting ist das jedoch nicht der einzige Vorteil: „Die Zusammenarbeit mit RK Rose+Krieger erfolgt stets zielorientiert, sie ist geprägt durch ein hohes Maß an Professionalität und Flexibilität“, so der wissenschaftliche Mitarbeiter. „Auf Anforderungen oder Änderungswünsche reagieren unsere Ansprechpartner stets zeitnah und erarbeiten in enger Absprache Lösungen.“ Besonders unkompliziert gestaltet sich die Partnerschaft nicht zuletzt durch die räumliche Nähe: Beide Unternehmen liegen in der Region Ostwestfalen-Lippe – die zu den stärksten Wirtschaftsstandorten in Deutschland gehört. Beste Voraussetzungen also für eine weitere erfolgreiche Zusammenarbeit, bei der das Robotics Lab sicherlich eine tragendende Rolle spielen wird: Obwohl das Labor erst Anfang 2019 in den Betrieb gegangen ist, werden dort bereits erste Kundenanfragen bearbeitet.

Bernd Klöpper, Leiter Marketing, RK Rose+Krieger

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