Bild: IfW
Digitale Werkstatt und Kollege Roboter unterstützen das Handwerk

Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung: Das sind Schlagwörter, die dieser Tage zum gängigen Jargon gehören. Während Großunternehmen und Konzerne die monetären und personellen Mittel besitzen, um die Thematik im großen Stil zu gestalten, ist es für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) bereits eine Herausforderung, eine geeignete Automatisierungslösung zu finden. Häufig stellen sich dabei die Fragen: Welches System ist für mein Unternehmen passend? Wie können meine bisherigen Arbeitsschritte automatisiert werden? Wie hoch ist der Programmieraufwand? Wie stehen Kosten und Nutzen im Verhältnis?


Christian Menze, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe ,Maschinenkonstruktion‘ am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW); Kamil Güzel, Gruppenleiter ,Holzbearbeitung‘; Dr.-Ing. Thomas Stehle, stellvertretender Institutsleiter und Oberingenieur; Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Möhring, Institutsleiter; Michael Königs, Forschungsprojektleiter, Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen; Dr. Rolf Heidemann, Senior Innovation Manager, Faro Europe; Andreas Schütz, wissenschaftlicher Mitarbeiter ‚Antriebssysteme und -regelung‘ am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)


Handwerksbetriebe und KMU der Holzbranche haben sich mit ihrem Produktspektrum auf kleine Losgrößen und individualisierte Sonderfertigungen unter Berücksichtigung von Kundenwünschen spezialisiert. Dies hat komplexe Geometrien bei kleiner Serie zur Folge, wodurch der Aufwand für die Programmierung und das Rüsten eines Bearbeitungszentrums (BAZ) häufig zu groß ist, um den Nutzen zu rechtfertigen. Hinzu kommt, dass ein BAZ eine große Investition bedeutet und sich nur rentabel für den Betrieb auswirkt, wenn es in hoher Auslastung genutzt wird. Durch dieses Dilemma investieren nur wenige KMU in größere Maschinenparks. Als Folge finden die meisten Fertigungsschritte manuell statt. Hierzu gehören auch körperlich schwere, sich wiederholende Tätigkeiten. Oftmals erfüllen die Mitarbeiter ihre Aufgaben mit gesundheitsschädlichen Körperhaltungen und sind aufgrund fehlender, meist kostenintensiver Sicherheitseinrichtungen hohen Staub- und Lärmbelastungen ausgesetzt. Hinzu kommt, dass große Unternehmen durch den Einsatz agiler, hochautomatisierter Fertigungseinrichtungen zunehmend in die Sektoren der Einzel- und Sonderfertigung eintreten.

 

Das Forschungsvorhaben


Damit die Wettbewerbsfähigkeit des innovativen deutschen Mittelstandes auch in Zukunft gewährleistet werden kann, unterstützt das Bundesforschungsministerium mit der Fördermaßnahme ,KMU-Netc‘ themenübergreifende Verbundprojekte, die an den spezifischen Bedarf von KMU ausgerichtet sind. Hierdurch können weniger forschungsaffine KMU wie klassische Handwerksbetriebe auf Fördermittel sowie die Unterstützung und Zusammenarbeit mit einem interdisziplinären Expertenteam zugreifen. So haben sich im Projekt ,Sirowo – Simplified Robotic Woodwork‘ ein Konsortium von Tischlereibetrieben, Automatisierungsdienstleistern, Komponentenherstellern, Systemanbietern und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, um gemeinsam Automatisierungslösungen im holzbe- und -verarbeitenden Handwerk zu entwickeln und zu erproben.


Im Zentrum des Vorhabens steht eine ganzheitliche Betrachtung der holzspezifischen Anforderungen und die Ableitung von Automatisierungslösungen. Wesentlich ist die Entwicklung eines Hardwarekonzeptes, das möglichst für jedermann geeignet ist. Dies erfordert eine Programmierumgebung, die sich an den verschiedenen Aufgaben einer Werkstatt orientiert und sich intuitiv bedienen lässt. Auch soll eine Datenbank dabei helfen, Arbeits- und Fertigungsschritte, Skizzen, Produktdesign und Materialbedarf mit wenigen Klicks zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird der gesamte innerbetriebliche Workflow vereinfacht und der Wissenstransfer von erfahrenen Mitarbeitern an Neulinge kann schnell über die in der Datenbank gesammelten Informationen geschehen.

 

Die Umsetzung


Zur Umsetzung dieser Ziele fertigt der Tischlereibetrieb Gigler holz-design (HDG) zusammen mit den Projektpartnern von Sirowo eine Demonstratoranlage an, mit der die vielen Komponenten sowie die nötigen Schnittstellen untersucht werden können. Eine Roboterzelle hat sich aus der Überlegung der Anforderungen als geeignete Automatisierungslösung erwiesen. Diese bietet neben einem großen Arbeitsraum auch eine hohe Flexibilität bei moderaten Investitionskosten. Der Kollege Roboter soll dem Mitarbeiter körperlich anstrengende, sich wiederholende Aufgaben abnehmen. Ersetzen kann er den Handwerker nicht. Dieser plant künftig an seinem Computer die Produkte und gibt die Anweisungen an den Kollegen Roboter per Knopfdruck aus dem staubfreien Büro. Während sich der Roboter an die Arbeit macht, kann der Mitarbeiter seine Expertise in anderen Aufgabenbereichen wie dem Produktdesign und Kundengesprächen einbringen.


Das hardwaretechnische Zentrum des Vorhabens bildet somit ein Industrieroboter (IR). Dieser kann auf Anweisung des Mitarbeiters schwere Bauteile heben und transportieren. Danach legt er das Bauteil auf einer Spannvorrichtung ab. Das ISW entwickelt hierfür in enger Absprache mit Endanwendern wie HDG und der Tischlerei Eigenstetter eine flexible Spannvorrichtung, mit der hochgradig individualisierte und sogar großvolumige Bauteile in einer Bearbeitungszelle gespannt werden können. Gewünscht ist hierbei ein steuerungstechnischer Ansatz, mit dem ein minimaler manueller Aufwand für den Handwerker besteht. Natürlich soll der IR das gespannte Bauteil auch bearbeiten. Dafür hat das IfW zusammen mit den Projektpartnern und Endanwendern eine Auswahl für handwerkstypische Bearbeitungsprozesse aufgestellt. Neben den konventionellen Bearbeitungsoperationen wie dem Fräsen, Bohren und Schleifen gehören hierzu auch exklusive Technologien wie das Heißdrahtschneiden. Auch müssen spezielle Bewegungsabläufe für die Bahnplanung entwickelt werden. Dies erarbeitet das IfW zusammen mit den Partnern Moduleworks und Robotized. Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld des IfW liegt in der Entwicklung einer Absauganlage, die einen hohen Späneerfassungsgrad ermöglicht, aber den IR möglichst nicht in seiner Flexibilität einschränkt. Hierzu werden auf der Grundlage von Spänefluguntersuchungen verschiedene Konzepte für Absaughauben abgeleitet. Diese werden anschließend iterativ mittels Strömungssimulationen optimiert.

 

Die Basis-Infrastruktur


Die Aufgabe der Exapt Systemtechnik besteht in der Konzeptionierung und Umsetzung der Basis-Infrastruktur, die für die Programmierung, den Datenaustausch und die Mitarbeiterunterstützung benötigt wird. Neben einer Integration der CAD-Konstruktionssoftware (Rhinoceros3D) zur Auftragsdatenübernahme umfasst dies auf systemtechnischer Ebene vor allem den Aufbau von Schnittstellen zur Verwendung komplexer Bahnplanungs- (Moduleworks) beziehungsweise Bahnanpassungsalgorithmen (Robotized) sowie der NC-Steuerung der Roboterzelle (Riexinger, IfW, ISW). Letztere werden zur Übertragung erstellter NC-Programme und Werkzeugdaten sowie zur Rückführung der erfassten, aktuellen Spannlage (Faro) für Bahnanpassungen und NC-Programmerstellung (Robotized) eingesetzt. Aus Sicht der Mitarbeiterunterstützung werden Benutzerschnittstellen geschaffen, die einen digitalen Austausch von fertigungsrelevanten Informationen zwischen Stationen umsetzen und so jederzeit aktuelle Informationen über den Zustand der Auftragsbearbeitung und die zur Bearbeitung heranzuziehenden Auftragsdaten bereitstellen können. Außer einer effektiveren Ausführung der stationsweise durchzuführenden Tätigkeiten wird auf diese Weise auch die Planungssicherheit erhöht, die zu deutlich geringeren Zahlen an Ausschuss und Anlagenausfällen führen soll.

 

Innovative optische 3-D-Messtechnik


Soll ein Roboter Teile bearbeiten oder handhaben, muss er für diese Aufgabe zunächst wissen, wo sich das zu bearbeitende Teil befindet und wie es positioniert ist. Im Rahmen des Projektes sollen auch Einzelstücke automatisch gefertigt werden. Bei sehr kleinen Losgrößen ist es jedoch nicht praktikabel, eine je individuelle Aufnahme zu fertigen. Die Genauigkeit der Positionierung bei der manuellen Zuführung der Teile reicht aber nicht aus, dass der Roboter die nachfolgenden Arbeitsschritte präzise, sicher und effizient ausführen kann. Daher ist es hilfreich, wenn der Roboter Position und Orientierung der Teile selbst erkennt. Die Aufgabe, dem Roboter das ,Sehen‘ zu ermöglichen, übernimmt im Projekt ein neuartiger 3-D-Sensor, der Faro Dynamic Machine Vision Sensor (Faro DMVS). Die präzise, automatische Lokalisierung mit dem Faro DMVS ersetzt das noch immer verbreitete, aber ungenaue und langwierige manuelle Eintrainieren der Position der Teile. Der Sensor wird dafür auf dem Roboter montiert und die relative Lage zwischen Sensor und Werkzeug vermessen. Der Faro DMVS tastet dann mit 70 Hz die Oberflächen des Werkstücks dreidimensional mit einem Laserpunktmuster ab, das von zwei Kameras aufgenommen wird. Die Abtastung durch den Sensor kann auch in der Bewegung erfolgen. Er erfasst verschiedenste, üblicherweise herausfordernde Oberflächen (schwarz, glänzend) und Mischungen unterschiedlicher Materialien außerordentlich robust.


Im Projekt werden die Werkstücke bei einem Abstand von circa einem Meter aufgenommen und auf < 0,3 mm genau lokalisiert und anhand des zugehörigen CAD-Modells auf Abweichungen untersucht. Der Faro DMVS wird zudem eingesetzt, um bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten die Bahn des robotergeführten Werkzeugs zu überprüfen. Auf das Werkzeug wirken während der Bearbeitung unvorhersehbare Kräfte, wodurch die geforderte absolute Bearbeitungsgenauigkeit von 0,3 mm durch den Roboter nicht garantiert werden könnte. Indem der Sensor seine aktuelle Position misst, bestimmt er die des Werkzeugs während der Bearbeitung. Der Sensor orientiert sich dafür an Referenzmarken an einer Wand im Hintergrund. Die Positionierung mit Referenzmarken wurde von Faro im Rahmen des geförderten Projektes entwickelt und erreicht Geschwindigkeiten bis zu 50 Hz. Dabei wird die geforderte Positioniergenauigkeit von < 0,3 mm bei Arbeitsabständen bis 2,1 m erreicht. Nach der Bearbeitung wird die gemessene Ist-Position mit der geplanten Soll-Position verglichen. So kann für künftige Bearbeitungen gelernt und gegebenenfalls an schwierigen Stellen langsamer bearbeitet oder ein Abdriften kompensiert werden. Zudem können die Messungen des Sensors, über den eigentlichen Projektauftrag hinaus, verwendet werden, um in Echtzeit auf Abweichungen zu reagieren und die Bewegungen des Roboters für eine präzise Bearbeitung kontinuierlich anzupassen.

 

Hinweis zur Förderung


Das Forschungsvorhaben, das diesem Bericht zugrunde liegt, wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03VNE21001 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

www.ifw.uni-stuttgart.de/forschung/holz-und-verbundwerkstoffbearbeitung

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