Auf dem Weg zu einer flexiblen Produktion: Automatische und kollisionsfreie Bahnplanung für kooperierende Industrieroboter

Abstract

Der Einsatz von Carbonfaserverstärktem Kunststoff in der Luftfahrtindustrie hat in den letzten Jahren enorm zugenommen. So bestehen etwa 20 Prozent des Strukturgewichts bei einem Airbus A380 und 50 Prozent bei einem A350 aus diesem Werkstoff. Die Herstellung großer Faserverbundbauteile für die Luftfahrt beinhaltet allerdings noch immer viele manuelle Prozessschritte, die zu geringer Reproduzierbarkeit, hohem Prüfaufwand, notwendiger Nacharbeit bis hin zur verzögerter Bauteilauslieferung führen können. Für eine genaue und schonende Verarbeitung der Kohlenstofffaser-Zuschnitte ist eine automatisierte Produktion notwendig. Für die Herstellung großer Strukturen wie dem Rumpf oder Flügeln sind große Roboteranlagen notwendig, die hohe Investitionskosten mit sich bringen. Sollen sich diese Investitionen lohnen, müssen zukünftige Anlagen wandlungsfähig und schnell für andere Bauteile umkonfigurierbar sein. Ein entscheidender Baustein hierfür ist die automatische Bahnplanung der Roboter anhand der Produktionsdaten aus den Konstruktionsdaten, die in dieser Arbeit entwickelt und an einem zwei Meter langen Rumpfbauteil eines Airbus A320 untersucht wurde. Um diesen Demonstrator zu fertigen, müssen 196 Zuschnitte mit kooperierenden Robotern in einer Werkzeugform positioniert werden. Bei Aufnahme der Forschung hat sich gezeigt, dass die aktuell einzige Möglichkeit darin besteht, diesen Prozess mit dem manuellen und zeitaufwendigen Teach-in-Verfahren zu programmieren. Bei diesem muss jeder Punkt, der Bestandteil des Pfades sein soll, manuell durch den Bediener angefahren und programmiert werden. Die Dauer hierfür beträgt im Schnitt etwa einen halben Tag pro Zuschnitt. Zwar bieten Roboterhersteller Pakete wie KUKA RoboTeam, jedoch ist dieses lediglich zur Synchronisation und nicht zur Programmierung der Roboterpfade hilfreich. Die Generierung der eigentlichen Pfade ist damit nach wie vor eine Herausforderung. In dieser Arbeit wurde ein System entwickelt, welches eine kollisionsfreie Pfadplanung für mehrere Roboter in einem flexiblen Produktionsszenario übernimmt. Das System wurde in C# entwickelt. Es berechnet die Pfade zunächst offline in einer Simulationsumgebung. In einem nächsten Schritt werden die Pfade auf eine Roboterzelle mit zwei KUKA QUANTEC KR210 R3100 ultra Robotern auf einer gemeinsamen Linearachse ausgeführt. Die Berechnung eines Pfades für einen Zuschnitt dauert mit dem System lediglich eine Minute, was eine immense Verbesserung gegenüber dem manuellen Programmieren oder einer Offline-Programmierung bedeutet.