Software ersetzt Stahl

Neue Betriebssoftware schaltet Roboter bei Kollisionsgefahr ab

Bei Opel in Rüsselsheim überwacht eine spezielle Software die Bahnverfahrdaten in der Robotersteuerung. Droht Kollisionsgefahr, stoppt sie den Roboter. Diese Betriebssoftware ersetzt die mechanische Sicherheitsplatte, die zwischen Greiferflansch und Greifer am Industrieroboter angebracht war. Die Arbeit mit Punktschweißzangen wird dadurch besser und sicherer. Außerdem sparen die Autobauer enorme Kosten und viele Wartungsarbeiten.

12. März 2001

Vierzig Prozent aller eingesetzten Industrieroboter arbeiten im Automobilbau, der größte Teil davon in der Rohkarosserie-Herstellung beim Punktschweißen. Industrieroboter sind flexible Großserienmaschinen: Sie sind leicht programmier- und umprogrammierbar, in der Werkzeughandhabung schnell umrüstbar und als Standgeräte auch leicht auswechselbar, im Falle von Schäden.

In der Rohkarosserieherstellung werden Schweißroboter mit einer Punktschweißzange meist in Form einer Trafozange ausgerüstet. Sie punkten gemeinsam mit einem bis fünf weiteren Industrierobotern Komponenten einer Karosserie in einer Schweißstation zusammen. 99,5 Prozent der insgesamt zwischen 3.000 bis 4.000 Schweißpunkte einer Mittelklassekarosserie werden bei Opel automatisch von Schweißrobotern gesetzt. Mehr als 1.000 Industrieroboter stehen deshalb an den Rohkarosseriestraßen in engen Sicherheitsbereichen direkt an den Förderbändern. Bis zu 30 Schweißpunkte, je nach Lage, setzt ein Industrieroboter auf diese Weise innerhalb einer Taktzeit von 40 bis 60 s. Überwacht werden in aller Regel bei dem automatischen Arbeitsablauf Schweißstrom, -spannung und -widerstand. Das verhindert, daß es durch Abbrennen der Kontakte zu einem Produktionsstillstand, zu Schäden an den Förderanlagen, Rohkarosserien oder Industrieroboter-Schweißzangen kommen kann.

Schweißzangen, Industrieroboterarme und Karosserieteile bewegen sich oft nur wenige Millimeter aneinander vorbei, so daß auch eine rein mechanische Kollisionskontrolle eingebaut werden muß.

Sicherheitsplatte versetzt Roboter in Ruhestand

Bereits 1982 begann man sich bei der Adam Opel AG, Rüsselsheim, Gedanken über eine „Collision Detection“ zu machen. Grundidee war damals, Schweißwerkzeug und Roboterarm nicht nur vor direktem Zusammenstößen zu schützen, etwa wenn Programmierfehler im Einrichtebetrieb vorkamen, sondern auch gegen die viel häufiger auftretenden Schweißkleber. Zum Kleben der Schweißkontakte kommt es, wenn nach etwa gesetzten 30.000 Punkten die Kontakte abgebrannt und flach werden. Normalerweise registriert jetzt, durch die Erhöhung des Schweißwiderstandes an den Kontakten, eine Schutzschaltung in der Robotersteuerung eine Stromerhöhung und setzt den Industrieroboter still. Eine zusätzliche Sicherheit bietet dann die Collision Detection.

Diese als Sicherheitsplatte ausgebildete Collision Detection ist zwischen Greiferflansch und Schweißzange eingebaut. Sie besteht aus zwei ineinander verschachtelten Deckeln mit je einem Hohlraum, in dem sich ein speziell auf die Abschaltkraft eingestelltes Tellerfederpaket und ein mechanischer Sicherheitsschalter befinden. Kollidieren die Schweißzangen oder bleiben die Schweißkontakte hängen, lenkt die Sicherheitsplatte aus. Ab 15Þ Auslenkung spricht der Schalter an und setzt den Industrieroboter still. Während anfangs bei 68 kg Tragfähigkeit die Sicherheitsplatten der Collision Detection ein Gewicht von etwa 7 kg besaßen, steigerten sich die Gewichte der Platten bei 120 bis 150 kg Tragfähigkeiten und schweren Universalschweißzangen bis 12 kg.

Platte made by Opel

Mitarbeiter aus dem Entwicklungszentrum der Opel AG haben diese Platten selbst konstruiert und den Anforderungen angepaßt. Sie haben die Sicherheitsplatten mit kontaktlosen Mikroschaltern ausgerüstet, die eine viel feinere Einstellung als die mechanischen Schalter zulassen.

Dipl.-Ing. Heinz W. Walther, Abteilungsleiter Entwicklung Produktionstechnologien Internationales Technisches Entwicklungszentrum, erinnert sich an gewichtige Sicherheitsplatten: „Zum Schluß haben wir Sicherheitsplatten von Nimag eingesetzt, die ein Gewicht von bis zu 20 kg aufwiesen. Das heißt, ein großer Teil der Robotertragfähigkeit wurde alleine durch die Sicherheit aufgebraucht.“ Das führte dann teilweise dazu, daß die einzelnen Werke die Punktschweißung ohne Sicherheitsplatte durchführten. Dipl.-Ing. Wolfgang Schwenk, Gruppenleiter vom Entwicklungszentrum, ergänzt: „Die Kosten einer einzelnen Sicherheitsplatte beliefen sich zwischen 3.000 und 10.000 DM, dazu kam der Verdrahtungsaufwand an der Robotersteuerung, der Instandhaltungsaufwand der Platte und ihre exakte Einstellung.“ Heinz Walther rechnet: „Wir haben dann 1995 angefangen, darüber nachzudenken, wie diese Collision Detection vereinfacht und gewichtsmäßig reduziert werden könnte.“ Bei einer Crashanalyse hat sich herausgestellt, daß nicht der große Zusammenstoß Fehlschaltungen auslöst.

Viele kleine Crashs führen zur Zerstörung der Wasserkühlung an der unteren Elektrode und bewirken längere Stillstandszeiten. Diese Crashs treten während der Einrichtung und Umrüstung auf, wenn die Elektrodenkappen kleben, die Zange geöffnet wird und die untere Elektrode hängenbleibt.

Schweißwerkzeuge recht freizügig konstruiert

Problematisch waren auch die Sicherheitsplatten selbst. Walther schildert die Situation: „Die Collision Detection mit Sicherheitsplatte funktionierte nur, wenn der Industrieroboter wußte, welches Werkzeug er einsetzte. Hier traten Schwierigkeiten auf, weil bestimmte Zulieferer ihre Schweißwerkzeuge recht freizügig konstruierten. Wir sind dann dazu übergegangen, Werkzeugmasse, Schwerpunktlage und Massenträgheitsmoment der Werkzeuge zu bestimmen und in die Sicherheitseinstellung einzubeziehen.“ Dazu wurde von der Adam Opel AG ein Formblatt für die Abmasse der Werkzeuge, ein Kalkulationsprogramm in Exel für die Bestimmung des Werkzeugschwerpunktes und ein Prüfstand für die experimentelle Bestimmung des Massenträgheitsmomentes entwickelt. Walther betont: „Wir haben dann alle Werkzeuglieferanten verpflichtet, die entsprechenden Daten zu ermitteln und mit unseren Vorgaben zu arbeiten, damit wir überhaupt in der Lage waren, die Sicherheitsplatten richtig einzustellen.“

Zwei Effekte zeigten sich dabei, die Industrieroboter wurden mit ihren Tragfähigkeiten nicht mehr überlastet, und Opel war in der Lage, dem Roboterhersteller für sein Softwareprogramm die entsprechenden Massen-, Schwerpunkts- und Massenträgheitsdaten zu geben. Walther differenziert: „Schließlich haben wir unterschiedliche Momente, ob der Industrieroboter mit einem leeren oder einem belegten Greifer eine bestimmte Bahn verfährt.“ Kosten, Gewichte und vor allem die nicht eindeutig definierte Einstellung der Sicherheitsplatten führten dann zunächst dazu, daß man bei der Adam Opel AG eine Abschaltung über die Software definierte und sie bei der Einführung einer neuen Robotergeneration vom Hersteller forderte.

Betriebssoftware schaltet Sicherheit ein

Die Forderung an die Industrieroboter-Hersteller lautete, daß der Roboter selbst ermitteln sollte, welche Werkzeuge zum Einsatz kommen. Das lösten die Hersteller, indem der Industrieroboter nach Befestigung des Werkzeuges ein Prüfprogramm durchfährt, bei dem die Handachsen in kleinen Schritten bewegt werden. Die Steuerung ermittelt dabei Masse und Schwerpunktslage des Werkzeuges selbst. Walther versichert: „Vom Werkzeughersteller verlangen wir, daß er seine Werkzeuge innerhalb der Spezifikation der tragbaren Nutzlasten konstruiert, denn wir bekommen leicht bis zu 15 Prozent größere Zykluszeiten, durch Anwachsen des Massenträgheitsmomentes am Werkzeug.“ Diese Payload Identification wurde schließlich in Form eines Softwareprogrammes, das sich Bahndaten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung an bestimmten Bahnstellen merkt, von Roboterherstellern wie Fanuc und ABB implementiert und bei der Adam Opel AG als Standard festgeschrieben. Heute ist die Payload Identification Teil der Betriebssoftware der an Opel ausgelieferte Roboter. Walther rechnet stolz: „Legt man einen Preis von 2.800 DM für jede mechanische Sicherheitsplatte zugrunde, führte ihr Ersatz durch die Betriebssoftware Payload Identification bei damals 1.250 angeschafften Industrierobotern für den Mittelklassewagen Astra zu Einsparungen von über 3,5 Mio Mark. Zu diesen Einsparungen müssen noch die Servicekosten hinzugerechnet werden sowie die Verbesserung des Nutzlastverhaltens und die damit nicht auftretenden Störungen.“

Erschienen in Ausgabe: 09/1999