Kuka leistet Pionierarbeit mit mobiler Roboterplattform

Keine Angst vor großen Teilen

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Wer Riesenbauteile wie etwa Rotorblätter bearbeiten und vermessen muss, steht immer vor dem Problem: Wie bekomme ich die Technik an das Bauteil heran? Roboterbauer Kuka hat dafür nun einen mobilen Industrie-Roboter entwickelt. Das Prinzip ist einfach: Kann ein Bauteil wegen schierer Größe nicht zum Roboter transportiert werden, dann kommt eben der Roboter zum Bauteil.

83,5 m sind derzeit der Rekord. Die Rede ist von einem Rotorblatt, das der dänische Blatthersteller SSP Technology für Samsung Heavy Industrie gebaut hat. Dabei wird es nicht bleiben, denn in den vergangenen Jahren wurde ein Längenrekord nach dem anderen gebrochen. Kein Wunder, denn die Windkraftanlagen werden immer imposanter und somit auch die Rotorblätter.

Der Windenergiebranche und ihren Zulieferern bereiten diese Maße allerdings zunehmend Kopfzerbrechen. Denn die Bearbeitung der meist aus CFK bestehenden Riesen – etwa die Verbehandlung vor dem Lackieren – wird zunehmend schwierig. Manuelle Prozesse erfüllen dabei nicht die Qualitäts- und Effizienzanforderungen der Kunden. Deshalb kommen zunehmend Robober zum Einsatz, da sie prozesssicher und wiederholgenau arbeiten. Bislang gibt es dafür nur starre Lösungen, die ein Fundament und Schienen brauchen, auf denen sich der Roboter bewegen kann. Der zentrale Nachteil dabei ist, dass das Bauteil zur Anlage gekarrt werden musste, egal wie groß oder empfindlich es war. Das geht zwar immer irgendwie, meist mit dem Hallenkran, aber der Aufwand ist hoch und am Ende rechnet sich die Anlage einfach nicht, auch nicht über Jahre.
Die Qualitätssicherungs-Branche hatte mit den gleichen Problemen zu kämpfen (siehe Kasten), half sich jedoch schon früh mit portablen Lösungen aus der Klemme. Heute reist der Techniker zum Beispiel mit einem Lasertracker im Gepäck zum Kunden und führt vor Ort seine Messungen durch. Es spielt dabei keine Rolle, wie groß oder wie schwer der Prüfling ist, denn der muss nicht bewegt werden. Die Roboterbauer taten sich mit mobilen Lösungen schwerer. Vielleicht deswegen, weil ein Industrie-Roboter für den Transport nun wirklich nicht gedacht ist. Im Gegenteil: Der stählerne Kollege braucht ein festes Fundament und muss bombensicher verankert sein.
So dauerte es etwas länger, bis ein Unternehmen die bisherigen Konzepte in Frage stellte und nach Alternativen suchte. Die Entwickler bei Kuka waren die ersten, die den Gedanken konsequent zu Ende gedacht haben. Und sie haben mit einem Konzeptfahrzeug, das sie auf der Hannover Messe 2013 vorstellten, echte Pionierarbeit geleistet. Dabei war die Entwicklungsphase für Alois Buchstab, Leiter Industrial Business Development bei der Kuka Roboter GmbH, im Rückblick keineswegs dramatisch: „Ich war überrascht, wie problemlos das über die Bühne ging.“ Das lag sicher auch daran, dass Kuka vor rund fünf Jahren bereits Vorarbeit geleistet hatte: Das Modell Omnirob ist ein kabellos gesteuerter, filigraner Leichtbauroboter mit eigener Navigation, der ebenfalls auf einer mobilen Plattform montiert ist. Das Gerät kann allein oder in Zusammenarbeit mit dem Menschen Transportdienste in der industriellen Produktion oder in der Werkstatt erledigen. Im Prinzip ist Omnirob eine kleine Ausgabe des aktuellen Konzeptfahrzeugs, für das Kuka den Robotics Award der Hannover Messe erhielt, der jährlich in Kooperation mit der Robotation Academy und dem Industrieanzeiger vergeben wird. „Da war die Entwicklung schon zu erkennen“, ist sich Buchstab sicher. „Wir haben dem Modell jetzt den Spielzeug-Charakter genommen und daraus eine mobile Industrie-Robotik gemacht.“
Onmidirektionale Räder sorgen für eine hohe Flexibilität
Bei dem neuen Konzeptfahrzeug werden ausschließlich Standard-Komponenten verwendet, die man über den Produktkatalog bei Kuka bestellen kann. Die erste Komponente ist eine omnidirektional angetriebene Schwerlast-Plattform, genannt Omnimove, mit so genannten Mecanum-Rädern, die sich in jede beliebige Richtung wie ein Luftkissen bewegen kann. „Mit der Technik kennen wir uns aus“, versichert Buchstab. „Das kleinste Modell mit vier Rädern, das wir anbieten, kann 3 t transportieren.“ Die Augsburger haben aber auch schon 35 m lange Fahrzeuge für die Luftfahrt-Branche gebaut, mit der sich 100 t schwere Teile durch die Halle bewegen lassen.
Die zweite Komponente ist ein Standard-Industrieroboter aus der KR-Quantec-Serie von Kuka, der einfach auf das Fahrzeug gestellt wurde. Hinzu kommt eine Standard-Steuerung KR-C4, die über handelsübliche Bleibatterien und einem Konverter mit Strom versorgt wird. Mit Hilfe einer autonomen Navigations-Software, die von Kuka selbst entwickelt wurde (siehe auch Interview), bewegt sich das Fahrzeug ohne Kabelverbindung frei im Raum. „Wir haben letztendlich verfügbare Komponenten sinnvoll miteinander kombiniert, viel mehr war das nicht“, fasst Buchstab zusammen.
Das ist zweifellos untertrieben. Denn neben dem Einsatz von Standard-Komponenten hat Kuka etwas völlig Neues ausprobiert: Ein Roboter, der mit Batterien läuft. „Das war bei uns das erste Mal, dass jemand diese Idee hatte“, so Buchstab. Die Roboter-Spezialisten mussten sich deshalb zunächst mit grundsätzlichen Fragen beschäftigen: Wie viel Strom zieht so ein Roboter? Lässt sich das überhaupt mit Batterien lösen? Falls ja, wie lange hält eine Batterie? Was für eine Kapazität braucht man? Stationäre Tests im Haus haben dann gezeigt, dass es funktioniert. „Mit einem Konverter haben wir die 12 Volt auf 380 Volt hochtransformiert und dann die Robotersteuerung angeschlossen“, so Buchstab.
Es musste eine Batterie sein, das war von Anfang an klar. Im Zeitalter von E-Mobility kam ein Verbrennungsmotor nicht in Frage. „Lärm und Abgase, so etwas kriegt man heute in einer Produktion nicht mehr unter“, weiß Buchstab. Die Technik wurde bei Kuka bereits im Rahmen einer Diplomarbeit genauer untersucht. Es wurde ein Wasserstoffantrieb angedacht oder Kondensatoren, die Energie speichern können. Die Überlegungen gingen hin bis zu Lithium-Ionen-Batterien, die eine höhere Leistungsdichte und ein geringeres Gewicht haben, aber auch teurer sind. „Am Ende musste das Produkt bezahlbar sein“, argumentiert Buchstab. „Wir sind deshalb bei Bleibatterien geblieben.“
Doch wie lange lässt sich ein Roboter mit Batterien in Bewegung halten? Auf diese Frage hat Buchstab bereits in der Konzeptphase eine konkrete Antwort. In Hannover auf dem Kuka-Stand lief das Fahrzeug einen ganzen Messetag am Rotorblatt auf und ab, acht Stunden ohne Unterbrechung. Am Abend betrug die Kapazität der Batterien immer noch 70 %. Genug Potenzial also, um vorne an der Roboterhand ein Werkzeug oder einen Greifer zu betreiben. Oder einen Kompressor, der Druckluft erzeugt. „Und falls es wider Erwarten nicht reichen sollte, dann setzen wir eben noch ein paar Batterien dazu“, trumpft Buchstab auf. „Das Gewicht ist nicht das Problem.“ Man denkt bei Kuka auch über Batterie-Wechselkonzepte nach. Produziert ein Anwender länger als eine Schicht, dann klappt er bei Bedarf den Deckel hoch, holt das Batterie-Pack mit dem Gabelstapler heraus und setzt ein Neues ein. Möglich sei auch das Aufladen der Batterien zwischendurch. „Nach zwei, drei Stunden ist das System wieder betriebsbereit“, so Buchstab. „Moderne Batterien lassen das zu.“
Das Thema Sicherheit ist aus Sicht von Buchstab bereits gelöst. Das Fahrzeug ist mit Sensoren ausgestattet, die den Raum rund um die Plattform überwachen. Steht ein Hindernis im Weg, dann gibt es zwei Möglichkeiten: Die Plattform fährt einen Bogen oder bleibt stehen und wartet, bis sich das Hindernis – in diesem Fall ein Werker – von allein aus dem Sichtfeld der Sensoren heraus bewegt. „Bewegt sich das Fahrzeug von A nach B, dann kann nichts passieren“, so Buchstab. „Und der Roboter befindet sich zudem in einem sicheren Zustand.“ Interessant wird es dann, wenn das Fahrzeug stoppt und der Roboter mit seiner Arbeit beginnt. In diesem Fall muss sichergestellt sein, dass ein Mensch nicht in den Aktionsradius des Roboters geraten kann. Bei Kuka wird bereits darüber nachgedacht, wie das technisch gelöst werden könnte. Aus Sicht von Buchstab wäre es denkbar, um das Fahrzeug herum zusätzlich einen mitfahrenden Zaun zu befestigen.
Eine mitwachsende Lösung
Für Kuka lag die Entwicklung des Konzeptfahrzeugs nahe, denn die Augsburger versorgen auch die Windkraft-Branche mit Robotern. Allerdings wurden parallel ständig Diskussionen geführt, dass sich eine Portalanlage, also eine Fest-Installation auf Schienen, am Ende nicht rechnet. Denn die Rotorblätter werden alle zwei Jahre um 5 bis 10 m länger. Deshalb werden sie oft manuell bearbeitet. „Da stehen 20 Leute davor, ausgestattet mit Handschleifern, Schutzanzügen und Atem-Masken und schleifen das Bauteil ab“, so Buchstab. Dabei falle eine hohe Staubbelastung an, das Ganze sei ergonomisch und gesundheitlich bedenklich. „Wir wollten deshalb ein System anbieten, das sozusagen mit wächst“, so Buchstab. „Jetzt sind wir mobil und können uns dem Bauteil anpassen.“ ■
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