Bediengeräte zur 3D-Bewegungsführung

Bahngesteuerte Handhabungsgeräte, im folgenden Industrieroboter oder Roboter genannt, werden entscheidend das Bild in der Fabrik der Zukunft bestimmen. Erst durch den Einsatz von Robotern wird die flexible Gestaltung der automatisierten Fertigung und Montage möglich, die erforderlich ist, um den immer schnelleren Trendänderungen des Absatzmarktes folgen zu können /1/. Roboter werden dann auch in der Mittel- und Kleinserienfertigung selbstverständlich sein.

Bediengeräte zur Bewegungsführung werden als Bestandteile eines Systems eingesetzt, dessen Funktionsfähigkeit wesentlich von der Abstimmung der einzelnen Baugruppen aufeinander abhängt. Die mit der Bewegungsführung verbundenen Probleme können nicht losgelöst von der Mechanik und der Steuerung eines Roboters betrachtet werden. Deshalb beginnt das vorliegende Kapitel mit einem Überblick über den Aufbau und die Steuerung moderner Industrierobotersysteme.

Industrieroboter werden z.Z. vorwiegend in der Großserienfertigung eingesetzt. Zur Produktion kleiner Stückzahlen werden sie nur hinzugezogen, wenn technische Gründe wie z.B. die Kraft, die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Bewegungen oder der Einsatz unter erschwerten Bedingungen dies erfordern. Gegen die verstärkte Nutzung in der Mittel- und Kleinserie spricht meist der in Relation zur Produktionszeit wirtschaftlich nicht vertretbare Aufwand für die Roboterprogrammierung. Auch die Verfügbarkeit prozeßferner Programmiersprachen hat an dieser Situation kaum etwas geändert, da die Bewegungsprogrammierung am Bildschirm mit den derzeitigen expliziten Programmiersprachen selten praktikabel ist. Hybride Programmiersysteme, die das Teach-In-Verfahren zur prozeßnahen Bewegungsprogrammmierung integrieren, konnten sich bisher nicht durchsetzen. Ihr Einsatz würde die Programmierung auch kaum beschleunigen, weil die Bewegungsprogrammierung immer noch den größten Anteil der gesamten Programmierzeit in Anspruch nimmt. Maßnahmen zur Effektivitätssteigerung müssen deshalb bei der zeitintensiven Aufnahme der Roboterbewegungen ansetzen.

Zur Bewegungsführung werden bei den meisten Robotersystemen z.Z. noch Richtungsfahrtasten eingesetzt. Diese Tasten sind unergonomisch, da der Programmierer sich ständig die Lage des Programmierkoordinatensystems und dessen Zuordnung zu den Tasten vor Augen halten muß. Beim Einsatz eines Robotermodells (vgl. Bild 2-10c) zur Steuerung der Antriebe dagegen besteht ein gedanklich leicht faßbarer Zusammenhang zwischen der Aktion des Programmierers und der Reaktion des Roboters. Allerdings steht die Verwendung eines kinematischen Modells im Gegensatz zu den Forderungen nach Universalität und geringem Platzbedarf.

Bei der Bewegungsführung großer Roboter (z.B. Portalroboter) muß der Programmierer sich in der Nähe der Roboterhand aufhalten, um Details besser zu erkennen. Raumfest montierte Bedienelemente sind in diesem Fall nicht zu verwenden. Mobile Bediengeräte mit Steuerknüppeln (wie z.B. nach Bild 2–10d) oder Kraft-Momenten-Sensoren, die vom Programmierer mitgeführt werden, aber haben keinen festen Bezug zum Koordinatensystem des Roboters. Dies kann zur Irritation und sogar zur Gefährdung des Programmierers führen, da sich der Roboter -abhängig von der Ausrichtung des Bediengerätes- unerwartet auf den Programmierer zu bewegen kann.

Wie jedes andere kraftbetätigte Bedienelement muß auch die Kraft-Momenten-Sensorkugel immer an einer Plattform befestigt werden, die als Richtungsreferenz und als Aufnahme für die vom Bediener ausgeübten Kräfte bzw. Momente dient. Bei mobilen tragbaren Geräten muß diese Plattform vom Bediener gehalten werden. Ideal wäre ein räumlich frei bewegbares Gerät, das mit einer Hand gehalten und bedient werden kann.

Die Bewegungsführung bzw. Bewegungsprogrammierung kann als Problem der dreidimensionalen Kurzstreckennavigation betrachtet werden. Wenn es gelingt, Positionen und Orientierungen im Raum berührungslos zu erfassen, sind frei bewegliche Bedienelemente zur Bewegungsführung realisierbar. Mit einem Bedienelement, dessen räumliche Bewegungen vom Roboter in allen Achsen nachvollzogen werden, wird die Bewegungsführung so einfach wie die Verschiebung einer Bildschirmmarke mit einer Computermaus. Darüberhinaus wird es — bei ausreichender Navigationspräzision — möglich, Bewegungsabläufe im Teach-In- oder Playback-Verfahren direkt zu programmieren, ohne den Roboter selbst zu benutzen.

Industrierobotersysteme müssen ein hohes Maß an Flexibilität besitzen. Sie sollen auch kleine Losgrößen wirtschaftlich bearbeiten und sich schnell umprogrammieren lassen. Dem verstärkten Robotereinsatz steht jedoch oft ein in Relation zur Produktionszeit nicht vertretbarer Zeitaufwand für die Programmierung entgegen. An dieser Situation haben auch zahlreiche Ro- boter-Programmiersprachen nichts geändert, da die Bewegungsprogrammierung am Bildschirm mit den derzeitigen expliziten Programmiersprachen nicht praktikabel ist. Im Rahmen der prozeßnahen Programmierung werden die Bewegungen auch in nächster Zeit am Roboter programmiert werden. Zur Vermeidung unnötiger Stillstandszeiten wird die Zusammenstellung der Bewegungssätze allerdings prozeßfern, am Bildschirm erfolgen.