Forschungsprojekt RApidS

Innerhalb der RApidS-Roboterzelle nehmen zwei UR5e Leichtbauroboter jeweils ein Rohr äquivalenten Durchmessers aus zwei Entnahmestationen auf. Anschließend werden die zu verschweißenden Stirnflächen beider Rohre zueinander geführt. Die Zusammenführung erfolgt vor einem unbeweglichen Schweißbrenner und im Sichtbereich eines Triangulationssensors, welcher die Spalt- und Übergangsverläufe zwischen den Rohren während einer simultanen Rotation erfasst. Derart kann im Vorhinein des gewünschten Schweißprozesses ein Probelauf erfolgen, dessen Spalt- und Übergangsverläufe zu einer Korrektur der Bahnplanung genutzt werden. Für den nachfolgenden Schweißprozess werden die Rotationsbewegungen hinsichtlich einer optimalen Schweißung mit einer gemeinsamen Pendelbewegung überlagert.

Bahnplanung, Roboterprogrammierung sowie die Simulation des Fügeprozesses erfolgen innerhalb des Robotersimulators Process Simulate, welcher somit ein essenzielles Glied des RApidS-Projekts darstellt.

Durch die sensorgestützte selbständige Adaption der Roboterprogramme an die realen Beschaffenheiten der Schweißbauteile und der Zellenperipherie werden Schweißprozesse weitestgehend automatisiert durchführbar. Die Entwicklung der RApidS-Roboterzelle erfolgt in Kooperation mit der EngRoTec Osnabrück GmbH.

Die RApidS-Roboterzelle, welche den Rohr-Fügeprozess vollführen soll, wird erst mit zunehmenden Projektfortschritt realisiert. Bei dem Transfer der Simulation in die Realität können jedoch unweigerlich Probleme auftreten. Je früher sie identifiziert werden, umso geringer fällt das Risiko für den Projektfortschritt aus. Deshalb ist innerhalb des RApidS-Projekts das Laborequipment der Hochschule zu Nutze gemacht und vorab ein Hochschul-Demonstrator konzipiert worden. Dieser besteht aus zwei Stäubli RX 130 Robotern, welche über eine Software-SPS miteinander kommunizieren.

Für diesen Hochschul-Demonstrator sind eigens konstruierte Bauteile 3D-gedruckt (SLS) worden, die so aufeinander abgestimmt sind, dass sie auf unterschiedliche Arten und Weisen formschlüssig von den Robotern gefügt werden können. Das Video zeigt die Umsetzung einer komplexen simultanen Fügeoperation, die sich hinsichtlich Synchronität und Genauigkeit an den Anforderungen des angestrebten Rohr-Fügeprozesses orientiert.

Die Erkenntnisse, die hieraus bezüglich Kalibrierung, Synchronisierung und Fügegenauigkeit erlangt werden, fließen in die Realisierung der RApidS-Roboterzelle ein.

Der Innovationspreis Niedersachsen ehrt herausragende Innovationsprojekte und Erfolgsgeschichten aus Niedersachsen. Aus zahlreichen Bewerbungen wählt eine Jury auch 2021 wieder die Nominierten aus. Jeweils drei Bewerber ziehen in den Kategorien „Vision“, „Kooperation“ und „Wirtschaft“ in die letzte Auswahlphase des Preises ein. Das Forschungsprojekt RApidS ist in der Kategorie „Kooperation“ nominiert.

Wie schon in den vergangenen Jahren überreichen die Schirmherren des Preises, Niedersachsens Minister für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung, Dr. Bernd Althusmann und Niedersachsens Minister für Wissenschaft und Kultur, Björn Thümler den Preis feierlich in Hannover.

Am Ende hat es für RApidS leider nicht für den ersten Platz gereicht. Die Nominierung allein ist aber bereits als Auszeichnung für das Projekt und die Antragsteller zu verstehen.

Erstmalig wurde der aktuelle Forschungsstand des RApidS-Demonstrators auf dem Technologieforum der Firma EngRoTec am 27. und 28.10.2021 in Hünfeld (Hessen) vorgestellt. Ca. 250 Gäste - meist namhafte EngRoTec-Kunden - aus der Automobil-, Medizin- und Pharmaindustrie sowie dem allgemeinen Maschinenbau waren vor Ort.

Gezeigt wurde in der RApidS-Roboterzelle die Erzeugung und Synchronisierung der Bewegungsbahnen für die beiden eingesetzen UR-Roboter, um zwei Rohrbögen miteinander zu verbinden. Im Gesamtablauf wurden hierfür die Rohrbögen zunächst von den Robotern aufgenommen, dann nacheinander mit dem EngRoTec-Visionscanner vermessen und die Messdaten mit Hilfe eines Matlab-Scriptes aufbereitet. Nach einer virtuellen Geometrieerzeugung konnten die Rohrbögen in den Robotersimulator Process Simulate überführt werden. Dort wurden die Bewegungsbahnen für beide Roboter erzeugt und die Synchronisierung der Bewegungen mittels realistischer Simulationen in virtuellen UR-Steuerungen durchgeführt. Schließlich wurden die angepassten Bewegungsbahnen den realen Roboter übergeben, damit diese dann die synchronen Bewegungsabläufe durchführen (Video).

Auch stellte der RApidS-Demonstrator seine Mobilität hinsichtlich eines einfachen Transports und der zügigen Inbetriebnahme in der Ausstellungshalle unter Beweis. Auf- und Abbau der Roboterzelle dauern weniger als 30 Minuten.

Die IHK Osnabrück - Emsland - Grafschaft Bentheim hatte am 17.11.2021 zum "Schaufenster Innovation" ins Labor für Handhabungstechnik und Robotik eingeladen. Vertreter von 15 Unternehmen aus dem Osnabrücker Umland waren dieser Einladung gefolgt und konnten sich den aktuellen Stand zum Forschungsprojekt RApidS anhören und anschauen. Nach kurzen Vorstellungen zur Hochschule, zum Roboterlabor und zum Kooperationspartner EngRoTec wurde in einem Vortrag fachlich auf die technischen Details des Forschungsprojektes eingegangen. Erläutert wurde der funktionale Fertigungsablauf innerhalb des RApidS-Demostrators beginnend bei der Vorpositionierung der Bauteile über die Digitalisierung der Geometrien mittels Visionscanner, der automatischen Bewegungsprogrammierung und -synchronisierung beider UR-Roboter im Simulator Process Simulate bis zum finalen Download der Roboterprogramme in den Demonstrator.
Bei der anschließenden Vorführung des RApidS-Demonstrator und dem Networking aller Beteiligten wurde viele Themen aus dem Produktionsalltag in entspannter Atmosphäre betrachtet und diskutiert.

Mit Abschluss einer innerhalb von RApidS durchgeführten Masterarbeit ist nun erstmals der vollautomatische Ablauf der Bewegungsgenerierung für die beiden eingesetzten UR-Roboter möglich. Nachdem die Roboter die Rohrbögen gegriffen haben, erfolgt das Einscannen der Rohrbogenenden. In Process Simulate werden die Endstücke dann automatisch modelliert und daraufhin die Generierung und Synchronisation der Bewegungsbahnen durchgeführt. Nach nochmaligem Scan - diesmal aber mit beiden Rohrbögen entsprechend der späteren Schweißbewegung - werden die Bewegungsbahnen automatisch angepasst. Die finalen Messungen zeigen im Anschluss, dass die Bewegungen beider Rohrbögen im Bereich weniger Zehntelmillimeter zueinander stimmig sind. Das Video zeigt den gesamten Ablauf.
Eine weitere Scanoperation kann weitere Genauigkeitsverbesserungen ergeben, so dass schließlich die Verschweißung durchgeführt werden kann.

Die Digitale Woche Osnabrück wurde von der Stadt Osnabrück ins Leben gerufen und vom 14. bis 18. Juni 2022 gemeinsam u.a. mit dem iuk Unternehmensnetzwerk, der Wirtschaftsförderung Osnabrück, der Wirtschaftsförderungsgesellschaft Osnabrücker Land und der Hochschule Osnabrück ausgerichtet.

In mehreren Workshops wurde interessierten Besuchern der aktuelle Stand des RApidS-Demonstrators vorgestellt. Dabei wurde nach der vollständig automatischen Bewegungsbahngenerierung für beide Roboter auch erstmals der Schweißprozess durchgeführt. Hierzu wurden Rohrstücke und/oder Rohrbögen aus Kunststoff synchron von beiden Robotern an einem Heißluftgebläse vorbeigeführt und unter Zuführung eines ABS-Filamentes stirnseitig verschweißt.

Vom 9. bis 11.12.2022 fand die 1st IEEE Annual On-Line Conference (ONCON) 2022 statt. Die Ergebnisse des RApidS-Projektes wurden hierfür in einem Artikel zusammengefasst, für die Konferenz eingereicht und nach entsprechendem Review-Prozess schließlich als IEEE-Veröffentlichung angenommen. Das Basis-Konzept der Konferenz war, dass alle Präsentationen in teilweise parallel laufenden Sitzungen ausschließlich online im Rahmen von Zoom-Meetings stattfanden. In der Session Industrial Informatics wurde RApidS mit den finalen Ergebnissen einem Expertenkreis vorgestellt und anschließend diskutiert.

Die Präsentation kann hier heruntergeladen werden.