Mensch-Roboter-Kollaboration in der Flugzeugendmontage

Ein intelligentes Assistenzsystem für das mechanische Fügen in der manuellen Montage

Frederik Schmatz, Jens Meißner, Jan Sender, Fraunhofer IGP, Rostock, Wilko Flügge, Universität Rostock und Eugen Gorr,

Viele Montageprozesse im Flugzeugbau laufen manuell ab. In der Endmontage der Airbus A320-Familie werden unter anderem die Längsstreben, sogenannte Stringer, am Querstoß zweier benachbarter Flugzeugrumpfsektionen über Stringerkupplungen miteinander verbunden. Hierfür werden derzeit herkömmliche Vollniete eingesetzt. Zukünftig wird hier ein Wechsel auf Vollstanzniete angestrebt. Aufgrund hoher Prozesskräfte beim Stanznieten weisen die Werkzeuge ein hohes Eigengewicht auf, wodurch die Montage zu hohen physischen Belastungen der Mitarbeiter während der manuellen Handhabung führen würde. Ein innovatives Assistenzsystem auf Basis eines kollaborierenden Roboters soll Abhilfe schaffen. Durch eine intelligente Steuerung soll es darüber hinaus die Qualitätssicherung maßgeblich unterstützen. Das System ist Gegenstand dieses Beitrags.

Das Stanznieten als Fügeverfahren wirkt sich positiv auf die Durchlaufzeit aus, da viele zusätzliche Prozessschritte beim herkömmlichen Nieten, wie bspw. das aufwändige Vorbohren, Reinigen und Neupositionieren der Stringer und Stringerkupplungen, entfallen [1]. Im Flugzeug durchgeführte Prozessanalysen haben gezeigt, dass die Montage 50 % weniger Zeit, im Vergleich zum herkömmlichen Nietprozess, benötigt. Das aus dem Automobilbau bekannte Nietverfahren [2] wurde im Flugzeugbau bisher nicht eingesetzt. Für eine erfolgreiche Integration müssen einige Herausforderungen bewältigt werden. Neben der Qualifizierung der Fügetechnologie und der Entwicklung geeigneter Werkzeuge, muss ein effizienter Prozess mithilfe eines Assistenzsystems entwickelt werden.

Aufgrund der hohen Sicherheitsvorschriften in der Luftfahrtindustrie bestehen hohe Qualitäts- und Dokumentationsanforderungen an den Montageprozess. Intelligente Nietwerkzeuge, wie das zu Verwendende, bieten bereits die Möglichkeit einer sensorischen Erfassung und Auswertung relevanter Prozessparameter (z. B. Kraft, Weg, Zeit) [2]. Eine Zuordnung dieser Parameter zu den konkreten Nietpositionen ist im manuellen Betrieb jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. 


Zielstellung

Ziel war es daher, ein leichtes und flexibles Assistenzsystem zu entwickeln, das den Mitarbeiter beim variantenreichen Fügen von Stringer und Stringerkupplung innerhalb der Flugzeug-
struktur physisch und geistig unterstützt. Das Werkzeug mit einem Gewicht von acht Kilogramm muss so geführt werden, dass die körperliche Belastung für den Bediener auf ein Minimum reduziert wird. Die Bedienung des Assistenzsystems soll intuitiv erfolgen. Dazu zählt die Vermeidung von unnötigen Bewegungen und Laufwegen sowie die ganzheitliche Steuerung des Systems in unmittelbarer Nähe des Setzgeräts. Die Prozessdokumentation der Montage soll zukünftig nicht mehr händisch erfolgen, sondern durch das System unterstützt werden, sodass eine prozessbegleitende und kontinuierliche Qualitätssicherung einfacher erfolgen kann.


Lösungsansatz

Da die zu entwickelnde Lösung ein geringes Gewicht und eine hohe Flexibilität aufweisen muss, ist die Auswahl möglicher Assistenzsysteme beschränkt. Gegenüber möglichen passiven Balancersystemen haben Roboter einen großen Vorteil: die eingebaute Sensorik. Sie sind mit innovativen Technologien ausgestattet, die eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sowie intelligente Vernetzung mit anderen Systemen und so eine automatische Prozessdokumentation erlaubt. Zudem bieten sie bei geringem Eigengewicht mittlerweile eine verhältnismäßig große Reichweite und Traglast. Der Manipulator als Assistenzsystem wird handgeführt, indem die Bedienperson Kraft auf eine Führungseinrichtung am Endeffektor ausübt, die der Roboter in eine Bewegung überführt [3, 4]. Neben der Handführung ist darüber hinaus auch eine teilweise Automatisierung des Prozesses möglich, die den Mitarbeiter weiter unterstützt.

Durchgeführte 3D-Simulationen und Tests an Mockups führten zu einer Auswahl des Leichtbauroboters UR10 (Universal Robots). Die vergleichsweise hohe Reichweite (1.300mm) und Traglast (10 kg) sowie das geringe Eigengewicht waren ausschlaggebende Kriterien. Auf einer bestehenden Montagebühne zur manuellen Montage wird der Roboter auf einer Linearschiene befestigt, um alle betrachteten Nietpositionen zu erreichen. Im Folgenden wird die Funktionsweise des kombinierten Roboter-Setzgerät-Systems kurz erläutert. Weiterführende Darstellungen zur Auswahl und Bedienung des Roboter- und Handhabungssystems sind [5] zu entnehmen.

 

Bild 1: (a) Robotersystem in einer virtuellen Kinematikstudie,
(b) kombiniertes Roboter-Setzgerät-Systems in der Realität,
(c) Stanzniet-Setzgerät mit redundanten Wipp- und Daumentastern (Pfeile).


Roboter- und Handhabungssystem

Der UR10 ist ab Werk mit der Möglichkeit der Handführung ausgestattet, die durch das Messen der Motorströme in den Roboterachsen realisiert wird. Für industrielle Anwendungen ist diese kontinuierliche Art der Handführung weniger geeignet [6], sondern sie erleichtert das Teachen von Bahnpunkten. Eine weitere, oft genutzte Möglichkeit der Handführung wird durch den Einsatz eines zusätzlichen Kraft-Momenten-Sensors (KMS) am Endeffektor realisiert [7]. Nach dem Prinzip der Admittanz werden die Kontaktkräfte berechnet, die aus der Handführung hervorgehen. Die vorliegende Anwendung, in der der FT300 (Robotiq Inc.) verwendet wird, erfordert eine Führung des Setzgeräts mit flexiblen Handhabungsmodi in verschiedenen Sensitivitätsstufen. Dazu wurde ein adaptiver Algorithmus zur Handführung des Roboters entwickelt, der je nach Bedarf angepasst und erweitert werden kann. Durch das Zusammenwirken der Komponenten und des Algorithmus wird dem Mitarbeiter eine gewichtskompensierte Bewegung des Setzwerkzeugs mit geringerer körperlicher Belastung ermöglicht. Aus diesen Komponenten ergibt sich ein Robotersystem, das in Bild 1 a/b in der virtuellen Kinematikstudie sowie real dargestellt ist. 

Neben der Montagebühne besteht noch eine Electronic Supply Unit (ESU), die aus den Steuerungen des Manipulators und des Werkzeugs besteht. Sie versorgt beide Geräte mit Strom sowie das Setzgerät mit hydraulischem Druck. Die Kabel und Schläuche hierfür werden in einem Schlauchpaket zusammengefasst, das von der ESU zum Endeffektor verläuft. Am Setzgerät befinden sich Taster, mit denen sowohl das Werkzeug als auch der Roboter bedient werden. So wird eine ganzheitliche Bedienung des Robotersystems ermöglicht.

Diese Handhabung erfolgt über redundante Wipp- und Daumentastern, die sich von einer Person bequem betätigen lassen (Bild 1c). Die roten Wipptaster dienen in diesem Zusammenhang als Zustimmtaster [3, 4], welche die Bewegung des Roboters sicher freigeben. Sofern kein Taster betätigt wird, befindet sich das Robotersystem im sicherheitsbewerteten überwachten Halt und verbleibt an der momentanen Position. Einwirkende Kräfte auf den KMS haben also in diesem Zustand keinen Einfluss.

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Schlüsselwörter:

Mensch-Roboter-Kollaboration, Smart Factory, Handführung, Ergonomie, Intelligente Assistenzsysteme, Mechanisches Fügen