Halt mich, nur präzise!

Fertigungsautomation

Positionieren - Was die Sonne kann, sollte ein Fusionsreaktor auch können: Wasserstoffkerne verschmelzen und Energie freisetzen. Technisch beherrscht, könnte das die Energieversorgung der Zukunft sein. Und ein Roboter LR Mate von Fanuc Robotics ist dabei, wenn die Vision in technische Realität umgesetzt wird. Allerdings dient er beim Projekt Wendelstein 7X in Greifswald weniger der Produktivität als vielmehr der Präzision.

24. Mai 2012

Weltweit sind Institute und Institutionen dabei, Fusionsreaktoren zu bauen oder zu testen. Wenn »Wendelstein 7X« im Jahr 2014 in den ersten heißen Test geht, wird es der weltweit größte Stellarator seiner Art sein. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald, betreibt innerhalb der Helmholtz-Gesellschaft die Stellarator-Forschung und baut auch Wendelstein 7X.

Alle fünf Module sind bereits montiert und befinden sich auf dem Maschinenfundament. In den nächsten Wochen werden die Module miteinander verbunden, weitere Stutzen für die Beobachtung des Plasmas montiert und mit der Auskleidung des Plasmagefäßes begonnen.

Die Plasmagefäßsektionen kommen von MAN Turbo & Diesel, ehemals Deggendorfer Werft. Dort wurden die insgesamt 200 Ringe für das Plasmagefäß gefertigt.

Beim mehrlagigen Aufbau des Plasmagefäßes samt Isolation sind ganz unterschiedliche Materialien zu verbinden, beispielsweise auch glasfaserverstärkte Kunststoffschilde mit einlaminierten Kupfernetzen für die Isolation. Die Herausforderung: Fertigungstoleran-zen im Zehntelmillimeter-Bereich.An den Innenwänden des Reaktorgefäßes werden pro Modul etwa 1.200 Bolzen und Halterungen angeschweißt; insgesamt also 6.000 Elemente. Die Bolzen dienen hauptsächlich als Halterungen für die Einbauten im Plasmagefäß.

»Für 6.000 Bolzen lohnt es schon, sich eine intelligente Lösung einfallen zu lassen«, ist Michael Czerwinski, am IPP zuständig für Komponenten im Plasmagefäß, zufrie-den mit der Roboterlösung.

In der Röhre herrscht Schutzhelm-Pflicht. Einzig geduldete Ausnahme ist der Fanuc-Roboter LR Mate 200iC. Seine kompakte Bauform war eines der Auswahlkriterien, wobei der Roboter im Verhältnis dazu auch noch über eine Reichweite von mehr als 700 Millimetern verfügt und obendrein nur 27 Kilo wiegt. Denn nicht nur, dass es in der Röhre eng zugeht, sollte der Roboter auch durch das Mannloch passen.

Czerwinski:

»Der Fanuc-Roboter bot uns die Möglichkeit einer maßgeschneiderten Applikation. In der Summe der Eigenschaften war uns das von anderen Herstellern nicht angeboten worden.«

Einen nachhaltigen Beitrag für den Erfolg des Projektes leistete die RST Rostock System-Technik GmbH. Als Spezialist für Sonderlösungen im Industrieanlagenbereich hat die RST die Verantwortung für den Roboter gehabt. Besondere Herausforderung war die geforderte Genauigkeit zu erreichen.

Uwe Fichtner, Systemingenieur bei RST, musste sich intensiv mit dem Unterschied von Positionier- und Wiederholgenauigkeit auseinandersetzen. Schnell war klar, dass ein kleiner Industrieroboter die beste Lösung sein würde.

Doch damit fingen die praktischen Probleme erst einmal an. Denn für das Projekt in seiner Einzigartigkeit gab es keinerlei Vorlagen. Hartnäckig fragte Fichtner einen um den anderen Hersteller nach Positioniergenauigkeiten der unterschiedlichen Roboter. Doch was im Industriealltag noch tolerabel ist, war für die Aufgabe in der Plasmaröhre nicht einmal annähernd ausreichend.

Fichtner: »Wir mussten einen Weg zur Kalibrierung finden, die das Potenzial des Roboters nutzt, aber eben um den Faktor Zehn verbessert.« Unbürokratische Hilfe bekam RST vom Rostocker Fraunhofer-Institut IPA. Die Crew um Prof. Martin-Christoph Wanner gab entscheidende Hinweise und Know-how zur Schaffung der Kalibriervoraussetzungen bekommen.

Jetzt hat man die Gewissheit, dass die gewünschte Position mit einer maximalen Abweichung von 0,5 Millimeter angefahren wird, jedenfalls im Arbeitsbereich mit kleinen Lasten. Meist ist der Roboter noch besser. Der Aufwand der Kalibrierung hat also zu einem Roboter geführt, der absolut genau positioniert. Übliche Angaben über Genauigkeiten bei Robotern geben lediglich Mittelwerte aus einer Vielzahl von Messungen an.

Fichtner ließ von Kalibrierspezialisten alle relevanten Parameter ermitteln. In die Kalibrierung flossen auch Elastizitäten ein, wie sie jedes Getriebe aufweist. Mit dem Ergebnis, »dass wir jetzt richtig gut liegen mit der Genauigkeit des Roboters«, wie Uwe Fichtner weiß.

Die Arbeitsvorbereitung für den Roboter LR Mate sieht so aus, dass in der Röhre manuell eine Haltevorrichtung für ihn montiert wird. Die Genauigkeit dieses Podestes ist kaum relevant, solange sie stabil ist. Auf ihm wird der Roboter platziert, nachdem er durch das Mannloch in die fertige Röhre gehievt worden ist. Sobald der Roboter seinen festen Standplatz hat, kann er loslegen. Richtig stabil und in sich steif muss der Roboter stehen, denn davon hängt auch die spätere Genauigkeit der Arbeit ab.

Über Messmarken, die definierte Sollkoordinaten haben, misst sich der Roboter ein, indem er diese Messmarken anfährt. Über sein internes Koordinatensystem erfolgt via Robotersteuerung eine mathematische Transformation. Das Ergebnis ist im Idealfall Deckungsgleichheit, also ein einheitliches Koordinatensystem. Nun fährt der Roboter so viele Messstellen an, dass seine Position im mathematischen Sinn überbestimmt ist.

Uwe Fichtner: »Aus dieser Überbestimmung lassen sich bestimmte Messfehler ermitteln, die wir wiederum zur Korrektur der exakten Position nutzen.« Der erfahrene SPS- und Programmierkenner Fichtner ist stolz darauf, dem Roboter hinsichtlich seiner Genauigkeit »wirklich Manieren beigebracht« zu haben: »Es gibt aus RST-Sicht keine Alternative zu dem Roboter.«

Sicherheit auf engstem Raum

Und dann sind da auch noch TÜV und Berufsgenossenschaft, die bei kombinierten Arbeitsplätzen auf die Einhaltung der Sicherheitsrichtlinien achten. »Hier haben wir große Anstrengungen unternommen«, sagt Fichtner. Absolute Voraussetzung sei gewesen, dass der Bediener direkt neben dem Roboter arbeiten kann. »Aus Gründen der Arbeitssicherheit haben wir den Roboter entschleunigt und die Maximalgeschwindigkeit begrenzt.« Als zweite grundlegende Maßnahme wurde eine Sicherheitsabschaltung aus der Fanuc-Software heraus initialisiert. So schaltet der Roboter bei einer Anschlagkraft von 150 N ab. Zum Vergleich: Diese Kraft entspricht der maximal zulässigen Schließkraft einer Fahrstuhltür.

Czerwinski kann mit diesen Sicherheitsmaßnahmen gut leben: »Wir haben die Geschwindigkeit sogar auf ein Drittel der Maximalgeschwindigkeit reduziert.«

Lediglich in eng definierten Grenzen und Arbeitsbereichen geht der Roboter in den Automatikbetrieb. Wenn es um die Präzision geht, ist er eben nicht zu ersetzen. »Sonst würde ein Roboter ja auch keinen Sinn ergeben«, meint Czerwinski. Die Grobpositionierung erfolgt manuell. Selbst bei den minimalen Verfahrgeschwindigkeiten hat man eine Sicherung. Der Roboter bewegt sich, so lange der Bediener die Freigabetaste gedrückt hält.

Hat der Roboter sein »Zielgebiet« erreicht, tritt der Kraft-Momenten-Sensor FS-10iA in Funktion. Der Bediener positioniert die Messspitze des Roboters über der Passbohrung. Das Einfädeln, das wirklich mittig mit einer definierten Andruckkraft geschieht, übernimmt der Roboter mit dem Sensor in Eigenregie. Vorgegeben waren zunächst nur Messmarken an den Innenwänden des Reaktormoduls. RST hat sich im Verlaufe der Entwicklung entschieden, die Aufgabe mit einer Passung zu lösen. »Erst mit dieser Kombination haben wir die Genauigkeit beim Einmessen erzielt«, sagt Fichtner.

Mit den Koordinaten der einzelnen Messpunkte wird in der Robotersteuerung das externe mit dem internen Koordinatensystem abgeglichen. Dann weiß der Roboter, wo er sich genau befindet. Was dann kommt, ist für ihn relativ einfach; jedenfalls sieht es so aus: Die anzuschweißenden Bolzen oder andere Funktionselemente hält der Roboter ganz exakt, bis sie manuell geschweißt sind.

Damit es nicht zu einfach wird, gibt es unterschiedliche Modi, die Teile im Raum zu positionieren, je nachdem, ob es sich um rotationssymmetrische Teile handelt oder nicht. Die Möglichkeit der Korrektur entlang einer Achse beispielsweise kann notwendig werden, wenn durch Setzungen der Anschweißpunkt nicht bekannt ist. So kann vor dem Schweißvorgang korrigiert werden. Nach dem Schweißen werden die realen Parameter der Position wieder an die Steuerung gemeldet, damit diese in den technischen Unterlagen nachgepflegt werden können.

»Von der Variante, einen zweiten Roboter schweißen zu lassen, haben wir uns aus Platzgründen früh verabschiedet«, erinnert sich Czerwinski, zumal ein zweiter Roboter auch den Arbeitsablauf nicht entscheidend verbessert hätte. Für das Setzen der Bolzen habe man sich zwar auch einen Roboter mit größerer Reichweite vorstellen können, aber ebenfalls zugunsten des kompakteren LR Mate verzichtet. »Als wir den Roboter beschafft haben, sind wir nicht davon ausgegangen, dass er sich aus Kosten- oder Zeitgründen amortisiert«, begründet Czerwinksi die Entschei-dung. »Aber er löst unser techni-sches Problem.«

Erschienen in Ausgabe: 04/2012