Technik

Vorfertigung von Wandelementen mit Wärmedämmung beim Fertigteilhersteller

Einsatz von Knickarmrobotern in Palettenumlaufanlagen

Steigende Energiepreise werden immer mehr zum Thema des täglichen Lebens. Nicht nur beim Tanken an der Tankstelle, sondern auch beim Heizen der Wohnungen, Büros und Fabrikhallen belasten die überproportional steigenden Kosten.  Nun haben auch die Regierungen erkannt, dass ohne leitende Maßnahmen keine nachhaltige Verbesserung eintreten wird. Nachdem man sich in Kyoto zu Verbesserungen bekannt hat, ist lange nichts passiert. Nun entsteht aber in vielen Ländern, unterstützt durch neue Gesetze, die mehr Wärmedämmung vorschreiben, ein immer größer werdender Markt. Aktuell ist dieser aber geprägt von Wärmedämmungen, die erst auf der Baustelle auf die fertiggestellte Wand aufgebracht werden. Sowohl im Einfamilienhausbereich als auch im mehrgeschossigen Wohn-, Geschäfts- und Industriebau ist es nach wie vor üblich, erst das fertige Gebäude außen mit Wärmedämmung zu versehen. Dadurch wird aber der Vorteil der Vorfertigung geschmälert – das Produkt, das auf die Baustelle kommt, muss dort erst vervollständigt werden – es entsteht eine ungewollte Witterungsabhängigkeit und die Leistung wird zudem meist nicht vom Lieferanten der Fertigteile, sondern von einem anderen Gewerk erbracht.

Lösungsansätze, das Dämmmaterial noch im Fertigteilwerk außen an der Wand anzubringen, gibt es, diese sind aber mit Nachteilen verbunden – wie Haltbarkeit beim Transport, aber auch Beschädigungen beim Handling der fertigen Elemente und nicht zuletzt mechanische Belastungen im Gebäude (etwa im EG-Bereich gerade bei Wohnbauten und Industriehallen). Alternativ wird in verschiedenen Ansätzen versucht, durch eine Einbringung der Dämmung im Inneren der Wand die Nachteile der Außendämmung zu kompensieren.

Dies funktioniert zwar prinzipiell, bedingt aber aktuell sehr viel Handarbeit, wenn beispielsweise bei kerngedämmten Doppelwänden die rechteckigen Isolierplatten rund um die Gitterträger platziert und die frei bleibenden Hohlräume danach mit Schaum ausgefüllt werden müssen. Damit ist auch eine Fertigstellung innerhalb der üblichen Taktzeit einer Palettenumlaufanlage (10-15‘) nicht möglich. Die Arbeiten müssen daher zumeist auf abgesetzten Nacharbeitsstationen durchgeführt werden, um die Produktivität der Anlage nicht deutlich zu reduzieren. Parallelentwicklungen zum Ersatz von alternativen Verbindungselementen gehen daher mit den nachstehend beschriebenen Entwicklungen einher.

Abb. 1: Testbetrieb Flächengreifer für Fliesen.
Abb. 1: Testbetrieb Flächengreifer für Fliesen.
Abb. 2: Anlagenlayout Fliesenbearbeitung (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 2: Anlagenlayout Fliesenbearbeitung (Quelle: Sommer Anlagentechnik).

Aufgabenstellung

Gemeinsam mit einem russischen Kunden haben Sommer Anlagentechnik und SAA Engineering ein Konzept entwickelt, um die Vorfertigung der Wandelemente komplett beim Fertigteilhersteller realisieren zu können. Als Voraussetzung sind dabei folgende Punkte zu erfüllen gewesen:

Gleichzeitig wurde in diesem Projekt die Verblendung der Außenfläche gefordert. Da am russischen Markt sehr häufig Fliesen­fassaden anzutreffen sind, sollte eine Möglichkeit gefunden werden, die Wand mit diesen Elementen (keramische Fliesen/Klinker oder Betonfliesen) zu versehen. Auch diese Arbeitsschritte müssen konsequenterweise vollautomatisch erfolgen und ebenfalls innerhalb der Taktzeit der Umlauf­anlage. Es musste daher ein Konzept entwickelt werden, das es ermöglicht, die Fassa­denplatten automatisch zu berechnen, zuzuschneiden und zu verlegen. Auf Grund der vielen neuen Anforderungen wurde in der Planungsphase bereits versucht, bekannte Wege zu verlassen und nach neuen Lösungen zu suchen. Diese wurden in mehreren Stufen analysiert und mit bekannten Verfahren verglichen. Die Lösung besteht nun in mehreren Roboterzellen, die jeweils eine der geschilderten Aufgaben übernehmen. Die beiden wichtigsten Stationen sind:

Abb. 3: KUKA – Betonsteinpalettierroboter (Quelle: KUKA).
Abb. 3: KUKA – Betonsteinpalettierroboter (Quelle: KUKA).
Abb. 4: Gesamtlayout der Isolierstation (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 4: Gesamtlayout der Isolierstation (Quelle: Sommer Anlagentechnik).

Verarbeitung von Fassadenelementen

Der Fliesenversetzroboter wird als Portalroboter ausgeführt – mit einem speziellen Greifer, der in der Lage ist, mehrere Fliesen gleichzeitig aufzunehmen und an die vorgesehenen Positionen auf der Palette zu bringen. Als weitere Neuerung besteht die Aufgabe, die Fliesen von den Paletten, auf denen sie angeliefert werden, dem Robotersystem zuzuführen. Je nach Hersteller und Größe liegen die Fliesen in verschiedenen Anord­nun­gen auf der Palette. Ziel war es, eine Lösung zu finden, die diese Fliesen quasi aus beliebiger Lage vollautomatisch auf die Zufuhr­strecke bringt. Die geforderte Typenvielfalt erfordert eine hochflexible Lösung sowohl in der Bewegung als auch im Greifer. Die bislang hauptsächlich in der Fertigungs- und Automobilindustrie eingesetzten Knickarmroboter bieten sich dafür an. Hier fand sich die notwendige Flexibilität, um die Fliesen aus nahezu beliebiger Lage aufzunehmen und dann auf die Förderbänder ablegen zu können. Auch das Um­setzen der fertig geschnittenen Fliesen vom Abfuhrband der Säge auf die Zuführ­bänder zum Verlegeroboter kann mit diesem Knickarmroboter durchgeführt werden. Bei der Analyse konnte auf bekannte Lösungen zugegriffen werden, da Knickarmroboter beim Palettieren und De- Palettieren heutzutage oft Anwendung finden. Auch im Betonwerk ist dies kein Problem – spezielle Schwerlastausführungen sind von fast allen Herstellern lieferbar, weswegen beispielsweise in der Betonsteinfertigung und in Ziegelwerken oft Knickarmroboter zum Palettieren verwendet werden. Aber auch in anderen Industriezweigen sind Knickarmroboter als Palettierer erfolgreich im Einsatz. Als wesentliche Vorteile des Knickarmroboters wurden dabei erkannt:

Isolierplatten setzen und Wandverbinder einbringen

Bei der zweiten Station, die nun diskutiert wird, der Isolierstation, werden sowohl die Isolierplatten als auch die erforderlichen Verbindungskomponenten automatisch gesetzt. Hier besteht ebenfalls Bedarf an einem sehr flexiblen System. Folgende Anforderungen wurden definiert:

Im Vergleich des von SAA als Schalungs­roboter sehr erfolgreich verwendeten Portalroboters (MFSR) mit einem Knickarmroboter, sind zwei der drei oben angeführten Punkte – Taktzeit und Genauigkeit – vom MFSR problemlos zu erfüllen. Knackpunkt ist jedoch das Setzen der Ver­bindungs­stäbe in beliebiger Orientierung. Bei der geforderten Flexibilität kann der Knickarmroboter seine 6 Achsen optimal ausnutzen – nahezu jeder Punkt kann in nahezu beliebiger Orientierung erreicht werden. Nahe­zu: Einschränkungen ergeben sich natürlich durch den viel kleineren Arbeitsraum. Abhilfe kann hier durch ein zusätzliches Linearfahrwerk geschaffen werden, welches je nach Anforderung ein- oder zweidimensional ausgeführt wird. Im Anwendungsfall des vorliegenden Isolierungsroboters „IPAR“ gab es auf Grund der großen Palettenabmessungen von 12 x 4m keine Alternative zu einem zweidimensionalen x/y Fahrwerk. Eine Montage auf einem reinen x-Fahrwerk hätte eine zu große Einschränkung der Flexibilität ge­bracht, außerdem Nachteile bei Genauig­keit und Geschwindigkeit des Roboters (je größer, desto langsamer). Durch die hängende Montage erreicht man einen größeren Arbeitsraum und kann mit einem kleineren – und damit genaueren – Roboter arbeiten. Mit der konzipierten Lösung ist SAA nun in der Lage, mit einem Robotersystem sehr flexibel die definierten Anforderungen der Isolierzelle zu lösen. Auch für zukünftige Erweiterungen der Funktionalität insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher Verbindungselemente ist das System gut gerüstet und bietet vielfältige Ausbaumöglichkeiten.

Abb. 5: 3-D-Visualisierung und Simulation der Isolierzelle (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 5: 3-D-Visualisierung und Simulation der Isolierzelle (Quelle: Sommer Anlagentechnik).

Steuerungssoftware

Für SAA war dieses Projekt der Einstieg in die Programmierung von Knickarm­ro­botern. Konzeptionierung und Programmierung wurden mit Ressourcen aus dem eigenen Hause durchgeführt. Aus vielfältigen Erfahrun­gen in der Anlagenprojektierung gemeinsam mit seinen Partnern und Kunden weiß SAA, wie wichtig es ist, die mechanischen und steuerungstechnischen Möglichkeiten im Detail zu kennen, um eine optimale Lösung zu erarbeiten – deshalb wurde eine externe Programmerstellung erst gar nicht in Erwägung gezogen. Nach entsprechender Schulung der SAA-Inge­nieure wurde das Steuerungskonzept mit den Spezialisten von KUKA diskutiert und dann konsequent umgesetzt. Dabei stellte sich – wie erwartet – heraus, dass die vorliegende Anwendung sehr diffizil und untypisch für Knickarmroboterlösungen ist, weil diese noch immer meist dafür eingesetzt werden, wiederkehrende, eingelernte Bewegungen mit höchster Zuverlässigkeit auszuführen. Dabei werden die Bewegungen nicht online (also abhängig von diversen externen Randbedingungen) berechnet, sondern sie wurden vorab in einem sogenannten „Teach-in“-Verfahren empirisch ermittelt – alle anzufahrenden Punkte werden aufgenommen und auch die Positionen jeder Achse während der gesamten Fahrstrecke mit aufgezeichnet und so eine optimale Bewegungsbahn festgelegt. Es entfällt damit das Berechnen von Bewegungspunkten – die einmal gespeicherten Bahnen können anschließend einfach „nach“gefahren werden. In der vorliegenden Anwendung (ebenso wie etwa beim Schalungsroboter) sind die Start- und Endpunkte einer Be­wegung jedoch geometrieabhängig und damit erst zum Zeitpunkt der Produktion bekannt (jedes Element muss anders bearbeitet werden) – ein Teach-in Betrieb ist also nicht möglich, vielmehr müssen Strategien gefunden werden, dass der Roboter mit seinen acht Achsen (Knickarmroboter: sechs Achsen plus die beiden externen Achsen des Fahrwerks) so gesteuert werden kann, dass er nahezu beliebige Bahnen sicher abfahren kann. Was die Ingenieure von SAA mit Portalrobotern bereits umfassend gelöst haben, erhält hier eine Reihe von neuen Anforderungen, so bedingen die vielen Freiheitsgrade des Knickarmroboters eine wesentlich komplexere Bahnberechnung. Ein Punkt im Raum kann von einem Knickarmroboter auf unterschiedlichsten Bahnen erreicht werden – aber nicht alle Bahnen sind tatsächlich durchgehend befahrbar. Jedenfalls konnte die Aufgabe mit einem komplexen Algorithmus gelöst werden, sodass die Bahnberechnung des Roboters zuverlässig und „just in time“ durchgeführt werden kann.

Abb. 6a: Entnahme eines ComBAR’s aus dem Magazin (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 6a: Entnahme eines ComBAR’s aus dem Magazin (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 6b: Kombigreifer für Isolierplatten und je 2 Verbindungselemente (Quelle: Sommer Anlagentechnik).
Abb. 6b: Kombigreifer für Isolierplatten und je 2 Verbindungselemente (Quelle: Sommer Anlagentechnik).

Resümee

Nach dem bereits erfolgten Testbetrieb an der ersten Anlage lassen sich die Erfah­run­gen in Projektierung, Konstruktion und Implementierung folgendermaßen kategorisieren:

+ Flexibilität (nicht nur bei der Ausführung einer vorbereiteten Applikation, sondern vor allem beim Anpassen an neue Anforderungen)

+ „Standardroboter“ sind in unterschiedlichen Baugrößen verfügbar und können den Anforderungen flexibel angepasst werden

+ Hohe Wiederholgenauigkeit für Standardabläufe

+ Flexible Zufuhr von Material, da der Roboter die Teile annähernd beliebig aus dem „Raum“ entnehmen kann – die Übergabe kann etwa in mehreren Ebenen und unterschiedlichen Orientierungen erfolgen.

+ Effiziente Raumausnutzung

+ Optisch ansprechende hohe Geschwindigkeiten der 6 bewegten Achsen, jedoch keine Geschwindigkeitsvorteile bei Linearbewegungen oder kombinierten Bewegungen mit Linearfahrwerken

– Geringe Reichweite, d. h. für Arbeiten auf einer stationären Schalungspalette sind zusätzliche Linearfahrwerke erforderlich.

– Aufwändige Programmierung bei „datenabhängigen“ Aufgabenstellungen (Losgröße 1)

– Beschränkte Tragfähigkeit bei der geforderten Genauigkeit

Abb. 7: Arbeitsbereich Knickarmroboter (Quelle: Motoman).
Abb. 7: Arbeitsbereich Knickarmroboter (Quelle: Motoman).

Ausblick auf weitere Einsatzgebiete

Beim Einsatz in einer Palettenumlaufanlage ist die erforder-liche Reichweite ein wichtiges Auslegungskriterium. Von der Arbeit auf einer kontinuierlich bewegten Palette raten unterschiedliche Roboteranbieter unisono ab, weil typisch erforder-liche Genauig­keiten im Fertigteilwerk von ± 1mm aufgrund der Synchronisierung der Bewegungen von Palette und Roboter nicht gewährleistet werden können. Dies kann aber beispielsweise mit einer stückweise stetigen (sektionsweisen) Bearbeitung gelöst werden (wie auf den vielfach bekannten Schweiß­straßen in Automobilwerken). Die hohe Flexibilität beim Knickarmroboter ist vor allem dann ein Kriterium, wenn neue Aufgaben, die bei Start der Planung noch nicht vollständig bekannt sind, ausgeführt werden sollen. Die Bewegungs­vielfalt mit sechs Achsen bietet ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit. Als zukünftige Arbeitsfelder von Knickarmrobotern im Betonfertigteilwerk sieht SAA folgende Bereiche:

Kein Anwendungsgebiet sieht SAA beim Schalungsroboter, da lineare Bewegungen nur eingeschränkt möglich sind (im Hinblick auf die Länge), was die Bedienung z. B. eines Schalungslagers behindert.

Karl Panek, SAA Engineering

Testaufbau in der Halle bei Sommer Anlagentechnik
Testaufbau in der Halle bei Sommer Anlagentechnik
Abb. 8 und 9: Der Testaufbau in der Halle bei Sommer Anlagentechnik.
 
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