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rorarob

Schweißaufgabenassistenz für Rohr- und Rahmenkonstruktionen durch ein Robotersystem

Rorarob Logo © IPS​/​TU Dort­mund
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Problemstellung

Das Schweißen von Rohr- und Rahmenkonstruktionen ist im mittelständisch geprägten Maschinen- und Anlagenbau von großer Be­deu­tung. Auf Grund der geringen Stückzahlen bis hin zur Einzelteilfertigung stellt dieser Bereich einen arbeitsintensiven Produktionsprozess dar, welcher überwiegend von manuellen Arbeitsplätzen und ei­nem geringen Mechanisierungs- und Automatisierungsgrad geprägt ist. Die häufig sperrigen und schwergewichtigen Bauteile erschweren die Handhabung und führen gerade bei Fügeprozessen wie dem Schweißen, und den damit verbundenen Positioniervorgängen, zu ungünstige Formen statischer Halte- und Haltungsarbeit und somit zu einer kaum zu vermeidenden hohen physischen Be­las­tung des Mitarbeiters. Weiter kann die Fertigung der Rohr- und Rahmenverbindungen auf Grund notwendiger Anpassungsarbeiten und individuellen Anschlussmaßen häufig erst nach Fertigstellung der Kernanlagen erfolgen, was in langen Durchlaufzeiten resultiert.

Zielsetzung

In dem dreijährigen For­schungs­pro­jekt „rorarob – Schweißaufgabenassistenz für Rohr- und Rah­men-konstruktionen durch ein Robotersystem“ soll ein industriell einsetzbares System ent­wi­ckelt wer­den, bei dem die Interaktion von Mensch und Roboter im Mit­tel­punkt steht. Dies stellt ins­be­son­de­re hohen An­for­der­ungen an die Gewährleistung der Arbeitssicherheit und die Einhaltung der strengen gesetzlichen Bestimmungen. Im Projekt sollen neue Technologien und Konzepte in den Be­rei­chen Arbeitsplanung, ergonomische Arbeitsplatzgestaltung, kollaborierende Robotersysteme, Prozesssicherheit und Mensch-Roboter-Interaktion ent­wi­ckelt und in einen Demonstrator implementiert wer­den.

Mit der flexiblen Nutzung eines Roboters als mechatronischen, (teil-)autonom arbeitenden Assistenten am Beispiel eines Schweißprozesses leistet das Projekt einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Akzeptanz automatisierter Fertigungssysteme. Unter an­de­rem trägt ein solches System dazu bei:

  • die Flexibilität soziotechnischer Systeme zu erhöhen
  • die Durchlaufzeiten zu verkürzen
  • die ergonomischen Be­din­gun­gen zu verbessern
  • und letztlich die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit zu steigern.

Mithilfe dieses roboterbasierten Assistenzsystems soll es mög­lich wer­den, den Rohr- und Rahmenfertigungsprozess weitgehend unabhängig von anderen Arbeitsschritten bei der Montage einer Gesamtanlage vorzunehmen. Damit wird die gleichzeitige Fertigung mit anderen Maschinen- und Anlagenkomponenten mög­lich, was die Gesamtdurchlaufzeit des Fertigungsprozesses reduziert. So könnten zum Beispiel in Zukunft die Schweißarbeiten an der Verrohrung einer Turbine parallel zur Montage der Kernmaschine durch­ge­führt wer­den. Darüber hinaus soll das Assistenzsystem eine signifikante Reduktion der physischen Be­las­tung des Mitarbeiters bei der Durchführung der Schweißprozesse ermöglichen. Die Gestaltung der Interaktion zwischen Mensch und Robotersystem unter arbeitsgerechten, sicherheitstechnischen und ökonomischen Aspekten ist somit ein wesentliches Ziel des Verbundprojektes.

Grafische Darstellung des geplanten Demonstrators © IPS​/​TU Dort­mund
Grafische Darstellung des geplanten Demonstrators

Vorgehensweise

Das Konsortium des Forschungsvorhabens rorarob, bestehend aus dem Lehrstuhl für Ar­beits- und Pro­duk­tions­sys­te­me (APS), dem Lehrstuhl für Industrielle Robotik und Produktionsautomatisierung (IRPA), ei­nem Robotersystemanbieter und zwei Anwendern des Maschinen- und Anlagenbaus, beabsichtigt innerhalb von drei Jahren die Ent­wick­lung eines Multirobotersystems zur Schweißaufgabenassistenz in der Rohr- und Rahmenfertigung, um die Mit­ar­bei­ter in der Fertigung in die Lage zu versetzen, parallel zu anderen Fertigungsschritten, exakt und ergonomisch optimiert die Konstruktionsvorgaben zu realisieren.

Das dreijährige For­schungs­pro­jekt rorarob gliedert sich in ins­ge­samt vier Projektphasen:

Phase 1: Analyse und Strukturierung der An­for­der­ungen an ein Roboterassistenzsystem
Phase 2: Ent­wick­lung von Kon­zep­ten zur hardware- und softwaretechnischen Umsetzung
Phase 3: Aufbau eines Roboterassistenzsystems (Demonstrator) an der TU Dort­mund
Phase 4: Validierung und Optimierung der Projektziele am Demonstrator

Der Lehrstuhl für Ar­beits- und Pro­duk­tions­sys­te­me (APS) wird im For­schungs­pro­jekt ins­be­son­de­re die Aspekte der physiologischen und sicherheitstechnischen Arbeitsgestaltung in ei­nem Roboterassistenzsystem un­ter­su­chen. Die physiologische Arbeitsgestaltung be­schäf­tigt sich mit den auf den menschlichen Körper wirkenden Kräften und Belastungen wäh­rend der Arbeitsdurchführung. Durch das zu entwickelnde Assistenzsystem wer­den diese Arten der Be­las­tung des Mitarbeiters am Arbeitsplatz minimiert. Weiter kön­nen im Rah­men des Projektes, zum Beispiel durch ergonomische Modelle, detaillierte Aussagen über das Ausmaß der realisierten Verbesserungen getroffen wer­den.

Arbeitsbereiche im Forschungsvorhaben © IPS​/​TU Dort­mund
Arbeitsbereiche im Forschungsvorhaben

Projektfilm

Robotergestützte Schweißaufgabenassistenz für Rohr- & Rahmenkonstruktionen
>>> Zum rorarob-Projektfilm: http://www.autonomik.de/de/1075.php

Forschungs- und Entwicklungspartner

  • Lehrstuhl für Industrielle Robotik und Produktionsautomatisierung (IRPA), Fa­kul­tät für Ma­schi­nen­bau, Technische Uni­ver­si­tät Dort­mund
  • carat robotic innovation GmbH
  • MAN Turbo & Diesel SE
  • Böcker Maschinenwerke GmbH

Ver­öf­fent­lichun­gen

Konferenzen

  • Busch, F.; Wischniewski, S.; Deuse, J.: Application of a character animation SDK to de­sign ergonomic human-robot-collaboration. In: Proceedings of the 2nd International Symposium on Digital Human Modeling (DHM2013), Ann Arbor, Michigan (USA), 11.-13.06.2013, PaperID_99
  • Busch, F.; Thomas, C.; Deuse, J.; Kuhlenkötter, B.: Development of a Hybrid Robot Assistance System for Welding of Assemblies. Posterpräsentation, Robotik 2012, 21.-22. Mai 2012, München
  • Busch, F.; Thomas, C.; Deuse, J.; Kuhlenkötter, B.: A Hybrid Human-Robot Assistance System for Welding Operations – Methods to Ensure Process Quality and Forecast Ergonomic Conditions In: Hu, S. Jack (Hrsg.): Technologies and Systems for Assembly Quality, Productivity and Customization - Proceedings of 4th CIRP Conference on Assembly Technologies and Systems (CATS) 2012, 20.-22.05.2012, Ann Arbor, Uni­ver­sity of Michigan, Michigan, USA, ISBN 978-0-615-64022-8 , S. 151-154
  • Thomas, C.; Busch, F.; Kuhlenkoetter, B., Deuse, J.: Process and Human Safety in Human-Robot-Interaction – A Hybrid Assistance System for Welding Applications In: Jeschke, S.; Liu, H.; Schilberg, D. (Hrsg.): Intelligent Robotics and Applications - Proceedings of 4th International Conference on Intelligent Robotics and Applications (ICIRA2011), 06.-09.12.2011, Aachen, Germany, Verlag Springer Berlin/Heidelberg/New York, ISBN 978-3-642-25485-7 , S. 112-121
  • Thomas, C.; Busch, F.; Kuhlenkötter, B.; Deuse, J.: Ensuring Human Safety with Offline Simulation and Real-time Workspace Surveillance to Develop a Hybrid Robot Assistance System for Welding of Assemblies In: Enabling Manufacturing Competitiveness and Economic Sustainability - Proceedings of 4th CIRP Conference on Changeable, Agile, Reconfigurable and Virtual Production (CARV2011), 2.-5. Oktober 2011, Montreal, Canada, Verlag Springer Berlin/Heidelberg/New York 2011, ISBN: 978-3-642-23859-8 , S. 465-470
  • Thomas, C.; Busch, F.; Kuhlenkötter, B.; Deuse, J.: Gewährleistung der Humansicherheit durch optische Arbeitsraumüberwachung in der Mensch-Roboter-Kollaboration In: VDI-Berichte 2143 - Automation 2011 (28.-29.06.2011) in Baden-Baden, VDI-Verlag, Düsseldorf 2011, S. 259-262
  • Busch, F.; Deuse, J.: Ergonomische Bewertung von manuellen Schweißtätigkeiten mittels Automotive Assembly Work Sheet (AAWS) In: Mensch, Tech­nik, Organisation – Vernetzung im Produktentstehungs- und -herstellungsprozess - 57. Kongress der Ge­sell­schaft für Arbeitswissenschaft e. V., 23.-25.3.2011, GfA-Press, Dort­mund, S. 585-588.
  • Thomas, C.; Kuhlenkötter, B.: Sichere und kollaborierende Mensch-Roboter-Interaktion – Ent­wick­lung eines robotergestützten Assistenzsystems für das Handling im Schweißprozess, Inter­natio­nales Forum Mechatronik (IFM) 2010, 03.-04.11.2010, Winterthur (Schweiz), ISBN 978-3-033-02655-1
  • Thomas, C.; Brüninghaus, J.: Ein­satz kooperierender Mehrrobotersysteme in neuen Anwendungsfeldern, Beitrag zum KooperationsForum Automatisierung und Robotertechnik, ver­an­stal­tet von MST Aerospace GmbH. 06.10.2010, Köln
  • Thomas, C.; Busch, F.; Kuhlenkötter, B.; Deuse, J.: Safe and Ergonomic Collaboration of Humans and Robots for Welding of Assemblies, Proceedings of 3rd CIRP Conference on Assembly Technologies and Systems (CATS) 2010 “Responsive, customer demand driven, adaptive assembly”, 01.-03.06.2010, Trondheim (Norwegen), S. 121 - 125.

Vorträge

  • Thomas, C.: Direkte Mensch-Roboter-Kollaboration in ei­nem Mehrrobotersystem zur Schweißassistenz. Fachseminar Sichere Mensch-Maschine-Ko­ope­ra­ti­on an der Uni­ver­si­tät Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS), 18.04.2012, Erlangen
  • Thomas, C. : Social Implications in Manufacturing Industry (IR@MI). Veranstalter: Karlsruhe Insitute of technology (KIT)

Presse

Schlussbericht

Förderhinweis

Das Projekt wird im Rah­men des Technologieprogramms „Autonomik – Autonome Simulationsbasierte Systeme für den Mittelstand“ vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deut­schen Bundestages (Förderkennzeichen 01MA09033) ge­för­dert und wird vom Projektträger Multimedia im Deut­schen Zen­trum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreut.

Kalender

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Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dort­mund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dort­mund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dort­mund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Uni­ver­si­tät ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dort­mund Uni­ver­si­tät“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dort­mund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Uni­ver­si­tät mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dort­mund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dort­mun­der Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Uni­ver­si­tät. Ein größeres Angebot an inter­natio­nalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Ki­lo­me­ter entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Uni­ver­si­tät zu erreichen ist.

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

Interaktive Karte

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