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Wenn der Mensch nicht mehr weiter weiß, kann manchmal Kollege Roboter helfen. Neben dem Einsatz in der industriellen Massenfertigung werden Roboter auch immer häufiger für Arbeiten eingesetzt, die für den Menschen unzumutbar, zu gefährlich oder schlicht unmöglich sind.
Ein solches Problem stellte sich der Ringhals AB, dem Betreiber des größten schwedischen Atomkraftwerkes mit dem rund 16% des gesamten Strombedarfes im Lande abgedeckt werden. Bereits im Jahr 1976 erbaut, wurde die erwartete und zugelassene Betriebsdauer des Reaktors „Ringhals 1" problemlos erreicht. Im Rahmen einer umfassenden Sicherheitsinspektion wurde festgestellt, dass sich der Reaktor noch in einem ausgezeichneten Zustand befindet. Mit der Auflage den aktuellen Zustand zu erhalten, verlängerte die schwedische Regierung die Betriebsgenehmigung. Kurz darauf wurde allerdings eine Beschädigung an einer Rohrleitung mit 42 mm Durchmesser festgestellt, die sich inmitten eines ganzen Bündels von Rohren direkt unterhalb des Reaktorkerns befindet.
Eine Möglichkeit zur Reparatur der Rohrleitung wäre gewesen, einen Zugang für einen Arbeiter in das komplexe Gebilde zu schneiden. Abgesehen davon, dass bereits diese Operation extrem schwierig gewesen wäre, hätten unter Umständen die umliegenden Leitungen nicht wieder hergestellt werden können. Die Konsequenz daraus: Man hätte den Reaktor nicht wieder in Betrieb nehmen können. So entstand die Idee, den extrem engen Arbeitsbereich für die Reparatur mit einem Roboter zu erreichen und die Rohrleitung ferngesteuert zu reparieren. Weiterhin sollte die Konstruktion auch zukünftig für Inspektion, Wartung und Reparatur an weiteren 156 ähnlichen Rohren in diesem Reaktorteil einsetzbar sein, falls dort ein ähnliches Problem erneut auftritt.
Snake-arm Robot
Mit dieser anspruchsvollen Aufgabe wurde die Firma OCRobotics mit Sitz im englischen Bristol beauftragt, deren Spezialität die Herstellung von schlangenähnlichen Robotern ist. Besonders genutzt werden diese Schlangenarm-Roboter beispielsweise von Sicherheitskräften für die Bombensuche und Entschärfung sowie von der Luftfahrt- und Atomindustrie. Eingesetzt werden diese Roboter meistens, um schwierig zugängliche Stellen wie zum Beispiel im Innern von Flugzeugturbinen zu erreichen. An der Spitze dieser Arme können dann Werkzeuge, Kameras, Sensoren oder Ersatzteile zum Einsatzort gebracht werden. Die so genannten Snake-arm Robots werden hierbei speziell konstruiert. In diesem Anwendungsfall wurde ein Roboterarm inklusive der in einem Gehäuse untergebrachten Antriebstechnik zunächst mit einer Haltevorrichtung versehen. Nach entsprechender Positionierung und Fixierung konnten dann die erforderlichen Operationen ausgeführt werden.
Abb. 1 Gesamtaufbau des Roboters mit Haltevorrichtungen
Die Roboterarme sind ähnlich wie die menschliche Wirbelsäule aus vielen einzelnen Gelenken aufgebaut. Weiterhin wirken Seile, deren Enden an verschiedenen Stellen entlang des Arms befestigt sind, wie die Sehnen im menschlichen Körper. Über eine Vielzahl von Motoren wird die Länge jedes „Wirbels" eingestellt. Eine spezielle Software errechnet die jeweils erforderliche Position aller Drahtseile, um so die gewünschte gewundene Form des schlauchähnlichen Arms zu erzeugen. Gesteuert werden diese Roboter-Arme über einen Joystick, wobei Kameras in der Spitze des Arms dem Bediener Orientierung verschaffen. Insgesamt sind diese Roboter also mit ferngesteuerten Endoskopen vergleichbar, oder ganz anschaulich auch mit dem Rüssel eines Elefanten.
Präzises Multifunktionsmodul BNS
Für die präzise Bewegung und Positionierung des Roboterarms sind die Hub-Drehmodule BNS von THK verantwortlich. Von Servomotoren angetrieben werden mit jeweils einem dieser universell einsetzbaren Maschinenelemente die vielen Drahtseile im Innern des Arms verstellt und so die erforderliche Form des Arms erzeugt. Mit dem BNS-Modul werden zuverlässig und genau spielfreie lineare, spiralförmige und rotative Bewegungen erzielt, die eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglichen.
Abb. 2 Das Hub-Drehmodul BNS von THK
Diese Hub-Drehmodule kombinieren auf einer Welle mit zwei Muttern die Möglichkeiten eines Kugelgewindetriebs mit einer verdrehgesicherten Nutwellenführung. Während eine Mutter auf längs eingeschliffenen Laufrillen linear verfahren kann, rotiert die andere Mutter spiralförmig auf den Laufbahnen eines Kugelgewindetriebs.
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Abb. 3 Aufbau des Hub-Drehmoduls BNS (mehr Details)
Aus dieser Kombination und dem gezielten einzelnen oder überlagerten Antrieb der beiden Muttern können somit komplexe Bewegungsmuster realisiert werden. Ein typisches Anwendungsgebiet dieser BNS-Module sind z-Achsen von Scara-Robotern, Werkzeugwechsler an Werkzeugmaschinen, Montagemaschinen und sonstige Pick-and-Place-Aufgaben. Die Ausführung als Hohlwelle erweist sich als vorteilhaft, um Energie- und Steuerleitungen platzsparend und elegant an Greifer und weitere Funktionsmodule durchzuleiten. Insgesamt überzeugen die BNS-Module durch einen kompakten und leichten Aufbau, spielfreie und hochpräzise Bewegungen, hohe Steifigkeit und einfache Montage. Für die Anwendung im Schlangenarm-Roboter hat THK die BNS-Module noch konstruktiv modifiziert, um eine optimale Adaption an den Motor und zusätzlich eine äußerst platzsparende Gesamtkonstruktion zu ermöglichen.
Abb. 4 Antriebseinheit des Roboterarms mit den vertikal eingebauten BNS-Modulen
Voraussetzung für eine solche Entwicklung war natürlich die enge Kooperation der Ingenieure von THK mit den Konstrukteuren von OCRobotics. Dies wird auch durch die Aussage von Rob Buckingham, einem der Gründer und Direktor von OCRobotics, dokumentiert: „Die Hub-Drehmodule von THK sind zweifelsohne die beste Lösung für dieses ungewöhnliche Projekt. Zusätzlich benötigten wir exzellenten Service und Support für dieses Projekt, THK hat alle unsere Anforderungen und Erwartungen erfüllt und erstklassigen technischen Support geleistet".
Roboter im Teamwork
Für die spezielle Anwendung der Ringhals AB hat OCRobotics zwei Roboter gebaut. Ein Roboter agiert von oben, der andere erreicht die Arbeitsstelle im so genannten CIR (Common Insulation Room) von unten. Während der obere Roboter im CIR selbst installiert wurde, musste der untere Roboterarm von unten durch ein Loch mit 62 mm Durchmesser im 150 mm dicken Edelstahlboden arbeiten. In Abbildung 5 sieht man beide Roboter im Einsatz, vom oberen Roboter ist ein Greifer zu sehen, unten ist der zweite Roboterarm mit seinen flexiblen Elementen zu erkennen, wie er durch das Loch im Boden in den Arbeitsraum reicht.
Abb. 5 Einsatz von zwei Schlangenarm-Robotern zwischen Rohrleitungen im Kraftwerk
Auch wenn der Grundaufbau beider Roboter natürlich vergleichbar ist, so musste doch jeder konstruktiv an die spezifischen Anforderungen abgestimmt werden. Die resultierende Präzision des Roboters war besonders kritisch, da vielfältige Aufgaben in einem sehr beengten Arbeitsraum erledigt werden mussten. Während die meisten Roboter mit 6 Freiheitsgraden auskommen, hatte hier der obere Roboter 13 und der untere Roboter sogar 23 Freiheitsgrade.
Im Einzelnen mussten folgende Arbeitsschritte mit Hilfe der Roboter durchgeführt werden: Zunächst musste das defekte Rohr abgestützt werden, um es danach abtrennen zu können, anschließend musste das abgetrennte Stück aus dem Reaktorraum befördert werden. Danach mussten die erforderlichen Werkzeuge und Vorrichtungen in den Arbeitsraum gebracht werden, um das neue Rohrstück in Position zu bringen, mit Punktschweißung zu fixieren sowie dann mit Schutzgas die Schweißnaht zu legen. Zum Abschluss dieser Prozedur mussten noch alle Fixierungen, Vorrichtungen und Werkzeuge sowie der Roboter selbst wieder aus dem Raum entfernt werden, ohne dabei die umliegenden Leitungen zu berühren.
Die Schlangenarm-Roboter von OCRobotics haben unter Beweis gestellt, für die Reparatur der defekten Rohrleitung bei der Ringhals AB die beste Lösung zu sein. Zusätzlich wurde dieses Verfahren inzwischen auch von einem unabhängigen Kontrollausschuss als Standardverfahren genehmigt, um auch zukünftig die Rohrleitungen zu überprüfen und bei Bedarf auszutauschen. Rob Buckingham fasst zusammen: „THK hat während des gesamten Projektes sehr eng mit uns zusammen gearbeitet, um die von uns geforderten spezifischen Modifikationen des BNS-Moduls konstruktiv umzusetzen. Im Ergebnis konnten beide Roboter trotz extrem hoher Anforderungen exakt im Zeitplan gebaut und das gesamte Projekt plangemäß und erfolgreich realisiert werden". |
