Arbeitsprogrammgenerierung zum Schutzgasschweißen mit Industrierobotersystemen im Schiffbau PDF
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BOJITJ=60JUJ Forschung und Praxis Band 214 Berichte aus dem Fraunhofer-lnstitut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA}, Stuttgart, Fraunhofer-lnstitut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart, Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart und Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Universität Stuttgart Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullinger Peter Schmid Arbeitsprogramm generierung zum Schutzgasschweißen mit Industrieroboter systemen im Schiffbau Mit 42 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Dipl.-lng. Peter Schmid Fraunhofer-lnstitut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Dr.-lng. Dr. h. c. Dr.-lng. E. h. H. J. Warnecke o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-lnstitut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Dr.-lng. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-lnstitut tor Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart 093 ISBN 978-3-540-59058-3 ISBN 978-3-662-05822-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-05822-0 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme van Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroveriilmung ader derVervielfaltigung aui anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes ader van Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils gOitigen Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995. Ursprunglich erschienin bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1995 Die Wiedergabe van Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne bes0ndere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als !rei zu betrachten waren und daher van jedermann benutzt werden dOrften. Sollte in diesem Werk direkt ader indirekt aui Gesetze, Vorschriften ader Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen ader aus ihnen zitiert worden sein, so kann derVerlag keine Gewahr fOr die Richtigkeit, Vollstandigkeit ader AktualitatObernehmen. Es empfiehlt sich, ge gebenenfalls fOr die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften ader Richtlinien in der jeweils gOitigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim SPIN 10497958 62/3020-6543210 Geleitwort der Herausgeber Über den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet, möglichst frühzeitig absatzmarktorientierte Anforde rungen sowie deren Veränderungen zu erkennen und darauf zu reagie ren. Neue Technologien und Werkstoffe ermöglichen neue Produkte und er öffnen neue Märkte. Die neuen Produktions- und Informationstechno lagien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veränderungen signa lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet. Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfältiger und an spruchsvoller geworden. Die Integration des europäischen Marktes, die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die übergreifenden ökologis'chen und sozialen Probleme, zu deren Lösung die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muß, erfordern von den Füh rungskräften erweiterte Perspektiven und Antworten, die über den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen. Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer'Unterneh men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte grierte Planungsansätze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansätze weichen ei ner stärkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung. Von wissenschaftlicher Seite muß dieses Bemühen durch die Ent wicklung von Methoden und Vergehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein schließlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter stützt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Lösungen zu er arbeiten, die den veränderten Randbedingungen Rechnung tragen. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart (IFF), Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) - Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), - Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geführt, die für die Praxis von großem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Übersicht über bisher erschienene Titel wird am Schluß dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei für die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag für die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots palette und der Druckerei für saubere und zügige Ausführung. Möge das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden. H.J. Warnecke H.-J. Bullinger Vorwort des Verfassers Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart. Teile der Untersuchungen wurden mit Mitteln des Bundesministers für Forschung und Technologie (BMFT) gefördert. Herrn Prof. Dr. mult. Hans-Jürgen Warnecke, dessen großzügige Unterstützung und Förderung entscheidend zur Durchführung dieser Arbeit beigetragen haben, möchte ich an dieser Stelle besonders danken. Herrn Professor Dr.-Ing. Ulrich Dilthey danke ich für die Übernahme des Mitberichts und für seine wertvollen Hinweise bereits während der Anfertigung der Arbeit. Aus dem großen Kreis der Mitarbeiter des Instituts, die mich mit inhaltlichen Anregungen oder durch tatkäftige Mithilfe bei der textlichen, grafischen und informatischen Ausarbeitung unterstützt haben, möchte ich Herrn Dr.-Ing. Rolf Steinhilper, Herrn Dr.-Ing. Wolfgang Utner, Herrn Dipl.-Ing. Werner Bauer, Herrn Dipl.-Inform. Ronald Röhl, Frau Dipl.-Math. Evelyn Ruchti, Herrn Dipl.-Ing. (FH) Erwin Fischer und Herrn Dipl.-Math. (FH) Boris Feifel sehr danken. Meiner Frau Manuela und meinen Kindern Mare und Marie Christine, die mit ihrer Geduld und ihrem Verständnis für die Entbehrungen während zahlreicher Arbeitsstunden die Fertigstellung dieser Arbeit begleiteten, danke ich aus tiefstem Herzen. Stuttgart 1994 Peter Schmid I n h a 1 t 0 Abkürzungen und Formelzeich 12 1 Einleitung 15 2 Stand der Erkenntnisse bei der Arbeitsprogramm- 17 generierung zum Schutzgasschweißen mit Industrierobotersystemen im Schiffbau 2.1 Werkstücke zum Schutzgasschweißen im Schiffbau 17 2.2 Bekannte Entwicklungen für das Schutzgasschweißen 18 im Schiffbau mit Industrierobotern 2.3 Verfahren und Hilfsmittel für die Arbeitsprogramm- 22 generierung zum Schutzgasschweißen mit Industrie robotersystemen 2.4 Erkenntnisbedarf für die Arbeitsprogrammgenerierung 23 zum Schutzgasschweißen mit Industrierobotersystemen im Schiffbau 3 Zielsetzung 26 4 Konzeption des Verfahrens zur Arbeitsprogrammgenerierung 27 zum Schutzgasschweißen von Doppelbodensektionen, Seiten tanksektionen und Schotten mit Industrierobotersystemen 4.1 Ermittlung der Anforderungen an das Verfahren 27 4.1.1 Anforderungen seitens der Werkstücke 27 4.1.2 Schweißtechnische Anforderungen 30 4.1.3 Gerätetechnische Anforderungen 30 4.1.4 Organisatorische Anforderungen 33 4.1.5 Anforderungen seitens des Anwenders 34 4.2 Erarbeiten der Aufgaben der Arbeitsprogramm- 34 generierung 4.3 Erstellen der Struktur des Verfahrens 37 5 Entwicklung der Modelle für das Verfahren 42 5.1 Koordinatensysteme 42 5.2 Modellbildung des Werkstücks 44 -10- 6 Entwicklung des Verfahrens zur Bestimmung 47 bestgeeigneter Schweißbilder 6.1 Schweißbilder gerader Fugen 47 6.1.1 Ermittlung der Schweißbilder gerader Fugen 47 6.1.2 Ermittlung der Häufigkeiten von Schweiß- 53 bildern gerader Fugen 6.1.3 Auswahl der bestgeeigneten Schweißbilder 54 gerader Fugen 6.2 Schweißbilder kreisförmiger Fugen 55 6.2.1 Ermittlung der Schweißbilder kreisförmiger 55 Fugen 6.2.2 Ermittlung der Häufigkeiten von Schweiß- 59 bildern kreisförmiger Fugen 6.3 Schweißbilder komplexer Fugen 59 6.3.1 Ermittlung der Schweißbilder komplexer Fugen 59 6.3.2 Ermittlung der Häufigkeiten von Schweiß- 61 bildern komplexer Fugen 6.3.3 Auswahl der bestgeeigneten Schweißbilder 65 komplexer Fugen 7 Entwicklung des Verfahrens zur Bestimmung der Makros 66 7:1 Makros 66 7.1.1 Entwicklung von Makros zum Schweißen 67 gerader Fugen 7.1.2 Entwicklung von Makros zum Schweißen 74 komplexer Fugen 7.1.3 Entwicklung von Makros zum Suchen mit dem 75 Gasdüsensensor 7.1.4 Entwicklung von Makros zum Korrigieren mit 79 dem Lichtbogensensor 7.1.5 Entwicklung von Makros zum Verschieben von 82 Makros 7.1.6 Entwicklung von Makros zum Reinigen von 82 Schweißbrennern 7.1.7 Entwicklung von Makros zum Wechseln von 83 Schweißbrennern -11- 7. 2 Makroerstellung 85 7.2.1 Aufnehmen der Geometrieinformation mittels 85 Teach-In 7.2.2 Erstellen der Ablaufanweisungen 87 8 Generierung von makrobasierenden Arbeitsprogrammen 88 8.1 Ermittlung einer repräsentativen Box 89 8.1.1 Methode zur Ermittlung einer 89 repräsentativen Box 8.1.2 Repräsentative Box 90 8.2 Entwicklung von Sektions-Box-Dateien 93 8.2.1 Definieren einer Sektions-Box-Datei 93 8.2.2 Arbeiten mit Sektions-Box-Dateien 94 8. 3 Bearbeitung der Schweißaufgabe 96 8.3.1 Koordinatentransformation 96 8.3.2 Definieren von Schweißbildern und 99 Zuordnen von Makros 8.3.3 Arbeiten mit Schweißbildern und Makros 106 8.4 Planung des Schweißablaufs 106 8.4.1 Boxteilwände 107 8.4.2 Algorithmen 108 8.4.3 Roboterpositionen 109 8.4.4 Schweißbildzuordnung 112 8.4.5 Schweißabfolge 112 8.5 Generierung des Arbeitsprogramms 113 8.5.1 Industrieroboter-Steuerungsprogramm 114 generieren 8.5.2 Fertigungsunterlagen generieren 120 8.6 Anwendungsbeispiel 122 9 Zusammenfassung und Ausblick 124 10 Literatur 126
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