Flexible Montage von Leitungssätzen mit Industrierobotern PDF
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BOJOJ=8[TI[TI Forschung und Praxis Band 160 Berichte aus dem Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart, Institut fOr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart, und Institut fOr Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Universitat Stuttgart Herausgeber: H. J. Warnecke und H.- J. Bullinger Herbert H. Emmerich Flexible Montage von Leitungssatzen mit Industrierobotern Mit 70 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest 1992 Dipl.-Ing. Herbert H. Emmerich Fraunhofer-Instltut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke o. Professor an der UniversitAt Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnlk und Aut?matisierung (IPA). Stuttgart Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Bullinger o. Professor an der UniversitAt Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart 093 ISBN-13: 978-3-540-55227-7 e-ISBN-I3: 978-3-642-47947-2 DOl: 10.1007/978-3-642-47947-2 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte. insbesondere die der Obersetzung. des Nachdrucks. des Vortrags. der Entnahme von Abbildungen und Tabellen. der Funksendung. der Mikroverfilmung oder der VervielfAltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen. bieiben. auch bei nur auszugsweiser Verwertung. vorbehalten. Eine VervielfAltigung dieses Werkes oder von Teiien dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils gOltigen Fassung zulAssig. Sie 1st grundsAtzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg 1992. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsnamen. Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme. daB solche Namen im Sinne derWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wAren und daher von jedennann benutzt werden dOrften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze. Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN. VOl. VOE) Bezug genom men oder aus Ihnen zitiert worden sein. so kann der Verlag keine GewAhr fOr die Richtigkeit. VolistAndigkeit oder AktualitAt Obemehmen. Es empflehlt sich, ge gebenenfails fOr die eigenen Arbeiten die volistAndigen Vorschriften oder Richtlinien in der jewells gOltigen Fassung hinzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH. Heimsheim 62/3020-6543210 Geleitwort der Herausgeber Futuristische Bilder werden heute entworfen: o lbboter bauen lbboter, o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengp.n in Sekunden urn die ganze Welt. Von der "rrenschenleeren Fabrik" wird da gespr=hen und van "papierlo sen BUro". V6rtlich gencmren rnuB nan beides als utopie bezeichnen, aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "autorratischen Fertigung" und zum "rechnerunterstiitzten Btiro". Forschung bedarf der Perspektive, Forschung benOtigt aber auch die Ri.ickkopplung zur Praxis - insbeson dere im Bereich der Produktionstechnik und der Arbeitswissenschaft. FUr eine Industriegesellschaft hat die Produktionstechnik eine Schltis selstellung. Mechanisierung und Autanatisierung haben es uns in den letzten Jahren erlaubt, die Produktivit:at unserer Wirtschaft standig zu verbessem. In der Vergangenheit stand dabei die Ieistungssteigerung einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daB wir das ZusarrtlEIlspiel der verschiedenen Untemehrrensbereiche starker beachten rntissen. In der Fertigung selbst kcnzipieren wir flexible Fer tigungssysteme, die viele verkettete Einzelroaschinen beinhalten. Dort, wo es Produkt und Produkticnsprogranm zulassen, denken wir intensiv tiber die Verkniipfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Qualitatskentrolle nacho RechnerunterstUtzte Informaticnssysteme helfen dabei und sollen zum eIM (Crnputer Integrated Ma;,ufacturil'lg) ftihren und CAD (Crnputer Aided Design) und CAM (Conputer Aided Manu facturing) vereinen. Auch die Btiroarbeit wird neu durchdacht und mit Hilfe vemetzter Catputersysteme teilweise autanatisiert und mit den anderen Untemehrrensfunktionen verbunden. Informatien ist zu einem Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit llI'IqElht, wird mit tiber den Untemehrrenserfolg entscheiden. Der Erfolg in unseren Untemehrren hangt auch in der Zukunft entschei dend vcn den dort arbeitenden Menschen abo Rationalisierung und Auto watisierung rntissen deshalb im Zusannenhang mit Fragen der Arbeitsgestal tung betrieben werden, unter Berticksichtigung der Bedtirfnisse der Mit arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen OJalifikationen. Inve stiticnen in Maschinen und Anlagen russen deshalb in der Produktien wie im Btiro durch Investitionen in die Olalifikation der Mitarbeiter be gleitet werden. Bereits im Planungsstadiurn rntissen Technik, Organisaticn und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs zielen belegt werden. Von wissenschaftlicher Seite IlU.lB dieses Bemtihen durch die Entwicklung ven Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver besserung des Systems Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforder lichen Dienstieistungsiunkticnen unterstiitzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusamrenarbeit mit anderen Disziplinen, z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis senschaft, LOsungen zu erarbeiten, die den veranderten Randbedingungen R3chnung tragen. Beispielhaft sei hier an den groBen Bereich der Informationsverarbei tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung tiber Konstruk tion und Arbeitsvorbereitung, bis hin zur Fertigungssteuerung und Qual i t:atskentrolle reicht. Beim MaterialfluB geht es urn die richtige Aus- wahl und den Einsatz von Fordermitteln sowie 1\nordnung und Ausstattung von Lagem. GroBe Aufrrerksarnkeit wird in nachster Zukunft au:::h der weiteren Autaratisierung der Handhabung von Werksti.icken und Werkzeu gen sowie der r-t>ntage von Produkten geschenkt werden. Von der Forschung muB in diesem ZusaIlll'enhang ein Beitrag zum Einsatz fortschrittlicrer intelligenter ConputersysteIre erfolgen. Planungs prozesse mtissen durch SOftwaresysterre untersttitzt und Arbeitsbedingun gen wissenschaftlich analysiert und neu gestaltet werden. Die von den Herausgebem geleiteten Institute, das - Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF), - Fraunhofer-Institut fUr Produkticnstechnik und Autaratisierung (IPA), - Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Lab::Jrs und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geftihrt, die fUr die Praxis von groBem Wert varen. Zur Umsetzung gewamener Erkenntnisse wird die Schriften reihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" rerausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Beihe fort. Eine Ubersicht tiber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Bu:::hes gegeben. Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, Clem Springer Verlag fUr die AufnahrrE dieser Schriftenreihe in seine 1\ngebotspa lette und der Druckerei fUr saubere und ziigige Ausftihrung. ~e das Buch von der Fachwelt gut aufgencmren werden. H. J. Warnecke • H. -V. Bullinger Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand wiihrend meiner Tiitigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA), Stuttgart. Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Institutes, Herrn Prof. Or.-Ing. Warnecke, fOr die groBzOgige UnterstOtzung und FOrderung, die zum erfolgreichen Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Herrn Prof. Jung danke ich fOr die Obernahme des Mitberichtes sowie fOr die wert vollen Hinweise, die sich daraus ergeben haben. Aus dem groBen Kreis der Kollegen und Kolleginnen des Institutes, die mich durch Ihre Mitarbeit und anregende Kritik unterstOtzt haben, mOchte ich Oipl.-Ing. S. Koller, Oipl.-Ing. R. Cramer, Or.-Ing U. Schweigert, Or.-Ing. M. Schweizer sowie Prof. Or. Ing. Schraft erwiihnen. Besonders wertvoll war mir die Zusammenarbeit mit Or.-Ing. G. Schlaich. Ihnen allen, wie auch den Studenten und Praktikanten, die an dieser Ar beit mitgewirkt haben, gilt me in besonderer Dank. Herzlich danke ich meiner Frau Helga, die mir stets mit Verstllndnis zur Seite stand und mich vielfiiltig unterstOtzte. Nicht zuletzt mOchte ich auch meinen Eltern dan ken, die meinen Weg bereitet haben. Waiblingen, im November 1991 Herbert Emmerich INHALT SVERZEICHNIS o AbkQrzungen und Formelzeichen 13 Einleitung 16 1.1 Problemstellung 16 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 17 2 Ausgangssituation 18 2.1 Begriffe und Definitionen 18 2.1.1 Begriffe zur Handhabungs- und Montagetechnik 18 2.1.2 Begriffe zur Leitungssatzmontage 18 2.2 Stand der Technik 20 2.2.1 Istzustand in der Leitungssatzmontage 20 2.2.2 Marktgllngige Anlagen und Einrichtungen 23 2.2.3 Forschungs- und Entwicklungsaktivitllten 23 3 Anllll1lil! a!1li PrQaulsllil2!1klrumli una AnfQra!1rung!1n lin MQnll1g!1lil1lil!1m!1 26 3.1 Analyse des Produktspektrums 26 3.1.1 Komponenten von Leitungssatzen 28 3.1.1.1 Gehause und Kontakte 28 3.1.1.2 Leitungen 29 3.2 Produktionskennzahlen 31 3.2.1 Montagezeiten 31 3.2.2 Analyse auftretender Fehler 31 3.2.3 Branchenspezifische Zusammenhange 33 3.3 Foigerungen aus den Analyseergebnissen 35 3.4 Anforderungen an flexible Systeme zur Leitungssatzmontage 36 3.4.1 Anforderungen an Gesamtsysteme 37 - 10- 3.4.2 Anforderungen an Teilsysteme 38 3.4.2.1 Handhabungssystem 38 3.4.2.2 Kontaktmontagesystem 39 3.4.2.3 Leitungsbereitstellung 40 3.4.2.4 System zur Leitungsspeicherung 41 3.4.2.5 System zur Sicherstellung der VerbindungsQualitat 41 4 KQnzeQtiQn flexibler MQnt!!geSysteme fQr Leit!.!ngsslitze bei v!!riierenden R!!ndbeding!.!ngen 43 4.1 Randbedingungen bei der Systemkonzeption 43 4.1.1 Produkt- und produktionstechnische EinfluBparameter 44 4.1.2 Vorgehensweise zur modularisierten Entflechtung von Leitungssatzen 44 4.2 Konzeption von flexiblen Montagesystemen in Abhiingigkeit des Produktaufbaus von Leitungssatzen 47 4.2.1 Systemkonzepte zur Montage von Leitungssatzen des Typs I 49 4.2.2 Systemkonzept zur Montage von Leitungssatzen des Typs 11,111 und IV 53 4.2.3 System konzept zur Montage von Leitungssatzen des Typs V 56 4.3 GegenObersteliung und Abgrenzung der Systemkonzepte 59 5 Verf!!hrens- !.!nd Werkze!.!gentwi!;kl!.!ng ~!.! kQnt!!ktbei:Qgenen PrQblemstell!.!ngen in der Leit!.!ngSS!!tzmQntage 61 5.1 Verfahrens- und Werkzeugentwicklung zur flexiblen Kontaktmontage 61 5.1.1 Theorie des Montagevorganges 61 5.1.2 Entwicklung von Teilsystemen eines flexiblen Werkzeuges zur Kontaktmontage 65 5.1.2.1 Toleranzausgleichsmethoden zum FOgen von Kontakten 65 5.1.2.1.1 Betrachtung der Toleranzkette 65 5.1.2.1.2 Alternative Toleranzausgleichsmethoden 66 5.1.2.2 Erzeugung der FOgebewegung und OberprOfung des Einrastvorganges 70 5.1.3 Verfahren zur chaotischen Montage von Kontakten 73 -11 - 5.1.4 Experimentelie Bestimmung von Parametern zur Auslegung eines Werkzeuges zur flexiblen Kontaktmontage 76 5.1.4.1 Bestimmung der Fugekriifte 77 5.1.4.2 Auslegung des Antriebes zur Erzeugung der Fugebewegung 80 5.1.4.3 Bestimmung der Leitungsauslenkkriifte 83 5.1.4.4 Auslegung der Fuhrungsrohrgeometrie und der Liingenkorrekturfaktoren 85 5.2 Verfahren zur Erkennung von Kontaktierfehlern 88 5.2.1 Oberwachung der ProzeBkriifte beim Kontaktanschlag 91 6 KQni:~121iQn und t;;nlwi!:;kh,mg vQn V~rfilhr~D und W~rki:~ug~n l:U l~ilung::ib~l:Qg~n~n PrQbl~m::il~liung~n in d~r Leiwng::i::iilll:mQnlilge 94 6.1 Entwicklung von LeitungszufUhr- und Wechseleinrichtungen 94 6.1.1 Uisungsprinzipien 94 6.1.2 Bewertung der LOsungsprinzipien 95 6.1.3 Erprobung ausgewiihlter LOsungsprinzipien 96 6.2 Konzeption und Entwicklung von Verfahren und Werkzeugen zur Speicherung von Leitungen 97 6.2.1 Konzeption von Alternativen zur Leitungsspeicherung 97 6.2.1.1 Bewertung der LOsungsprinzipien 99 6.2.2 Theoretische Betrachtung der Vorgiinge bei der Leitungsspeicherung 100 6.2.3 Experimentelie Untersuchung mit unterschiedlichen Speicherformen 103 7 R~illi::ii~rl~ PilQlilnlilg~ l:Ur ilulQmilli::i!:;h~n MQnlilg~ vQn Leiwng::i::il!lzeD in Criml21e!:;hnik 107 7.1 Grundaufbau 107 7.2 Eingesetzte Werkzeuge und Komponenten 108 7.2.1 Handhabungssystem 108 7.2.2 Kontaktmontagewerkzeug 108 7.2.2.1 Aufbau des FOrdersystems 111 7.2.3 Leitungsbereitsteliung und Zufuhreinheit 112 - 12 - 7.2.4 Zusatzliche Systemkomponenten 114 7.3 Steuerungskonfiguration 114 7.3.1 Programmaufbau des SPS-Ablaufprogrammes 116 8 Montageablauf und Versuchsergebnisse 118 8.1 Montageablauf 118 8.1.1 Montagezeiten 119 8.1.2 Auftretende FOgekrlifte 120 8.2 Erkenntnisse aus den Versuchsergebnissen 121 8.3 Notwendige Weiterentwicklungen 123 9 Zusammenfassung und Ausblick 125 10 Literaturverzeichnis 129
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