Kommissioniersystem mit Roboter und Mehrstückgreifer PDF
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B[}JDJ=8ITJOJ Forschung und Praxis Band 126 Berichte aus dem Frau nhofer-I nstitut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA), Stuttgart, Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart, und Institut fOr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullinger Klaus Baumeister Kommissioniersystem mit Roboter und Mehrstlickgreifer Mit 53 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo 1988 Dipl.-Ing. Klaus Baumeister Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Dr.-Ing. H.J. Warnecke o. Professor an der Universitl1t Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA), Stuttgart Dr.-Ing. habil. H.-J. Bullinger o. Professor an der Universitl1t Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Afbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart 093 ISBN-13:978-3-540-50133-6 e-ISBN-13:978-3-642-83561-2 001: 10.1007/978-3-642-83561-2 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 Vervielfl1ltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Verfielfl1ltigung dieses Werkes oder von 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 Fassung vom 24. Juni 1985 zull1ssig. Sie ist grundsl1tzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unter liegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1988. Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jederrnann benutzt werden dOrf1en. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genom men oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewl1hr fOr Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat Obernehmen. Es empfiehlt sich, ge gebenenfalls fOr die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gOltigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim 2362/3020-543210 Geleitv.ort der Herausgeber Futuristische Bilder werden heute entv.orfen: o Reboter bauen Reboter, o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengen in Sekunden urn die ganze W=l t. Von der "menschenleeren Fabrik" wird da gesprochen und vom "papierlo sen Bliro". WOrtlich genorrrnen muE man beides als Utopie bezeichnen, aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "autorratischen Fertigung" und zum "rechneruntersttitzten Btiro". Forschung bedarf der Perspektive, Forschung ben6tigt aber auch die Rlickkopplung 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 Produktivitat unserer Wirtschaft standig zu verbessern. In der Vergangenheit stand dabei die Leistungssteigerung einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daB wir das Zusanmenspiel der verschiedenen Unternehrnensbereiche starker beachten mtissen. In der Fertigung selbst konzipieren wir flexible Fer tigungssysteme, die viele verkettete Einzelmaschinen beinhalten. Dort, v.o es Produkt und Produktionsprogramm zulassen, denken wir intensiv iiber die Verkntipfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Qualitatskontrolle nacho Rechneruntersttitzte Informationssysteme helfen dabei und sollen zum CIM (Corrputer Integrated Ma11ufacturing) fUhren und CAD (Corrputer Aided Design) und CAM (Corrputer Aided Manu facturing) vereinen. Auch die Bliroarbeit wird neu durchdacht und mit Hilfe vernetzter Corrputersysteme teilweise autanatisiert und mit den anderen Unternehmensfunktionen verbunden. Information ist zu einem Produktionsfaktor gev.orden, und die Art und Weise, wie man damit \.lIlgeht, wird mit iiber den Unternehrrenserfolg entscheiden. Der Erfolg in unseren Unternehmen hangt auch in der Zukunft entschei dend von den dort arbeitenden Menschen abo Rationalisierung und Auto rratisierung mtissen deshalb im Zusamre:nhang mit Fragen der Arbeitsgestal tung betrieben werden, unter Berticksichtigung der Bedtirfnisse der Mit arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen Qualifikationen. Inve stitionen in Maschinen und Anlagen miissen deshalb in der Produktion wie im Bliro durch Investitionen in die Qualifikation der Mitarbeiter be gleitet werden. Bereits im Planungsstadiurn mtissen Technik, Organisation und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs zielen belegt"werden. Von wissenschaftlicher Seite muB dieses BemUhen durch die Entwicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur sysi:ematischen Analyse und Ver besserung des Systems Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforder lichen Dienstleistungsfunktionen untersttitzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusarmenarbeit mit anderen Disziplinen, z. B. der Inforrratik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis senschaft, Uisungen zu erarbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen. Beispielhaft sei hier an den groBen Bereich der Informationsverarbei tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung iiber Konstruk tion und Arbeitsvorbereitung, bis hin zur Fertigungssteuerung und Qual i tatskontrolle reicht. Beim MaterialfluB geht es urn die richtige Aus- wahl und den Einsatz von Fordermitteln sowie Anordnung und Ausstattung von Lagern. GroBe Aufrrerksarnkeit wird in nachster Zukunft auch der weiteren Autornatisierung der Handhabung von Werkstticken und Werkzeu gen sowie der Montage von Produkten geschenkt werden. Von der Forschung muB in diesem Zusarnrrenhang ein Beitrag zum Einsatz fortschrittUcher intelligenter carrputersysterre erfolgen. Planungs prozesse mlissen durch Softwaresysterre unterstlitzt und Arbeitsbedingun gen wissenschaftUch analysiert und neu gestaltet werden. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - Institut fUr Industrielle Fel.tigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF), - Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Autarratisierung (IPA), - Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Iabors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geflihrt, die fUr die Praxis von groBem Wert waren. Zur Umsetzung ge=ener Erkenntnisse wird die Schriften reihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine tibersicht tiber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag fUr die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebotspa lette und der Druckerei fUr saubere und zligige Ausflihrung. MCige das Buch von der Fachwelt gut aufgenomrren werden. H. J. Warnecke· H.-J. Bullinger vorwort Die vorliegende Arbeit entstand wah rend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart. Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Instituts, Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke fUr seine groBzUgige unterstUt zung und Forderung, die entscheidend zur erfolgreichen Durch fUhrung dieser Arbeit beigetragen haben. Herrn PTof. Dr. techno F. Beisteiner danke ich fUr die Ober nahme des Korreferats und fUr die vielen wertvollen Hinweise, die sich daraus ergaben. Aus dem groBen Kreis der Kollegen am Institut, die mich durch ihre Mitarbeit und anregende Kritik unterstUtzt haben, mochte ich die Herren Dr.-Ing. B. Graf, Dr.-Ing. M. Schweizer, Dr.-Ing. H. Gzik, Dr.-Ing. R. Schanz und Prof. Dr.-Ing. R.D. Schraft besonders erwahnen. Ihnen allen gilt mein herzlicher Dank. Stuttgart, im April 1988 Klaus Baumeister Inhaltsverzeichnis seite o Abkurzungen und Formelzeichen 12 1 Einleitung 13 1.1 Problemstellung 13 1.2 Zielsetzung 14 1.3 Vorgehensweise 14 2 Ausgangssituation 15 2.1 Begriffe und Definitionen 15 2.1.1 Kommissionieren 16 2.1.2 Handhaben 17 2.1. 3 Industrieroboter-Kommissioniersystem 17 2.2 Stand der Technik 20 2.2.1 Einsatzgebiet des Industrieroboter Kommissioniersystems 20 2.2.2 Installierte Industrieroboter Kommissioniersysteme 22 2.2.3 Kommissionierprogramme fur Industrieroboter Kommissioniersysteme 22 3 Anforderungen an ein Industrieroboter-Kommis sioniersystem fur quaderformige Werkstucke 24 3.1 Analyse bisheriger Industrieroboter Kommissioniersysteme 24 3.1.1 Handhabungskonzepte 24 3.1.2 Leistungsvergleich 26 3.2 Analyse des Werkstuckspektrums in Kommissio niersystemen 27 3.3 Ableitung von Entwicklungsschwerpunkten 30 4 Greifstrategien fur den Mehrstuckgriff 34 4.1 Auswirkungen des Mehrstuckgriffs auf die Kommissionierleistung 34 4.2 strategiealternativen 35 4.3 Untersuchung der Einflusse auf die Kommissio nierleistung 39 - 10 - 4.3.1 Einflusse der Werkstuck-, Fach- und Greifer- flache 39 4.3.1.1 Entnahme aus vol1standigem Lagemuster 39 4.3.1.2 Entnahme aus angebrochenem Lagemuster 43 4.3.1.3 Entnahme bei kleinerer Greiferflache als Fachflache 45 4.3.2 Einflusse des Ablagemusters 46 4.3.3 Einflusse der Auftragsstruktur 48 5 Entwicklung eines Palettier- und Kommis sionierprogrammes fur den Mehrstuckgriff 50 5.1 Realisierte Greifstrategien 50 5.2 Beschreibungsvereinbarungen 51 5.2.1 Beschreibung der Fachbelegung 51 5.2.2 Beschreibung der Palettenbelegung 52 5.3 Kommissionierablauf 53 5.3.1 Ermittlung der Palettenbelegung 55 5.3.2 Bildung von Ablagemuster 58 5.3.3 Aufteilung in Ablagematrizen 60 5.3.3.1 Auswahl der Ablage- und Teilablagematrizen 63 5.3.3.2 Beispiele von Ablegevorgangen 63 6 Entwicklung eines Mehrstuckgreifers 67 6.1 Losungsfindung 67 6.2 Aufbau des Mehrstuckgreifers 71 6.2'.1 Kinematik 73 6.2.2 Sensorik 74 6.3 Funktionsweise 77 6.3.1 Positionserkennung der Werkstucke 77 6.3.2 Korrekturbewegungen 79 7 Erprobung der Teilkomponenten in einem Versuchsaufbau 81 7.1 Komponenten des Versuchsaufbaus 81 7.1.1 Handhabungskomponenten 81 7.1.2 Steuerungskomponenten 83 7.1. 3 Softwarekomponenten 85 7.2 Handhabungsablauf im Versuchs-Industrie roboter-Kommissioniersystem 86 - 11 - 7.2.1 Einlagerung 86 7.2.2 Auslagerung 87 7.3 Versuchsergebnisse 89 7.3.1 Leistungssteigerung durch Kommissionier- zeitreduzierung 89 7.3.2 Erfahrungen mit der Sensorik 90 7.3.2.1 Zeitverhalten 90 7.3.2.2 Zuverlassigkeit 92 8 Zusammenfassung 95 9 Schrifttum 98 o Abkurzungen und Formelzeichen A/D Analog/Digital AKORD Automatisierung im Kommissionierbereich mit Roboter und Datenverarbeitung BB Belegungsbreite BF Belegungsflache BL mm Belegungslange CIM Computer Integrated Manufacturing, Rechnerintegrierte Fertigung DIN Deutsches Institut fur Normung EZ Einzelzeilengriff LKS Lager- und Kommissioniersystem LF Lagenanzahl im Fach M Anzahl Entnahmen m Zeilenzahl einer (Teil-) Ablagematrix ME Menge pro position MEg Gemeinsam entnommene Menge MRS Modulares Handhabungssystem MZ Mehrzeilengriff n Spaltenanzahl einer (Teil-) Ablagematrix Nkom Anzahl Kommissionierer OCR optical Character Recognition Pos Position SF Spaltenanzahl im Fach tbas siPos Basiszeit tgr siPos Greifzeit tkom siPos Kommissionierzeit ttot siPos Totzeit tweg siPos Wegzeit Uk~~ Pos/h Maximale Kommissionierleistung VOl Verein Deutscher Ingenieure ZE Zeiteinheit ZFK Werkstuckanzahl in einer unvollstandigen Zeile im Fach ZFV Anzahl vollstandiger Zeilen im Fach ZF Zeilenanzahl im Fach ZOSS Zeilenorientiertes Sensorsystem
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