Montage von Schläuchen mit Industrierobotern

144 Pages·1988·3.46 MB·German

by  Dipl.-Ing. Bruno Frankenhauser (auth.)

6OJ[TI=6OJITJ
Forschung und Praxis
Band 125
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut 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
Bruno Frankenhauser
Montage von Schlauchen
mit Industrierobotem
Mit 63 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1988
Dipl.-Ing. Bruno Frankenhauser
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPAl, Stuttgart
Dr.-Ing. H.J. Warnecke
o. Professor an der UniversiUit Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (I PAl. Stuttgart
Dr.-Ing. habil. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13:978-3-540-50072-8 e-ISBN-13: 978-3-642-83554-4
001: 10.1007/978-3-642-83554-4
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2362/3020-543210
Geleitwort der Herausgeber
Futuristische Bilder werden heute entworfen:
o Robater bauen Robater,
o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengen in
Sekunden urn die ganze_.Welt.
Von der "rrenschenleeren Fabrik" wird da gesprcx:::hen und vom "papierlo
sen BUro". WOrtlich genornnen muB man beides als Utopie bezeichnen,
aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "automatischen Fertigung"
und zurn "reclmeruntersttitzten BUro". Forschung bedarf der Perspektive,
Forschung benOtigt aber auch die Riickkopplung zur Praxis - insbeson
dere im Bereich der Produktionsteclmik 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 verbessem. In der Vergangenheit stand dabei die Leistungssteigerung
einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daB
wir das Zusannenspiel der verschiedenen Untemehrrensbereiche starker
beachten mtissen. In der Fertigung selbst konzipieren wir flexible Fer
tigungssysteme, die viele verkettete Einzelmaschinen beinhalt en. Dort,
wo es Produkt und Produktionsprogramm zulassen, denken wir intensiv
tiber die Verkntipfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung
und Qualitatskontrolle nacho Reclmeruntersttitzte Informationssysteme
helfen dabei und sollen zum CIM (Corrputer Integrated Ma11ufacturing)
ftihren und CAD (Conputer Aided Design) und CAM (Conputer Aided Manu
facturing) vereinen. Auch die BUroarbeit wird neu durchdacht und mit
Hilfe vemetzter Computersysteme teilweise autanatisiert und mit den
anderen Untemehrrensfunktionen verbunden. Information ist zu einem
Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit um::reht,
wird mit tiber den Untemehrrenserfolg entscheiden.
Der Erfolg in unseren Untemehrren hangt auch in der Zukunft entschei
dend von den dort arbeitenden Menschen abo Rationalisierung und Auto
matisierung mtissen deshalb im Zusamnenhang mit Fragen der Arbeitsgestal
tung betrieben werden, unter Berticksichtigung der BedUrfnisse der Mit
arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen Qualifikationen. Inve
stitionen in Maschinen und Anlagen mtissen deshalb in der Produktion wie
im BUro durch Investitionen in die Qualifikation der Mitarbeiter be
gleitet werden. Bereits im Planungsstadiurn mtissen Teclmik, Organisation
und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs
zielen belegt werden.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemtihen durch die Entwicklung
von ~thoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver
besserung des Systems Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforder
lichen Dienstieistungsfunktionen untersttitzt werden. Die Ingenieure
sind hier gefordert, in enger ZUsaIllla1arbeit mit anderen Disziplinen,
z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis
senschaft, L6sungen zu erarbeiten, die den veranderten Ranclbedingungen
Reclmung 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 Quali
tatskantrolle reicht. Beim MaterialfluB geht es urn die richtige Aus-
wahl \ll1d den Einsatz von Fordennitteln sowie Anordn\ll1g \ll1d Ausstatt\ll1g
von Lagern. GroBe Aufmerksamkeit wird in nachster Zukunft auch der
w=iteren Autornatisierlll1g der Handhabung von Werkstiicken \ll1d Werkzeu
gen sowie der M:Jntage von Prcrlukten geschenkt werden.
Von der Forsch\ll1g muB in diesem Zusamrrenhang ein Beitrag ZU!l\ Einsatz
fortschrittlicher intelligenter Corrputersysterre erfolgen. Plan\ll1gs
prozesse mtissen durch Softwaresysteme \ll1terstlitzt \ll1d ArbeitsbedinglID
gen wissenschaftlich analysiert \ll1d neu gestaltet w=rden.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fUr Industrielle FertiglIDg \ll1d Fabrikbetrieb der Universitat
Stuttgart (IFF),
- Fraunhofer-Institut fUr Prcrluktionstechnik \ll1d Autctratisierlll1g (IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft \ll1d Organisation (IAO)
arbeiten in gr\ll1dlegender und angewandter Forsch\ll1g intensiv an den
oben aufgezeigten Entwickl\ll1gen mit. Die Ausstatt\ll1g der Labors \ll1d
die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit
zu Forsch\ll1gsergebnissen geflihrt, die fUr die Praxis von groBem
Wert waren. Zur UmsetZ\ll1g gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe "IPA-IAO - Forsch\ll1g \ll1d Praxis" herausgegeben. Der vorliegende
Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht tiber bisher erschienene
Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fUr die Aufnahrre dieser Schriftenreihe in seine Angebotspa
lette \ll1d der Druckerei fUr saubere \ll1d zligige Ausflihrill1g. M6ge das
Buch von der Fachw=lt gut aufgenammen w=rden.
H. J. Warnecke· H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend 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
Unterstutzung und Forderung, die entscheidend zur erfolgrei
chen DurchfUhrung dieser Arbeit beigetragen haben.
Herm Prof. Dr.-Ing G. Pritschow danke ich fur die Ubernahme
des Mitberichts und fur die vielen wertvollen Hinweise, die
sich daraus ergaben.
Aus dem groBen Kreis der Kollegen und Kolleginnen des
Instituts, die mich durch ihre Mitarbeit und anregende
Kritik unterstutzt haben, mochte ich Dipl.-Ing. T. Weisener,
Dipl.-Ing. G. Schlaich, Herrn H. Dreher, Herrn N. Lay,
Dr.-Ing. M. Schweizer sowie Prof. Dr.-Ing. R. D. Schraft
besonders erwahnen. Ihnen allen ebenso wie den Studenten,
die an dieser Arbeit mitgewirkt haben, gilt mein besonderer
Dank.
Goppingen, im Mai 1988 Bruno Frankenhauser
INHALTSVERZEICHNIS seite
o Abkurzungen und Formelzeichen 13
1 Einleitung 18
1.1 problemstellung 18
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 19
2 Stand der Technik 21
2.1 Begriffe und Definitionen 22
2.2 Automatische Montage biegeschlaffer 23
Teile
3 Analyse an Montagearbeitsplatzen und 26
Ableitung von Anforderungen an ein
programmierbares Montagesystem fur
Schlauche
3.1 Analyse an Montagearbeitsplatzen 26
3.1.1 Analyse der Fugeteilgeometrie 26
3.1. 2 Analyse der Basisteilgeometrie 31
3.1.3 Montageaufgaben 32
3.1.4 Ist-Zustand-Analyse der Toleranzbereiche 33
3.1.5 Automatisierungshemmnisse 34
3.1. 6 Ableitung von Untersuchungs- und Entwick 36
lungsschwerpunkten fur die flexible auto
matische Montage von Schlauchen
3.2 Anforderungen an eine flexibel automati 37
sierte Montagestation fur Schlauche
3.2.1 Definitionen und Teilfunktionen einer 37
Montagestation
3.2.2 Anforderungen an das Gesamtsystem 38
3.2.3 Anforderungen an Teilsysteme 38
3.2.3.1 Industrieroboter 39
- 10 -
3.2.3.2 systeme zum Toleranzausgleich 40
3.2.3.3 Greifer 40
3.2.3.4 Bereitstelleinrichtungen 42
4 Theorie des Fuge- und Greifprozesses 43
4.1 Theorie des Fugeprozesses 43
4.2 Theorie des Greifprozesses 48
4.3 Einflusse auf den MontageprozeB durch das 49
Werkstoffverhalten
4.4 EinfluBparameter auf den MontageprozeB von 50
Schlauchen
5 Konzeption von Teilsystemen eines automati 52
sierten Montagesystems fur Schlauche und
Integration zu Gesamtsystemen
5.1 Greifsystem 52
5.1.1 Greifen unterschiedlicher Schlauchgeometrien 52
bzw. Schlauchvarianten
5.1.2 Greifen mehrerer Schlauchenden 53
5.2 Fugesystem 56
5.3 Integration zu Gesamtsystemen 58
6 Experimentelle Untersuchung der guantita 60
tiven und gualitativen Abhangigkeiten und
Berechnung ausgewahlter Montageparameter
6.1 Versuchsaufbau 60
6.2 Untersuchung der Einflusse ausgewahlter 61
Fugeparameter
6.2.1 Fugegeschwindigkeit 62
6.2.2 Basisteilgeometrie 63
6.2.3 Schmiermittel 64
6.2.4 Temperatur 65
6.2.5 Freie Lange 65
6.2.6 Fugeteilgeometrie und Fugeteilwerkstoff 66
- 11 -
6.3 untersuchung der Einflusse ausgewahlter 67
Greifparameter
6.3.1 Zusammenhang zwischen Verformungsgrad des 68
6ffnungsquerschnitts, Greifkraft und
freier Lange
6.3.2 Zusammenhang zwischen Greifkraft und uber 70
tragbarer Fugekraft
6.3.3 Vergleichende Gegenuberstellung 73
6.4 Berechnung von Montageparametern und Simu 74
lation des Montageprozesses
6.4.1 Berechnung ausgewahlter Montageparameter mit 74
Hilfe von analytischen Rechenformeln
6.4.1.1 Ermittlung der Fugekraft 74
6.4.1.2 Abschatzung der freien Lange 81
6.4.2 Berechnung ausgewahlter Montageparameter und 81
simulation des Montageprozesses mit Hilfe
der Finite-Elemente-Methode
6.4.2.1 Berechnung der Fugekraft 82
6.4.2.2 Berechnung der benotigten Greifkraft 82
6.4.2.3 Stauchung der Schlauchschale wahrend des 83
Fugeprozesses
6.4.2.4 Berechnung von Montageparametern bei 85
asymmetrischen Montagevorgangen
6.4.2.5 Simulation des Montagevorganges 86
6.4.3 Vergleich von Finiter-Elemente-Rechnung, 87
analytischer Berechnung und Versuch
7 Entwicklung von Methoden zum Toleranzaus- 89
gleich
7.1 Methode des passiven TOleranzausgleichs 90
7.1.1 Ausgleich mit Hilfe von Elementen definierter 90
Nachgiebigkeit
7.2 Fugestrategien fur den Toleranzausgleich 93
7.2.1 Geometrische EinfluBparameter 101
7.2.1.1 Greifzone 101
- 12 -
7.2.1.2 EinfluB der Fugeteilstabilitat 102
7.2.1.3 Basisteilgeometrie 104
7.2.2 Technologische EinfluBgroBen 105
7.2.2.1 Werkstoff 105
7.2.2.2 Fugegeschwindigkeit (Fugezeit) 107
7.2.2.3 Fugekraft 109
7.2.3 Einsatz technologischer Hilfen zum Toleranz 112
ausgleich
7.2.4 Vergleichende Gegenuberstellung der unter 113
suchten Fugestrategien
8 Erprobung im Gesamtsystem 115
8.1 Aufbau der Montageversuchszelle 116
8.1.1 Gesamtaufbau 116
8.1. 2 Teilsysteme 118
8.1.2.1 Bereitstelleinrichtung fur die Fugeteile 118
8.1.2.2 Greifer fur Fugeteile 118
8.1.2.3 Handhabungssysteme 123
8.1.2.4 Erkennungssystem fur Fugeteile mit mehre 123
ren Fugeenden
8.2 Funktionsablauf der Versuchsanlage 124
8.3 Versuchsergebnisse 125
8.3.1 Montagezeiten 125
8.3.2 Fugestrategien, Fugekrafte und -momente 128
8.4 Folgerungen aus den Versuchen 129
9 Zusammenfassung und Ausblick 130
10 Schrifttum 133