iwb Forschungsberichte – serie

Ein Produkt ist montagegerecht, wenn es sich mit dem geringstmoglichen Aufwand montieren lasst. Um diesen Aufwand - Anlageninvestitionen und Montagezeit - zu minimieren, mussen das Produkt und der Montageprozess aufeinander abgestimmt werden. Diese Abstimmung erfordert es, Produkt und Prozess gemeinsam zu entwickeln. Damit wird eine neuartige Perspektive offenbart, die den Montageprozess als Konstruktionsobjekt sieht, das durch konstruktive Massnahmen am Produkt und an der Montageanlage zugleich gestaltet werden muss. Es wird ein allgemeines Prozessmodell hergeleitet, das den logischen Zusammenhang eines beliebigen Montageprozesses durch drei Grundfunktionen beschreibt. Auf der Grundlage dieses Prozessmodells werden Teilverfahren der Robotermontage, eingeordnet in die Prozessbereiche Teilebereitstellung und Fugen, analysiert. Eine systematische Montageprozessentwicklung unter Einbeziehung der Produktgestaltung wird durch eine Reihe praxisbezogener Losungsbeispiele aus dem Feingerate-, Maschinen- und Fahrzeugbau veranschaulicht.

Im vorliegenden Buch sind Berechnungsgrundlagen, Modelle und Programmsysteme zur EDV-gestützten Ausfalldatenerfassung und -auswertung ausgearbeitet. Außerdem werden, ausgehend von einer breitgestreuten Informationsbasis, die Ausfallursachen von flexiblen automatisierten Produktionsanlagen und ihre statistische Verteilung sowie die Funktionszusammenhänge zwischen der Verfügbarkeit und äußeren Einflüssen dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß das Nutzungsverhalten von flexibel automatisierten Produktionsanlagen von unterschiedlichen Faktoren beeinflußt wird. Deshalb ist eine Erhöhung der Anlagennutzung nur durch ein einheitliches Konzept erreichbar. Ein solches muß eine engere Zusammenarbeit zwischen Werkzeugmaschinenherstellern und -anwendern zum Ziel haben. Das Buch wendet sich sowohl an Werkzeugmaschinenhersteller als auch an Werkzeugmaschinenanwender, die Hinweise für die Konzeption bzw. den Betrieb von flexiblen automatisierten Produktionsanlagen mit verbesserter Verfügbarkeit erhalten. Hieraus sind nachhaltige Verbesserungen des Nutzungsgrades zu erwarten, was einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit gleichkommt.

Informationsstrukturen haben besondere Bedeutung für die Flexibilität von Fertigungssystemen. Vor dem Hintergrund einer einheitlichen Zellenstruktur, die für Teilefertigung und Montage in gleicher Weise gültig ist und aufgrund einer hinreichenden Entkoppelung der Systemkomponenten zu einer Erhöhung der Systemverfügbarkeit beiträgt, wird ein universelles Zellenrechnerkonzept entwickelt. Besonderes Gewicht wird dabei auf Integrierbarkeit in einen durchgängigen Informationsfluß, Ausnutzung möglicher Nebenläufigkeiten und geeignete Optimierungsstrategien gelegt. Im Mittelpunkt steht die Realisierung einer universellen Ablaufsteuerung, die eine leistungsfähige Anwendungsprogrammierung beliebiger Zellenabläufe sowie die Ankoppelung beliebig vieler und beliebig gearteter Steuerungskomponenten möglich macht.

Für die automatische Montage von Schnellbefestigungselementen mit Industrierobotern wird eine systematische Planungsmethode vorgestellt. Die denkbaren Varianten für eine Montagezelle lassen sich mit Hilfe von Funktionsstrukturen geordnet darstellen und durch eine Nutzwertanalyse auf wenige sinnvolle Lösungen reduzieren. Für die verbleibenden Strukturen werden Konzepte für die einzelnen Elemente einer Montagezelle am Beispiel von Klipsen erarbeitet. Aus den Kombinationen der Konzepte ergeben sich Entwürfe für die Zuführung der Klipse und den Effektor. Bevor eine Montagezelle aufgebaut werden kann, müssen die zu erwartenden Fügekräfte ermittelt werden. Dafür wird der Fügevorgang mit Hilfe der FEM-Methode berechnet. Aufgrund dieser Berechnungen lassen sich auch Vorschläge für eine bessere Gestaltung der Klipse erarbeiten. Die rechnerischen Ergebnisse werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen, die an einem Versuchsstand mittels eines Kraft-Momenten-Sensors gemessen wurden. Durch die Integration eines komplienten Systems reduzieren sich die Belastungen der Fügepartner vor allem bei Positionsversatz. Der Vergleich der Meßergebnisse mit den Berechnungen zeigt, daß die Berechnungen nach der FEM-Methode weitgehend mit den Messungen übereinstimmen. Eine Schwachstellenanalyse an einer Montagezelle zeigt, daß eine schnelle und zuverlässige automatisierte Montage von Klipsen möglich ist. Dabei bilden die mechanischen Schnittstellen zwischen den einzelnen Elementen die Hauptursache für einen Ausfall der Anlage. Nach einer Optimierung kann, ohne mögliche Ausfälle des Roboters zu berücksichtigen, mit 99,25% Verfügbarkeit montiert werden.

Kugeln werden seit 100 Jahren fur die verschiedensten Anwendungen als Massenprodukt mit sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit industriell gefertigt. Das Verfahren Kugelschleifen wird als wesentlicher Fertigungsschritt dargestellt. Aus Versuchen an einem Grundlagenversuchsstand und einer Produktionskugelschleifmaschine werden Einflussgrossen auf das Arbeitsergebnis beim Kugelschleifen abgeleitet. Die beim Kugelschleifen aufzuwendende Zerspanleistung wird theoretisch und experimentell ermittelt. Die Bewegung der Kugel wahrend der Bearbeitung bestimmt die Fertigungsqualitat massgeblich und bildet daher einen Schwerpunkt der Untersuchungen. Es werden Maschinenkonzepte vorgestellt und untersucht, mit denen die Lage der Kugeleigendrehachse gezielt von aussen beeinflussbar ist. Zugehorige Schleifkurven sind numerisch ermittelt.

Simulationssysteme für die Anlagenplanung erfordern in den meisten Fällen einen hohen Aufwand bei der Abbildung des realen Systems in ein rechnergestütztes Modell. Im Rahmen dieses Bandes wird ein Simulationswerkzeug zur Untersuchung des zeitlichen und kapazitiven Verhaltens von flexiblen Montagesystemen erarbeitet, das in die Benutzeroberfläche eines CAD-Systems integriert ist. Zur automatischen Berechnung der Fahrstrategien von fahrerlosen Transportsystemen wird ein modifizierter Optimierungsalgorithmus entwickelt und in das Simulationssystem implementiert. Ein zusätzlich in das CAD-System eingebundener Hüllkurvengenerator gestattet es, Fahrkurse von spurgebundenen Transportsystemen graphisch auf Kollision zu überprüfen. Der praktische Einsatz des Systems wird bei der Untersuchung einer Pilotanlage zur Montage von Pkw-Türen gezeigt.

Die Aufgabenstellung der experimentellen Modalanalyse liegt in der Identifikation der Eigenschwingungsgrößen eines meßtechnisch untersuchten Objekts. Im Rahmen eines Konzepts zur Durchführung experimenteller Modalanalysen an Werkzeugmaschinen mit leicht transportierbarer Hardware wird in dieser Publikation ein Algorithmus zur Identifikation modaler Parameter anhand gemessener Übertragunsfrequenzgänge entwickelt. Das Verfahren beruht auf Näherungslösungen zur Kurvenanpassung einzelner Standardfunktionen, die - in ein Iterationsverfahren integriert - gegen die exakte Lösung des nichtlinearen Identifikationsproblems konvergieren. Das Verfahren wird mit berechneten und praktischen Beispielen getestet. Im Hinblick auf die in der Praxis oft auftretenden Nichtlinearitäten werden in diesem Zusammenhang auch die linearisierenden Eigenschaften der kausalen Hilbert-Transformation sowie Möglichkeiten zu deren Anwendung bei experimentellen Modalanalysen von nichtlinearen Objekten untersucht.

Zur Ausschopfung von Wettbewerbsvorteilen werden in zunehmendem Masse rechnergestutzte Systeme zur Auftragsabwicklung eingesetzt. Die Einzelsysteme (CAD-, CAP-, PPS- und CAM-Systeme) haben fur sich betrachtet einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Die weiteren Schritte betreffen die Integration der Einzelsysteme in informationstechnischer und ablauforganisatorischer Hinsicht. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenen Publikation, ausgehend von einer Situationsanalyse, Anforderungen an ein integriertes NC-Planungssystem definiert und ein Konzept entwickelt. Besonderes Gewicht wird dabei auf die informationstechnische Verbindung des CAD-Systems mit dem NC-Programmiersystem gelegt. Durch die Spezifikation einer besonderen Verbindungsstelle wird die Ubertragung von Geometrie- und Technologiedaten ermoglicht. Weiterer Schwerpunkt ist die Konzipierung und Entwicklung von Systematiken und Moduln, die zur Integration von Systemen in ein CIM-Konzept erforderlich sind.

In der Orthopädie spielen die geometrischen Verhältnisse des Bewegungsapparates eine große Rolle. Die Beseitigung von Fehlstellungen oder deren Auswirkungen ist häufig Anlaß orthopädischer Operationen. Diese Eingriffe werden in der Praxis anhand zweidimensionaler Röntgenaufnahmen geplant, wobei die dreidimensionalen Gegebenheiten nur schwer erfaßt werden. Ausgehend von der Analyse des Planungsproblems befaßt sich diese Publikation mit Methoden der computerunterstützten dreidimensionalen Planung derartiger Eingriffe am Beispiel der Umstellungsosteotomie des Oberschenkelknochens. Dazu wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Objektmodellen aus CT-Schichtaufnahmen dargestellt. Die Planung einer optimalen Umstellung sowie die Auswahl von Werkzeugen und Osteosynthesematerial erfolgt an diesen Modellen in einer computergraphischen Simulation des Eingriffs. Zur Operationsdurchführung wird der Einsatz einer operationsunterstützenden Maschine konzipiert. Anforderungen an ein derartiges System werden geklärt und Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für eine nicht-invasive Lagebestimmung des Operationsgebietes wird ein Sensorsystem entworfen, dessen grundlegende Funktionen realisiert werden.

Die Simulationstechnik gewinnt in unterschiedlichen Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Besonders die Bewegungssimulation entwickelt sich zu einem unerläßlichen Hilfsmittel bei der Einsatzplanung von Robotern im Industriebetrieb. Ziel dieser Publikation ist die Erstellung eines realitätsnahen graphischen Robotermodells. In der ersten Stufe werden dazu die einzelnen Aspekte der kinematischen Modellbildung behandelt. Eine Präzisierung des Bewegungs rhaltens wird in der zweiten Stufe mit der Einbeziehung der Dynamik erreicht. Hierzu wird eine Datenschnittstelle zwischen einem Programmpaket zur Berechnung der Dynamik von Mehrkörpersystemen und dem Bewegungssimulationsprogramm konzipiert und ausprogrammiert. Zuletzt wird anhand von Messungen am realen Roboter einerseits und der entsprechenden Simulationsrechnungen andererseits das Simulationsmodell verifiziert.

Die Verkurzung der Produktzyklen, die Erhohung der Variantenvielfalt und die unterschiedlichen Automatisierungsmoglichkeiten stellen eine neue Herausforderung an die Planung von Produktionssystemen dar. Anhand einer Untersuchung der Planungstatigkeiten wird gezeigt, dass heute meist Hilsmittel fehlen, Planungsprojekte strukturiert, kostenorientiert und termingerecht durchzufuhren. Ausgehend von einer kritischen Wurdigung der bisher verfugbaren Planungshilfsmittel wird ein rechnerunterstutzes Planungshilfsmittel entwickelt, das den Planer graphisch-interaktiv bei der Konzeption und Ausarbeitung von Produktionsanlagen unterstutzt, ihn von Routineaufgaben, insbesondere bei der Informationsbeschaffung und -aufbereitung entlastet, und eine abteilungs- bzw. instanzenubergreifende, termingerechte Abwicklung von Planungsprojekten sicherstellt.

Der Einsatz der Simulationstechnik zur Gestaltung von Produktionssystemen hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. In dieser Arbeit wird nach einer systemtechnischen Betrachtung zunächst auf die Planung komplexer Produktionssysteme auf der Anlagenebene eingegangen. Dabei wird die Ablaufsimulation als eine der wirkungsvollsten Methoden, um im Planungsstadium Erkenntnisse über das Verhalten einer geplanten Produktionsanlage zu gewinnen, ausführlich behandelt. Der Stand der Technik wissensbasierter Systeme und Simulationssysteme wird diskutiert. Darauf aufbauend wird ein neuartiger Ansatz einer wissensbasierten Simulationsumgebung im Konzept entworfen, der einen modularen Entwurf von Simulationsmodellen sowie die interaktive Durchführung von Simulationsstudien durch Fertigplaner ermöglicht. Die wissensbasierte Simulationsumgebung, die als System realisiert wurde, und deren Praxiseinsätze werden beschrieben. Im Ausblick wird die Integration der wissensbasierten Simulationsumgebung in einem ganzheitlichen Planungskonzept aufgezeigt.

Bei Drehmaschinen ist ein umfassender Kollisionsschutz durch die Überwachung aller Bewegungsfunktionen möglich. Die Kollisionsrechnung wird anhand eines Polyedermodells der Maschine durchgeführt. Dazu werden die Bewegungen der Maschine vom Kollisionsschutzsystem im voraus simuliert und auf Kollisionen untersucht. Die Werkzeuge und das Werkstück werden mit ihren exakten Abmessungen im Simulationsmodell abgebildet. Die Kollisionsprüfung der Maschinenkomponenten gegeneinander erfolgt in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst wird anhand der Maximalabmessungen beider Maschinenteile überprüft, ob eine Kollision möglich oder unmöglich ist. Besteht eine Kollisionsmöglichkeit, so werden die betroffenen Flächen mit einem exakten mathematischen Verfahren untersucht. Bei einer erkannten Kollision stoppt die Maschine.

Ortsbewegliche Industrieroboter stellen eine Entwicklungsstufe auf dem Weg zu autonomen, mobilen Robotern dar. In dieser Publikation werden Konzeption und Aufbau mobiler Roboter am Beispiel eines Systems mit unabhängigen Komponenten für die Transportfunktion und die Handhabungsfunktion behandelt. Das vorgestellte Konzept verzichtet ausdrücklich auf den Einsatz umfangreicher Sensorik. Ziel ist vielmehr, ein mit heute handelsüblichen Komponenten aufgebautes und industriefähiges System zu ermöglichen. Eine Gegenüberstellung der spezifischen Eigenschaften mobiler Roboter und der Anforderungen verschiedener Fertigungsaufgaben zeigt Einsatzmöglichkeiten solcher Systeme auf. Die Umsetzung des beschriebenen Konzepts sowie die Erprobung des mobilen Roboters im Rahmen verschiedener Aufgaben liefern Beispiele für die Einsatzmöglichkeiten dieser modernen Handhabungstechnik in einer industriellen Umgebung.

Neben hoher Arbeitsteilung und sequentiellen Arbeitsweisen kennzeichnet die wiederholte Grunddatengenerierung die derzeitige Situation in Konstruktion, Arbeitsplanung und NC-Programmierung. Die Bestrebungen zur rechnerintegrierten Produktion waren in der Vergangenheit wesentlich von dem Versuch geprägt, verschiedene aufgabenorientierte Hilfsmittel datentechnisch miteinander zu verbinden. Diese Publikation beschreibt einen Ansatz und ein rechnergestütztes Hilfsmittel zur Aufhebung der Arbeitsteilung im Bereich der Arbeitsplanung. Eingangsdaten für das Arbeitsplanungssystem sind beliebige 3D-CAD-Modelle. Neben dem Aufbau eines Datenmodells zur Abbildung planungsrelevanter Daten werden Methoden und Funktionen zur Benutzerunterstützung entwickelt. Wesentlicher Bestandteil dieser Methoden ist die grafisch-interaktive Erstellung von Arbeitsplänen und NC-Programmen am 3D-Werkstückmodell. Funktionen zur Visualisierung von Informationen sowie eine einheitliche Benutzeroberfläche für alle Aufgaben der Arbeitsablaufplanung werden vorgestellt.

Konzepte für flexibel automatisierte Montagesysteme können systematisiert und in modular aufgebaute Strukturen gefaßt werden. In dieser Publikation werden am Beispiel eines Produktspektrums aus der Elektromechanik und Feinwerktechnik hierzu Montagesysteme analysiert und die grundsätzlichen Zusammenhänge in der Montage hergeleitet. Das Ergebnis ist eine parametrisierte Beschreibungssystematik für Montagesysteme und Komponenten. Auf dieser Systematik lassen sich flexible Montagesysteme durch Parametervariation in allen strukturellen Ebenen aufbauen. Hieraus kann ein modulares Baukastensystem für die Montage der betrachteten Produkte entwickelt und verifiziert werden. Um die Planung derartig flexibler Systeme zu unterstützen, wird die Beschreibungssytematik in zwei Rechenprogramme eingebunden. Mit diesen Programmen sind Aussagen über Rationalisierungsschwerpunkte, den zielgerichteten Einsatz einer flexiblen Montagestruktur und deren Nutzen möglich.