Prüfungsvorbereitung Handhabungs- und Robotertechnik PDF

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Prüfungsvorbereitung Handhabungsund Robotertechnik Planungsstufen der Montageplanung nach Bulliger - Ablauforganisation -> Was soll geplant werden - Konzeption -> Anforderungen, Ziele, Prinziplösungen - Ablaufplanung -> Produktbezogene Montageabläufe, Basis für Systemstruktur - Montagesystementwurf -> Layoutplanung, Vorzugsvariante - Ausarbeitung -> Feinplanung, Konstruktion - Realisierung -> Aufbau, Inbetriebnahme - Betrieb -> Controlling, Kontinuierliche Verbesserungsprozesse

Ursachen für einen geringeren Automatisierungsgrad als in der Montage - Montage: Ende des Auftragsdurchlaufs, alle Termin- und Qualitätsprobleme müssen behoben werden -Hohe Produktspezifik der Montageausrüstungen: Form- und Reihenfolgenspezifik - Angebotsbreite von erprobten Modulen und Komponenten - Auftreten von Systemanbietern, welche komplette Automatisierungslösungen anbieten

Stufen der Montageautomatisierung 1) Automatisierung des Transfers der Montageeinheit 2) Automatisierung der Zuführung,, Orientierung und Vereinzelung häufiger Bauelemente in den Arbeitsraum (vor allem bei mech. Montage) 3) Automatisierung der Fügevorgängen 4) Automatisierung der Prüf- und Kontrollvorgänge 5) Automatisierung der Anbindung vor- und nachgelagerter Prozesse

Flexibilität der Montage Flexible Montagesysteme ermöglichen: Anpassung: - Produktmix/ Variantenmontage - Stückzahlschwankung - Strömungen technischer und organisatorischer Art - Produktänderungen/ Umstellungen Grad der Flexibilität: -automatisch oder manuell durchführbare Anpassung - Anpassungsgeschwindigkeit - Kosten jeder Anpassung

Hierarchische Gliederung von Montageanlagen

Tätigkeitsgruppen beim Montieren - Zubringen - Kontrollieren - Justieren - Hilfsfunktionen - Fügen

Handhabung als Teil des Materialfluss Materialfluss bewirkt: - Fördern - Speichern, Lagern - Handhaben : Speichern, Mengen verändern, Bewegen, Sichern, Kontrollieren

Bereitstell- und Zuführeinrichtungen Planung der Materialbereitstellung -> MB-Organisation, MB-Technik, MB-Abläufe

Materialfluss in 4 Ebenen: 1. Ordnung: zwischen Werk und Lieferant 2. Ordnung: zwischen Werkseinheiten 3. Ordnung: zwischen Abteilungen 4. Ordnung: von, zu und innerhalb einzelner Arbeitsplätze Materialfluss 4. Ordnung - Bauteile werden durch Bereitstelleinrichtungen und Zuführeinrichtungen:  zum richtigen Zeitpunkt  in der richtigen Qualität  in der richtigen Menge  in der richtigen Position und Orientierung für den nachfolgeden Handhabe- und/oder Fügevorgang bereitgestellt Anforderungen: 1) Anlieferungszustand 2) Handhabbarkeit der Bauteile 3) Prozessanforderungen

Technische Lösung -Speichereinrichtung --> Eingangsspeicher, Ausgangsspeicher, Störungsspeicher, Ausgleichsspeicher

Prinzipien:

Beispiele von Speichereinrichtungen Bunker- ungeordnetes Speichern  Vibrationswendelförderer  Rotorbunker  Stufenförderer/ Schöpfwertbunker

Magazine- geordnetes Speichern:  Baukastensystem  Lagesicherung

Entwirreinrichtungen Bauformen: - kontinuierliches Entwirren einer Teilmenge - diskontinuierliches Entwirren einer Gesamtmenge Entwirrungsprinzipien: - Hochwirbeln im Luftstrom - Wanderfeldentwirrer - Bürstenentwirrgerät - Schwingplattenentwirrer

Funktionseinheiten der Bauteilhandhabung - Greifer - Elektrosysteme = end of arm tooling = alle Werkzeuge die am Flansch des Roboters angebracht sind (z.B. Greifer) -stellt die Verbindung zwischen Roboter und dem Handhabungs- oder Bearbeitungsobjekt her - Beinhaltet: Aufnehmen- und oder Spannen; das Halten während des Bewegungsvorgangs; Ablegen und Entspannen

Greifkomponenten

Wirksystem (Auf einer Palette sind Wellen, was beeinflusst, wie viele Wellen auf der Palette sein können, wenn diese mit einem Greifer entlader werden soll.)

Kraftschluss und Formschluss in Abhängigkeit der Wirkrichtung

Getriebearten mechanischer Greifer Keilgetriebe, Nutengetriebe, Kulissengetriebe, Hebelgetriebe, Gewindespindelgetriebe, Räder/ -Zahnstangengetriebe, Kniehebelgetriebe

Arbeitssysteme von Greifern pneumatische Aktoren:  sehr preisgünstig  kompakter und einfacher Aufbau  Druckspeicher = einfache und dauerhafte Kraftwirkung hydraulische Aktoren:  kompakter und einfacher Aufbau  für große Kräfte  undicht und problematisch (Leckverluste)  für Kraftwirkung sind Hydraulikpumpen notwendig elektrische Aktoren:  Elektroenergie gut verfügbar  sofort betriebsbereit  sauber und leise  sehr gute Steuerbarkeit der der Position  Problem Energieausfall/ halten einer Kraft --> Bremsen oder Selbsthemmung und Federelemente notwendig Sonderformen: Piezo-Aktor; Heißdraht-Aktor; Formgedächtnislegierung

Innen- und Außengrif --> hängt von der Art der Greifkraftsicherung ab und möglichen aktiven Wirkung

Flexibilität von Greifern - Einzweckgreifer:

 entsprechend der Geometrie des Werkstückes gestaltet  nur für eine Werkstücktyp geeignet Umbaubare/Umstellbare Greifer:  kann durch Austausch der Backen oder Verstellen der Finger an andere Werkstücke angepasst werden Universelle Greifer  aufgrund selbsttätig abformender Backen oder einer großen Spannbereiches in der Lage Werkstücke unterschiedlicher Form und Abmessungen zu greifen Greiferwechselsysteme:  Automatisches Einwechseln von meist Einzweckgreifern oder Werkzeugen

Einflusskriterien bei der Greiferauswahl - Handhabungsgegenstand (Geometrische Form, Gewicht, Toleranz,...) - Handhabungsgerät (Antriebsart, Tragfähigkeit, Geschwindigkeit,...) - Entnahme/ Ablage (Art, Zugänglichkeit, Positionsgrad,...) - Fertigungsmittel ( Spannmittel, Zugänglichkeit, Eingabezeit,...)

Auslegung von Greifer nach der Greifkraft

Roboter -Einführung Definition Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Weg bzw. Winkel frei programierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungdmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/ oder Fertigungsaufgaben ausführen. Grundbegrife Handhaben - Teilfunktion des Materialflusses für Arbeitsplatznahe Vorgänge mit geo. bestimmten Körpern - das Schaffen, def. Verändern oder vorrübergehende Aufrechthalten einer vorgegeben räumlichen Anordnung von geo. bestimmten Körpern in einen Bezugskoordinatensystem Lage

- Beschreibung für Position, Orientierung oder beides Position - vektorieller Abstand zwischen dem Koordinatenursprung des körpereigenem Koordinatensystems und des Bezugskoordinatensystems Orientierung - Winkelbeziehung zwischen den Achsen der beiden Koordinatensysteme

Ziele des Robotereinsatzes - Herauslösen des Menschen aus dem Produktionsprozess (aber auch Dienstleistungsprozess) -- > aus monotonen, körperlich schweren und gesundheitsgefährdenden Tätigkeiten - Überschreite menschlicher Fähigkeiten (Geschwindigkeit/Beschleunigung, Positionier- und Bahngenauigkeit, Konstanz der Bewegung) - Erhöhung der Flexibilität bei starrer Automatisierung - Zugang zu Räumen, die der Mensch nicht erreichen kann

Einflussfaktoren der Robotikautomatisierung     

PC-Technik Unterhaltungselektronik Telekommunikation Auto-Elektronik Software

Roboter -Aufbau, Kinematik und Kenngrößen Serielle und parallel-kinematische Roboter Serielle Kinematik:

Parallele Kinematik:

- alle Achsen in Reihe bzw. nacheinander eingeordnet --> die Basis einer Achse wird jeweils durch die in der kinematischen Kette weiter vorn liegenden Achsen mit bewegt Vorteil: - sehr gutes Verhältnis von Arbeitsraum zu Kollisionsraum

- mind. 2 Achsen sind jeweils parallel angeordnet und wirken gemeinsam auf einen Kraftangriffspunkt Vorteil: - sehr hohe Steife bei gleichzeitig geringer Masse und damit Masseträgheit --> hohe Genauigkeit möglich --> große Kraftwirkung möglich --> hohe Beschleunigung möglich

Serielle kinetische Roboter Kartesischer Roboter - sehr großer Arbeitsraum möglich - Sehr steife Bauart - einfaches Steuerungskonzept - Arbeitsraum: quaderförmig Anwendungsgebiete: RGB, Messmaschine, Arbeitsraumerweiterung bei Schweißrobotern, Stapelroboter

Robotermit Zylinder Koordinaten - sehr steife Bauart - einfaches Steuerungskonzept - günstige Motoranordnung - Arbeitsraum: zylinderförmig - Anwendungsgebiete: früher Maschinenbeschickung, heute selten eingesetzt

SCARA-Roboter - translatorische Achse am Ende --> schnelle Hubbewegung, kleiner Arbeitsraum - translatorische Achse am Anfang --> große Hubbewegung - selektive Nachgiebigkeit durch die spezielle Achsanordnung - einfaches Steuerungskonzept - Anwendungsgebiete: einfache Montagevorgänge Pick-and-Place)

Vertikalknickarm/Gelenkroboter - verbreiteteste Bauart - günstiges Kollisionsverhalten - sehr gute Orientierungsverteilung möglich - Arbeitsraum: kugelförmig - Anwendungsgebiete: für alle komplexen Bewegungen bei der Montage, bei Schweißanwendungen, Auftragsprozessen

Parallel kinetische Roboter Deltaroboter - für sehr schnelle Pick-and-Place Bewegungen ( 150 Pick-and-Place Bewegungen/min) Tricept - für Bearbeitungsaufgaben (hohe Kräfte) Hexapod - für große Kräfte und Genauigkeit

Industrieroboter - Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklaturen Definierte Koordinatensysteme  Weltkoordinatensystem  Basiskoordinatensystem  Koordinatensystem der mechanischen Schnittstelle (Flansch)  Werkzeugkoordinatensystem

Wichtige festgelegte Leistungskenngrößen          

Posegenauigkeit und Posewiederholgenauigkeit in einer Richtung Schwankung der Mehrfachrichtungspose-Genauigkeit Pose-Stabilisierungszeit Pose-Überschwingen Drift von Pose-Kenngrößen Bahn-Genauigkeit und Bahn-Wiederholgenauigkeit Abweichung beim Fahren einer Ecke Kenngrößen der Bahngeschwindigkeit Mindestpositionierzeit Statische Nachgiebigkeit

Die Pose eines Roboters: Lage des TPC (Tool-Center-Point) bestimmt durch Position und Orientierung bezogen auf ein Bezugskoordinatensystem Sollpose: In einer Steuerung hinterlegte Posewerte für die angefahrene Istpose (Was ist Posegenauigkeit und was ist Posewiederholgenauigkeit?)

Roboter - Antriebe, Wegsysteme, Lageregelkreise

Antriebsarten hydraulische Antriebe --> für große Kräfte und mobile Systeme (Bau- und Forstwirtschaft) Vorteile:  hohe Leistungsdichte bei kleinen Abmessungen  Leistungsgewicht (KW/kg) um Faktor 10 höher gegenüber elektrischen Antrieben  große Kräfte möglich Nachteil:  Hydraulikaggregat sehr platzintensiv  Undichtigkeit möglich  niedriger Wirkungsgrad  fehlende Selbsthemmung  Stick-Slip-Effekte möglich  teuer

pneumatische Antriebe --> für einfache Point-to-Point Aufgaben und nichtnummerische Achsen (Greifer, modulare Achssysteme) Vorteile: preiswert, einfach, robust, geringes Gewicht, einfache Wartung, sauber, nahezu stick-slip-frei Nachteile: begrenzte Leistung, schlechte Regelbarkeit, fehlende Selbsthemmung, lastabhängige Kompression

elektrische Antriebe --> beim Großteil aller Roboter Vorteil: sehr gute Regelbarkeit, schnell startbereit, guter Wirkungsgrad, Kostengünstig, geräuscharm und sauber Nachteil: größere Baumaßnahmen bei großen Kräften

Antriebsmotoren im Vergleich

Piezoaktor --> Effekte bei verschiedenen Kristallen und Keramiken --> Prinzip: Beim Anlegen einer Spannung dehnt sich der Werkstoff aus

Vorteile von PI-Piezoaktoren:         

Sub-Nanometer-Auflösung Erzeugung großer Kräfte Ansprechzeit im Mikrosekunden-Bereich Spiel- und reibungsfrei Kein Einfluss von magnetischen Feldern minimale Leistungsaufnahme beim Positionshalten Verschleißfrei Vakuum- und reinraumkompatibel Betrieb bei kryogenen Temperaturen

Beispiele: - Piezostapelaktoren, Piezobiegeaktoren, Piezoscheraktoren, Piezolinearmotor

Kraftübertragung - Anforderungen         

geringes Verdrehspiel -hohe Steifigkeit geringe Hysterese und hoher Wirkungsgrad geringe Positionsfehler geringe Übertragungsfehler Schwingungsartmut Hohe Dynamik Betriebssicherheit und Überlastbarkeit geringes Bauvolumen spezielle Bauliche Anforderungen (z.B Hohlwellen für Durchführungen)

Produktionsmesssysteme Optisch inkremental

Optische Absolutmesssysteme

- Referenzfahrt nach Einschalten der Steuerung notwendig - durch 2 lageversetzte Abtastungen Vorwärtsund Rückwärtszählungen möglich

- opt. Messsysteme mit Codescheibe - singel-turn mit einer Codescheibe - multi-turn mehrere Codescheiben durch Getriebe übersetzt --> höhere Auflösung möglich

Roboter - Bewegungs- und Ablaufsteuerung Aufgaben einer Robotersteuerung - zielgerichtete und koordinierte Bewegung der Einzelachsen des Roboters -Aktionen gekoppelter Funktionsträger um die gewünschten Wirkungen und Wirkungsfolgen am Arbeitsgegenstand zu gewährleisten, zu kontrollieren und zu dokumentieren Unterschiedliche Anforderungen:  NC-Funktionen: Achsensteuerung  SPS-Funktionen: Peripheriesteuerung  VPS-Funktionen: Lagerregelung, Sicherheitsfunktionen  PC-Funktionen: Programmierung, Bedienung, Visualisierung

Aufgabenbereiche einer Robotersteuerung Funktionssteuerung mit Bewegungs- und Aktionssteuerung     

Koordinierte Bewegung der Roboterachsen Aktionen der gekoppelten Funktionsträger Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Systems Systemanlauf Erkennen und Anzeigen von störungen

Ablaufsteuerung: 

Abarbeitung des Anwendungsprogramms

  

Wiederanlauf nach Halt, Stopp und NOT-Aus Abarbeitungsformen im Hand- und Automatikbetrieb Auswertung von Reagieren auf Sensorinformationen

Dialogsteuerung    

Bedien- und Programmierfunktionen Datensicherung Protokollfunktionen Verarbeitung von Steuerfunktionen

Funktionsgliederung der Bewegungssteuerung

Bewegungs beinflussende Parameter         

Interpolationsart Überschleifen Koordinatentransformation weitere einstellbare Parameter sind: max. Achsengeschwindigkeit max. Achsenbeschleunigung Tool-Center-Point-Geschwindigkeit bei Point-to-Point Tool-Center-Point-Geschwindigkeit Bahninterpolation Tool-Center-Point-Beschleunigung

Interpolationsarten - Ponit-to-Point -Bahninterpolation (linear, zirkular, spline, pendeln)

Überschleifen --> für die Verundungvon Roboterbewegungsbahnen Arten: weghänge, geschwindigkeitsabhängig

Beschreibung der Orientierung Eulerwinkel -Orientierung wird durch 3 Drehwinkel beschrieben - die 3 Drehungen werden nacheinander ausgeführt - Die Drehachse ist jeweils eine Koordinatenrichtung des aktuellen Kordinatensystems

RPY-Notation

Quaternion - Ist ein Zahlensystem ähnlich der komplexen Zahlen - Vorteilhaft bezogene auf Speicherbedarf und numerische Stabilität - Definition: Jede Quaternion lässt sich eindeutig in der Form mit reellen Zahlen x0, x1, x2, x3 schreiben. Die neuen Zahlen i, j, k werden gemäß den Hamilton-Regeln multipliziert.

Elemente der Koordinaten Transformation

Probleme der Rückwärtstransformation

- mathematisch mehrdeutig - Unstetigkeitsstellen - Kinematiken mit mehreren Lösungen --> Konfiguration - singuläre Stellung - unendlich viele Lösungen (z.B zwei rotatorische Achsen in einer Flucht --> bei Anlagenplanung vermeiden oder 7-Achsroboter oder Zusatzachsen) - Achs- und Arbeitsbereichsgrenzen werden überschritten --> keine gültige Lösung (Singuläre Stellung)

Roboter - Programmierung/ Programmiersprache Bestandteile - Gestaltung der Aufgabe aus fertigungstechnischer und organisatorischer Sicht - Formulieren der Aufgabe als Steueraufgabe - Eingeben des Programms - Testen und Modifizieren des Programms

Anforderungen an die Qualifikationen des Programmierers - komplexes Wissen über Fertigungsprozess, Informationsverarbeitung, Automatisierungstechnik und Robotertechnik - Hoher Anteil formaler Aufgaben bei Programmierung - Spezifik der verschiedenen Roboterprogrammiersprachen und Programmiersysteme - Unterschiedliche Anforderungen durch Anwendungsbreite

3D-Simulation - roboterspezifisch/ roboterneutral roboterspezifisch --> Originalcontroller Vorteil: Preisgünstig, Gleiche Programmiersprache/ Abarbeitung wie im Original Anwendung: Off-line-Programmierung; Anlagenplanung für Roboter eines Herstellers

roboterneutral --> Nachgebildeter Controller --> Datenhaltungskonzept - Digitale Fabrik Vorteil: für Roboter unterschiedlicher Hersteller, eine Programmiersprache, Umfangreiche Unterstützung für Planungsaufgaben Anwendung: Anlagenplanung - Digitale Fabrik

Explizite und Implizite Programmierung --> explizit ist geräte- oder raumbezogen --> implizit ist aufgaben- oder funktionsorientiert

Anlagentypen und Programmierverfahren Anlagentyp: - Begrenzte Anzahl von Produktvariante - relativ lange Fertigung des gleichen Sortiments Bsp: Rohbau Automobilfertigung Programmierverfahren: Off-line-Programmierung für Anlagenplanung -Roboterprogrammierung: Off-line + Vor-OrtAnpassung durch Teach-In-Programmierung oder nur Teach-In-Programmierung

Anlagentyp: - Sehr viele Produktvariantenbei unverändertem Anlagenaufbau Bsp: 2D-Brennschneiden, additive Fertigung Programmierverfahren: -Nutzung spezialisierter Programmiersysteme (CAM-Systeme) - Bewegungsprogramme aus Geometriedaten abgeleitet - meist NC-Code auch für Robotersteuerung

Programmiersprachen für Industrieroboter - Programmiersprachen: Menge von Sprachelementen mit bestimmten Kombinationsregeln:  Syntax --> Regeln für zulässige Konstruktion der Sprachelemente  Semantik: Bedeutung der Elemente und ihrer Kombinationen  Pragmatik: praktische Umsetzung bzw. vom Nutzer umgesetzte Bedeutung  Mnemonik: Form der Darstellung der Elemente - Quellen von Programmiersprachen:  Roboterspezifische Programmiersprache  Hochsprache  NC-orientierte Programmiersprache

Inhalte von Roboterprogrammiersprache - Programmablaufsteuerung/ Programmstrukturierung - Datenorganisation/ -strukturierung - Datenmanipulation - Parallelverarbeitung - Robotersteuerung - Steuerung der Prozessperipherie - Sensorsignalverarbeitung - Nutzerschnittstelle

Robotereinsatzplanung Schritte der Einsatzplanung 1. Ist-Zustandsanalyse/ Einsatzmöglichkeiten --> Festlegen der Systemgrenzen; Produkt-/ Prozessanalyse; Grobbewertung 2. Konzeptphase --> Funktionsanalyse; Strukturierung/Ablauf; Systemgestaltung 3.Planungsphase --> Betriebsmittelauswahl; Ablaufplanung; Layoutplanung

Technisch-wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten von Robotern           

Orientierungszustand der Handhabungsobjekte Anzahl und Verschiedenartigkeit der Handhabungsobjekte Automatisierungsniveau der Verfahrensprozesse Notwendige Sekundärprozesse Notwendige Prüf- und Sensorfunktionen Komplexität der Bewegungsabläufe Erforderliche Positionsgenauigkeit Erforderliche Traglast Umrüsthäufigkeit/ -aufwand Zu erwartende Einsatzdauer Schichtanzahl, Amortisationsdauer

3D Simulation von Roboterzellen - Aufbau eines grafischen Modells von Handhabungs- oder Bearbeitungsobjekten, Robotersystem und Peripherie - Aufbau eines kinematischen Modells aller aktiven Maschinen --> Festlegung von Achsen, Achsentyp, Bewegungsgrenzen und kinematischen Ketten -Aufbau eines dynamischen Modells --> Festlegung der Geschwindigkeiten, Beschleunigungen sowohl achsenbezogen als auch TCP-bezogen - Aufbau eine funktionalen Modells --> Nachbildung der Steuerungsfunktionen des IR, Perpherie und angrenzender Komponenten sowie Nachbildung der Prozessfunktionen

Einsatzgebiete einer Robotersimulation    

Machbarkeitsstudien, Konzeptstudien Layoutplanung mit Arbeitsraumuntersuchung Simulation und Taktzeitbestimmung Offline-Programmierung und Inbetriebnahme (online)

Sicherheit von Industrierobotern Generelle Aspekte des Arbeitsschutz     

rechtliche Aspekte ethische Aspekte gesellschafts-/ betriebspolitische As...