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The European Robot Initiative for Strengthening the Competitiveness of
SMEs in Manufacturing
SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Schnelle und intuitive Roboterprogrammierungam Beispiel Schweißen
Rainer Bischoff, KUKA Roboter GmbH
2SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Übersicht
• Einleitung– D3 Demonstratoren und Versuchsstände
– Ziele, Partner und Rollen
• Arbeitsumfeld und –prozesse– Ist-Zustand
• Entwickelte Demonstratoren und Versuchsstände– allgemeine Vorgehensweise
– Besonderheiten
• Bewertung
• Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
3SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Einleitung – Ziele, Partner und Rollen
• Prozessexperten befähigen, Roboter zu programmieren
• kürzere Programmierzeiten• einfachere Bedienung• Roboter als universelles Werkzeug für Kleinserienfertigung
• verbesserte Arbeitsbedingungen & Ergonomie
Ziele der Demonstratoren/Versuchsstände
KUKA
Zeitler, IPA
Treffler
Roboterhersteller
Systemintegrator
Endanwender
Demonstratoren/VersuchsständeSchweißen in
kleinenLosgrößen
Struktur derLieferkette(Hauptdemonstratoren)
4SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Einleitung – Demonstratoren/Versuchsstände
Heftschweißen
Anforderungenvon K.MET
Standard-Schweißroboter(bei Treffler)
Demonstrator 3C:bildbasierte Progr.,
Widerstands-schweißen für
Drahtgitterprodukte
Demonstrator 3B:Montage und Heftschweißen,
Manuelles Führen, Ablaufunterstützung
Demonstrator 3A: Bahnschweißen, manuelles Führen,
graphische Nachbearbeitung
Bahnschweißen
Anforderungenvon Treffler
Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA
Offline-Programming
Versuchsstand für On- u.Offline-Programmierung
5SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Überblick heutiges Arbeitsumfeld (Video)
6SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Umgebung
• Beispiel: metallverarbeitender Betrieb Fa. Stahl-und Maschinenbau Treffler, Pöttmes (bei Augsburg)
7SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Produkte
• ca. 800 verschiedene Produkte
• Losgröße ca. 10-100
• einige Werkstücke mit 2D CAD
• Anpassung an Kundenwünsche,besonders in der Landwirtschaft
Präzisionshackstriegelzur mechanischen Unkrautbekämpfung
8SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Prozesse
• Spektrum typischer Aufgaben– Schneiden, Bohren, Fräsen
– Schweißen
– Polieren von Schweißnähten
– Lackieren, Sprühen
– Montage
PolierenSchweißen
Schneiden
9SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Werkzeuge
• Typische Geräte und Werkzeuge
Demmeler Tisch und Anschläge
heftgeschweißte undgeklemmte Bauteile
Klemmen
Anschlägestationäre Maschinen
Schweißapparat
10SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Daten
• Zeitbedarf für die Produktion– in Notfällen: wenige Stunden
– bei kleinen Werkstücken: 1 - 2 Tage
– bei großen Werkstücken: bis zu mehreren Wochen(wegen der Materialbestellungen)
• Losgrößen– typisch: 10-50 (in einer Charge), bis zu 20 Chargen pro Jahr
– Ausnahme: sehr kleine Serien von 1-10 Stück• Landmaschinen: Losgröße 1
• Aufteilung manuelle und maschinelle Arbeit– 80 % manuelle Arbeit mit Werkzeugen (Schweißen, Entgraten, …)
– 20 % Arbeit an Maschinen (Schneiden, Fräsen, …)
11SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Heutiges Arbeitsumfeld – Kritik und Bedarfe
ZielHeuteKriterium
• Motivation und Gesundheit verbessern
• herausfordernde Arbeit mit High-Tech-Maschinen (Roboter, PCs)
• niedrig: schmutzig, ungesund, langweilig, wiederholend
• Schwierigkeiten erfahrene Schweißer zu finden
Attraktivität der Arbeit
• keine Zäune, nur Blendschutz
• Arbeiter sollen Schutzmechanismen nicht aushebeln können
• Schutz für Augen, Mund und Ohren erforderlich, aber nicht immer getragen
Sicherheit
• bessere Ergonomie zur Verbesserung des Gesundheitszustands
• (sehr) schlecht, z.B.: Heben und Handhaben von schweren und sperrigen Bauteilen, ungesunde Körperhaltungen, giftige Dämpfe
Ergonomie
• Verkürzen der Lieferz. ab Bestellung
• kundenangepasste Produktion
• begrenzt durch manuelle Prozesse
• ausreichend für Profit
Produktivität
• weitere Steigerung der Qualität
• Nachbearbeitungszeiten reduzieren
• hohe Qualität, Genauigkeit, Liefertreue
• Ehrgeiz der Arbeiter, gute Qualität zu liefern
Qualität
• noch größere Kundenorientierung
• im Wettbewerb bestehen
• Kundenorientierung
• Wettbewerb mit Niedriglohnländern
sozio-ökonomisch
12SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Inkrementeller Lösungsansatz
• Inkrementeller Ansatz– zuerst: Aufsetzen auf dem verfügbarer Stand der Technik
– danach: Verbesserung des Stands der Technik durch gezielte Hinzunahmevon Forschungsergebnissen, die in separaten Versuchsträgern heranreifen
• Vorteil des inkrementellen Ansatzes:– Fa. Treffler konnte sofort Produktionsprobleme lösen
– Erfahrungen über Probleme bei KMUs und kleinen Losgrößen aus erster Hand und Lösungsvorschläge aus der Praxis
– stufenweise Erhöhung des Wert des Demonstrators (technisch und wirtschaftlich)
– bessere Rückmeldung über Versuchsstände durch reale Anwendungen und Bauteile
• Nachteil:– hohes ökonomisches Risiko für den Fall, dass der Standardroboter völlig
ungeeignet ist (was aber nicht der Fall war)
13SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Area 1:DemmelerTisch
Bereich 2:Drehkipptisch
KR 16 L6 arc
FroniusTPS 4000
Komponenten der Treffler-Roboterzelle
14SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Aufbau und Inbetriebnahme der Roboterzelle (Dezember 2006)
Aufbau (bei ZSA) Tag 1 (Treffler) Tag 2 (Treffler)
Tag 3 (Treffler) Tag 4 (Treffler)
15SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Erste Erfahrungen mit Roboterschweißen
16SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• Akteure (in D3)– Planer (ZSA)– Inbetriebnehmer / Einrichter (ZSA)– Programmierer (= Prozessexperte)– Bediener (= eingewiesener Arbeiter)– Servicemitarbeiter (ZSA)– Ausbilder (KUKA / ZSA)
• Akteure und ihre Tätigkeiten im Lebenszyklus einer typischen Roboterzelle– Planen– Installieren / Inbetriebnehmen– Einrichten
– Programmieren / Anschläge positionieren
– Anschläge ändern
– Bedienen / Programm anpassen
– Warten– Trainieren
planner
commissioner
workeroperator
servicepersonnel
trainer
plan
install
set-up
program
operate
maintain
educate
Actors Life Cycle
Use Case Analyse
17SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Entwickelte Demonstratoren und Versuchstände
• Demonstrator 3A:Bahnschweißen, manuelles Führen, graphische Nachbearbeitung
• Demonstrator 3B(„Werkers dritte Hand“):Montage und Heftschweißen, manuelles Führen, Ablaufunterstützung
• Demonstrator 3C:Bildbasierte Programmierung
• Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA
• halb- und vollautomatische Offline-Programmierung
18SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A: Überblick
Fronius MAG
Schweißquelle
Fronius MAG
Schweißquelle
Sicherheitssystem:
KUKA SafeRobot
Technologie, Notaus,
Laserscanner
Sicherheitssystem:
KUKA SafeRobot
Technologie, Notaus,
Laserscanner
KR16, manuelle Führung über KMS
und RSI-Schnittstelle
KR16, manuelle Führung über KMS
und RSI-Schnittstelle
Handgriff mit KMS,
Zustimmschalter,
Touchup-Taste
Handgriff mit KMS,
Zustimmschalter,
Touchup-Taste
Berührungsbildschirm
mit Bedienoberfläche
Berührungsbildschirm
mit Bedienoberfläche
Drehkipptisch,
angebunden an
Programmierumgebung
Drehkipptisch,
angebunden an
Programmierumgebung
19SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A: Sicherheitskonzept
• Sicherheitskonzept nach ISO 10218
• umgesetzt mittels KUKA Sicherheitssteuerung in Kombination mit sicherer SPS
• kollaborativer Betrieb:– durch Signallampe angezeigt
– Notaustaster am Handgriff
– Zustimmschalter am Handgriff
– sicherer Betriebshalt
– sicher überwachte Geschwindigkeit < 250 mm/s
• automatischer Betrieb:– Zugangsüberwachung mit SICK Laserscanner �automatischer Nothalt beim Betreten des Arbeitsraums
Handgriff mit Zustimm-schalter und Notaus
20SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A: Programmieren
• Programmieren der Schweißbahn durch Vormachen
• Roboter wird mittels Kraft-Momentensensor (KMS) auf dem gewünschten Weg geführt
• Aufnahme von Schweißpunkten und -bahnen durch Tastendruck
• Drehkipptisch wird ebenfalls mittels KMS bewegt
� leicht zu erlernen, schnell zu programmieren
� direkte Kontrolle der Roboterpose
� Erreichbarkeit direkt sichtbar
21SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A: Pfad-Nachbearbeitung
• Nachbearbeitung über eine graphische Programmieroberfläche mit 3-D Ansicht, um z.B. Punkte, Geschwindigkeiten, Jobs zu ändern� keine Texteingaben wie beim “richtigen Programmieren”erforderlich
• aufgezeichnete und editierte Punkte werden automatisch in KRL (KUKA Robot Language) übersetzt� Stabilität des Systems und Nachbearbeitung garantiert
• KUKA ArcTech Schweißtechnologie-paket integriert� Prozessnachbearbeitung möglich
22SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A – Video
23SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3A: Testwochen bei Treffler
• Test und Optimierung bei Treffler– Zelle für zwei Wochen im Dezember und
März vor Ort aufgebaut
– Programmieren und Schweißen von Testobjekten und „richtigen“ Bauteilen durch Werker von Treffler (mit Roboterprogrammiererfahrung)
• Ergebnisse– Schweißen in guter Qualität: “Die Bauteile
können verkauft werden.”
– Schneller Lernerfolg: in <2h ist man in der Lage, Bauteile zu programmieren; auch Mitarbeiter ohne Programmiererfahrung
– bis zu 60% Zeitvorteil, abhängig von der Vorbildung des Werkers
– Nachbearbeitung braucht Zeit
24SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand –basierend auf dem KUKA Leichtbauroboter
• Schlüsseleigenschaften:– Momentensensoren und –regelung jeder Achse
– programmierbare Nachgiebigkeit,achsspezifisch und kartesisch
– aktive Dämpfung von Vibrationenbasierend auf Momentenregelung
– Redundanz (7 Achsen)
– geringes Gewicht (14 kg)
– geringe Leistungsaufnahme(funktionsbereit ab 80 W)
Typischer Industrieroboter:
Nutzlast: 14 kg
Eigengewicht: 140 kg
Leichtbauroboter:
Nutzlast: 14 kg
Eigengewicht: 14 kg
KUKA KR CDLR basic controller
25SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand –Plug and Play - Ortsflexibilität
Arbeiten vom Handwagen aus Ortsveränderung in Arbeitszelle
Hierfür realisierte Eigenschaften:
„Plug-and-Play“-Adapter und Kommunikation für Robotfuß, -hand und -werkzeuge
26SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand – Konzept
• einfache Installation des Roboters am Arbeitsplatz
• Arbeitsprozesse werden durch Vormachen programmiert
• virtuelle Führungshilfen erleichtern das präzise Anfahren von Posen
• intelligente Unterstützung des Werkers während der Produktion durch gelenkte Abläufe
27SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand – Video
28SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA
• Motivation– schnelles und intuitives Programmieren kleiner Losgrößen
• Lösungsansatz– Programmieren durch Vormachen mittels Dummy-Werkzeug
– übersichtliche Programmieroberfläche mit ausgewählten Funktionen zur Bewegungs- und Prozessprogrammierung
– wenig Nutzerinteraktion erforderlich, um Programme erzeugen und testen zu können
– kompaktes, tragbares Gerät
29SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA
Video:Online-Programmieren
mittels Zeigegerät und PDA
30SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• Erste Bewertung (nur Bewegungsprogrammierung, keine Prozessparameter, aber ein Testlauf):
7470Anzahl Punkte gesamt
49120Dauer gesamt [min]
2320Dauer Abfahren+Korrigieren [min]
26100Dauer Teachen [min]
29402940Länge Nähte [mm]
1313Anzahl Schweißnähte
4642Anzahl Schweißpunkte
2828Anzahl Luftpunkte
Zeige-gerät
KCPKriterium
Dauer teachen [min] Dauer abfahren [min] Dauer gesamt [min]
0
20
40
60
80
100
120
140
100
20
120
26 23
49
Programmierzeit [min]
���� Zeitersparnis bis zu 60%!
Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA
31SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• graphisches Programmieren einer Schweißanwendung
• Auswahl der Schweißnähte durch Anklicken der Grenzflächen
• automatische Bahngenerierung einschließlich der optimalen Positionierung von Schweißbrenner und externer Achsen(um beispielsweise das Werkstück in Wannenlage zu bringen)
Versuchsstand: Halbautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD
32SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• vollautomatisches Roboterprogrammgenerierung für eine Schweißanwendung basierend auf– automatische Nahterkennung und -klassifizierung
– Bahnerzeugung auf Basis vordefinierter Regeln und Makros
– Prozessparameter- und Regeldatenbank
Versuchsstand: Vollautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD
33SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Versuchsstand: Halbautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD
34SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3C: Partner & Rollen
KUKA
ZSA, IPA KINE
Treffler K.MET
Robothersteller
Systemintegrator
Endanwender
Demonstratoren
3A +3B:Schweißen in
kleinen Losgrößen
3C: Schweißen von
Drahtgitterprodukten
35SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten
Ziel
Vision
Heutiger
Prozess
Produkt
Roboter ersetzt Vorrichtungen und manuelles Zusammensetzen; autom. Punktschweißen
� nicht in SMErobot
Erhöhen der Produktionskapazität durch Reduktion der manuellen Arbeit und die Anzahl der Vorrichtungen (großer Aufwand bei der Herstellung der Vorrichtungen, erfahrenen Werker nicht einfach zu finden)
Automatisiertes Drahtgitterhandling und –biegen
manuelles Schweißen mit Vorrichtungenhalbautom. Schweißen und Biegemaschinen
Drahtgitter-Produkte, z.B., Postkartenhalter oder andere Regalständer für Waren und andere Kleinteile
Drahtgitter, z.B., Grillrost, Kühlschrank-Regale, Kleiderboxen
Analyse:
36SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Lösung:
• bildbasiertes Programmieren eines Robotsystems
• Werkzeug kombiniert Greifer und Schweißgerät
Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten
37SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• Demonstratoren / Versuchsstände(jeweils 30 Minuten + Fragebogen):– Demonstrator 3A � Vergleich des Standard- mit neuem Roboter– Leichtbauroboter � Präsentation der Schlüsseleigenschaften– Demonstrator 3B („Des Werkers dritte Hand“) � PdV– Zeigegerät + PDA � Online-Programmieren mit Dummy-Werkzeug– Halb- und vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren
Präsentations- und BewertungsworkshopKUKA / Treffler, 26. März, 2009
38SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• 19 Teilnehmer
• >12 ausgefüllte Fragebögen pro Exponat
• Roboter werden bereits in 5 Firmen eingesetzt
Evaluierungsworkshop – Ergebnisse
K + S Schweißfachhandel GmbH
39SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• überwiegend >100 verschiedene Produkte pro Betrieb
• Losgröße von 1 - >1000
• Bauteiltoleranzen 0,5 – 3,0 mm
• Warum werden bisher keine Roboter eingesetzt?– Roboter lassen sich schwer in Arbeitsprozess integrieren (5)
– Sonstiges (4): zu schwierig zu programmieren, kleine Losgrößen, bisher nicht daran gedacht
– Aufgaben können nicht automatisiert werden (3)
• Vorteile, die sich durch den Einsatz von Robotern ergeben:– erhöhte Produktivität (12) - verbesserte Arbeitsbeding. (7)
– erhöhte Qualität (9) - erhöhte Flexibilität (6)
– kürzere Lieferzeiten (8) - Einsparung von Personalkosten (4)
Evaluierungsworkshop – Ergebnisse
40SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
• Durchschnittsnoten für Demonstratoren und Versuchsstände Skale: sehr gut (1) – ungenügend (6)
• kein Demonstrator / Teststand ist durchgefallen
• hohe Standardabweichung: Noten 1-4 bei allen Demonstratoren und Versuchsständen
� es gibt keine Universallösung zur Minimierung der Programmier und Bedienzeiten
Evaluierungsworkshop – Ergebnisse
2,2halbautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren
2,2vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren
3,0Zeigegerät + PDA basiertes Online-Programmieren
2,3Demonstrator 3B (“Des Werkers dritte Hand”)
2,5Demonstrator 3A (manuelles Führen, graphische Nachbearb.)
41SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Gegenüberstellung der präsentierten Online-Offline Programmierverfahren
++
voll
+
nein
nein
ja
KMS-basiert
manuelles Führen
jateilweiseneinneinProzessdaten-bank benötigt
+++++-Programmier-geschwindigkeit
RinasVisual Components
KUKA Zeigegerät
Bedien-handgerät
Beispiel
neinneinja / neinjaRoboterzelle belegt
jajaneinnein3D CAD benötigt
neinteilweisevollvollInteraktivität
---+++Einfachheit
explizitesTeach-in
Zeigegerät voll-automatisch
halb-automatisch
Verfahren
42SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Zusammenfassung
• Roboterprogrammierung kann einfach sein und lohnt sich auch bei kleinen Losgrößen – normale Werker können es!
• Bauteile können in wenigen Minuten programmiert und hergestellt werden.
• Nutzen für SMEs– reduzierte Produktionskosten
– Prozessqualität von Robotern steht jetzt auch SMEs zur Verfügung
• Nutzen für Endkunden– Produkte mit höherer Qualität zu geringeren Kosten
43SMErobot Abschlussworkshop
Stuttgart, 07.-08.05.2009
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fragen?