Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen (3D-MID)

Die kontinuierliche Verbesserung bestehender Produktionsabläufe kann die langfristige Sicherung von Marktpositionen in dem durch zunehmenden Wettbewerb und anhaltenden Preisverfall charakterisierten Umfeld der Elektronikproduktion allein nicht gewährleisten. Ergänzend müssen die Rationalisierungspotentiale durch Einsatz neuer Technologien ausgeschöpft werden. Die mit wachsendem Interesse verfolgte Technologie der räumlichen elektronischen Baugruppen (3D- MID) kann für ein wirtschaftlich bedeutendes Anwendungsspektrum durch die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Verbesserung der Wettbewerbssituation leisten. Das prognostizierte starke Marktwachstum der räumlichen Schaltungsträger wird zur Zeit noch durch fehlende Lösungen zum wirtschaftlichen Aufbau dreidimensionaler elektronischer Baugruppen geprägt. Ziel dieser Dissertation ist es daher, Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen zu entwickeln, um die Voraussetzung für die vollständige Nutzung der beachtlichen Rationalisierungspotentiale dieser Technologie zu schaffen. Aus aktuellen Marktprognosen zur weiteren Entwicklung der räumlichen Baugruppen und einer systematischen Analyse der erforderlichen Funktionen wurden die Zielgrößen für die Montagesysteme und die prozeßrelevanten Eigenschaften der Fügepartner definiert. Darauf aufbauend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Prozeßführung des Pastenauftrags und der Bestückung unter den neuen Randbedingungen durchgeführt und dokumentiert. Die Bestückung räumlicher Baugruppen erfordert im allgemeinen die Handhabung der Fügepartner in sechs Freiheitsgraden, wobei die aus der Flachbaugruppenfertigung bekannten hohen Anforderungen an Mengenleistung und Präzision berücksichtigt werden müssen. In einer systematischen Analyse möglicher Kinematiken wurde die Verteilung der erforderlichen Freiheitsgrade auf getrennte Handhabungssysteme für Bauelemente und Schaltungsträger als diejenige Möglichkeit bestimmt, die unter Beachtung aller Randbedingungen die beste Erfüllung der konträren Ziele gewährleistet. Die anschließende Optimierung dieses Grundkonzepts führte zu einer Lösung, die eine dreiachsige Manipulation der Schaltungsträger im Arbeitsraum ermöglicht und die Fügebewegung der oberflächenmontierbaren Bauelemente mit zwei, voneinander unabhängigen, Bestückungswerkzeugen realisiert. In umfangreichen experimentellen Analysen wurden die Einsatzpotentiale marktverfügbarer Bestückungs- und Robotersysteme bestimmt. Dabei wurde die Prognose der kinematischen Analyse bestätigt, daß sich hierdurch nur suboptimale Lösungen, mit jeweils spezifischen Stärken, realisieren lassen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Ansätze zur modularen Erweiterung von Hard- und Software existierender Bestückungsautomaten aufgezeigt und experimentell verifiziert. Das realisierte System bietet eine kostengünstige Möglichkeit, räumliche Baugruppen mittlerer geometrischer Komplexität zu bestücken. Um die noch bestehenden Grenzen zu erweitern, wurde mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden ein Bestückungssystem für räumliche Baugruppen nach dem oben genannten Konzept entwickelt. Mit der prototypisch realisierten Versuchszelle lassen sich Baugruppen mit bis zu 150 mm Wandhöhe bei beliebig geneigten Prozeßflächen auch bei begrenzter Länge der Fügenormalen mit hoher Mengenleistung und Präzision bestücken. Dazu werden die Prozeßflächen der Schaltungsträger mit einer aus zwei kardanisch gelagerten Rahmen bestehenden Handhabungseinrichtung in die Horizontale geschwenkt und über eine integrierte Hubachse auf die optimale Bestückungshöhe positioniert. Zur weitgehenden Elimination der prozeßbedingten Nebenzeiten für Aufnahme, Zentrierung und Test der elektronischen Bauelemente arbeiten die beiden unabhängigen Bestückungswerkzeuge alternierend. Dabei ist der eine Bestückungskopf als vierachsiges Präzisionswerkzeug ausgelegt, um die Möglichkeit zur präzisen Bestückung auch hochpoliger Bauelemente bereitzustellen. Der andere verfügt über zusätzliche Freiheitsgrade, um auch Schaltungsträger mit begrenzter Länge der Fügenormalen bestücken zu können. Die Bestückung wird von einer Steuerung mit drei Prozessoren und integrierter Kollisionsvermeidung koordiniert und kann komfortabel über eine CAD/CAM Verfahrenskette mit standardisierten Schnittstellen programmiert werden. Die entwickelte Kinematik wurde, unter Beachtung der prozeßspezifischen Randbedingungen, auch an den Einsatz in einem System zum sequentiellen Auftrag von Verbindungsmedien in räumliche Baugruppen angepaßt und deren Einsatzmöglichkeit in einer Versuchszelle experimentell nachgewiesen. Damit ist die Grundlage für weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Verbindungstechnik in räumlichen Baugruppen geschaffen. Die komplexen Interdependenzen der prozeßbezogenen Kenngrößen erfordern eine ganzheitliche Optimierung der Gestaltung räumlicher Baugruppen. Mit der Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien unter den besonderen Aspekten der Prozeßschritte Pastenauftrag und Bestücken wurde zum Abschluß dieser Arbeit ein Beitrag für einen integrierten Ansatz zur systematischen Erarbeitung der funktionsund kostenoptimalen Gestaltung räumlicher Baugruppen geleistet, der in einer weiterführenden Arbeit entwickelt wird.The continuous improvement of existing production processes cannot guarantee the long-term securing of market positions in the environment of electronic production, which is characterized by increasing competition and a continuing drop in prices. In addition, the rationalization potential must be exploited through the use of new technologies. The technology of spatial electronic assemblies (3D-MID), which is being followed with increasing interest, can make a significant contribution to the sustainable improvement of the competitive situation for an economically significant range of applications by integrating mechanical and electronic functions. The forecasted strong market growth of the spatial circuit carriers is currently characterized by the lack of solutions for the economical construction of three-dimensional electronic assemblies. The aim of this thesis is therefore to develop processes and systems for the assembly of spatial electronic assemblies in order to create the prerequisites for the full exploitation of the considerable rationalization potential of this technology. The target values for the assembly systems and the process-relevant properties of the joining partners were defined from current market forecasts for the further development of the spatial assemblies and a systematic analysis of the required functions. Building on this, extensive experimental investigations into the process management of the paste application and the assembly under the new boundary conditions were carried out and documented. The assembly of spatial assemblies generally requires the joining partners to be handled in six degrees of freedom, whereby the high demands on volume output and precision known from the manufacture of flat assemblies must be taken into account. In a systematic analysis of possible kinematics, the distribution of the required degrees of freedom on separate handling systems for components and circuit carriers was determined as the option that ensures the best fulfillment of the conflicting goals, taking all boundary conditions into account. The subsequent optimization of this basic concept led to a solution that enables a three-axis manipulation of the circuit carriers in the work area and realizes the joining movement of the surface-mountable components with two, independent, assembly tools. Extensive experimental analyzes were carried out to determine the application potential of available assembly and robot systems. The forecast of the kinematic analysis was confirmed that only suboptimal solutions, each with specific strengths, can be realized. Based on these findings, approaches for modular expansion of hardware and software of existing automatic placement machines were shown and experimentally verified. The implemented system offers a cost-effective way to assemble spatial assemblies of medium geometric complexity. In order to expand the still existing limits, an assembly system for spatial assemblies based on the concept mentioned above was developed using engineering methods. The prototype test cell can be used to assemble modules with a wall height of up to 150 mm with any inclined process area, even with limited length of the joining standards, with high volume output and precision. For this purpose, the process surfaces of the circuit carriers are pivoted into the horizontal using a handling device consisting of two gimbal-mounted frames and positioned at the optimum assembly height via an integrated lifting axis. The two independent assembly tools work alternately to largely eliminate the process-related idle times for picking up, centering and testing the electronic components. One of the assembly heads is designed as a four-axis precision tool to provide the option of precisely assembling even multi-pole components. The other has additional degrees of freedom in order to also be able to equip circuit carriers with a limited length of the joining standards. The assembly is coordinated by a controller with three processors and integrated collision avoidance and can be conveniently programmed using a CAD / CAM process chain with standardized interfaces. The kinematics developed was adapted to use in a system for the sequential application of connecting media in spatial assemblies, taking into account the process-specific boundary conditions, and their possible application in an experimental cell was demonstrated experimentally. This creates the basis for further work on optimizing the connection technology in spatial assemblies. The complex interdependencies of the process-related parameters require a holistic optimization of the design of spatial assemblies. With the development of design guidelines under the special aspects of the process steps of paste application and assembly, a contribution was made to the conclusion of this work for an integrated approach to the systematic development of the functionally and cost-optimal design of spatial assemblies, which will be developed in a further work

Analyse und Optimierung von Montagesystemen in der Elektronikproduktion

Im Rahmen dieser Dissertation werden ausgehend von Bauelemente- und Schaltungsträgertechnologien der Maschinenaufbau, die Steuerung und vor allem die Störeinflüsse auf die Maschinenfähigkeit von Bestückungssystemen in einem ganzheitlichen Ansatz systematisch untersucht. Die dabei gewonnenen Ergebnisse leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Sicherung der Maschinenleistung von Bestückungssystemen unter Berücksichtigung technologischer Randbedingungen, um eine wirtschaftlichere Verarbeitung innovativer Bauelementformen zu ermöglichen.In the context of this dissertation, the machine structure, the control and, above all, the interferences with the machine capability of assembly systems are systematically examined in a holistic approach based on component and circuit carrier technologies. The results obtained contribute to the further development and safeguarding of the machine performance of assembly systems, taking technological boundary conditions into account, in order to enable more economical processing of innovative component shapes

Computerassistierte Präzisionschirurgie am Ohr

Chirurgische Eingriffe am Ohr stellen aufgrund der komplexen Anatomie und der Grössenverhältnisse der beteiligten anatomischen Strukturen eine Herausforderung für den HNO-Chirurgen dar. In diesem Beitrag wird ein Ansatz für die roboterbasierte Navigation zur Hörgeräteimplantation vorgestellt. Insbesondere wird auf die Möglichkeit des Fräsens von Implantatlagern im Felsenbein eingegangen. Je präziser ein Implantat im Schädel verankert werden kann, desto einfacher ist der chirurgischen Ablauf. Weiterhin, profitieren Patienten von verkürzten Operationszeiten und weniger schmerzhaften Eingriffe

Computer-Assisted Precision Surgery in the Ear

Chirurgische Eingriffe am Ohr stellen aufgrund der komplexen Anatomie und der Grössenverhältnisse der beteiligten anatomischen Strukturen eine Herausforderung für den HNO-Chirurgen dar. In diesem Beitrag wird ein Ansatz für die roboterbasierte Navigation zur Hörgeräteimplantation vorgestellt. Insbesondere wird auf die Möglichkeit des Fräsens von Implantatlagern im Felsenbein eingegangen. Je präziser ein Implantat im Schädel verankert werden kann, desto einfacher ist der chirurgischen Ablauf. Weiterhin, profitieren Patienten von verkürzten Operationszeiten und weniger schmerzhaften Eingriffen.Traditional surgical procedures involving the implantation of artificial hearing devices in the inner ear are challenging due to the size and complexity of anatomical structures within the temporal bone. To date, no stereotactic instrument guidance technology providing the necessary levels of accuracy is available. This work presents an approach to robot assisted implantation of hearing devices. Specifically, the robot system was used to milla cavity to for a direct acoustical stimulation implant. As the precision of such cavities increases, so also can future implant generations improve in terms of size, complexity and cost effectiveness. Additionally, patients themselves would profit from shorter procedure times and less painful interventions

Integriertes Automatisierungskonzept für den flexiblen Materialfluß in der Elektronikproduktion

Die Senkung der Kosten, insbesondere der Lohnkosten, durch weitere Automatisierung und die Sicherung einer optimalen Produktqualität mit Hilfe weiterer Rechnerunterstützung im Produktionsmanagement, sind die wesentlichen Aufgaben zur Festigung des Produktionsstandortes Deutschland. Der Schlüsseltechnologie Elektronik kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Dies zeigt sich in einer weiterhin zunehmenden Elektronifizierung im Automobil- und Maschinenbau und auch in neuen Absatzmärkten für innovative Produkte der Telekommunikation. Trotz eines hohen Automatisierungsgrades des eigentlichen Prozesses, der Bestückung von Leiterplatten, fehlte bisher eine Lösung zur logistischen Integration der hochautomatisierten Bestücklinien in ein gesamtheitliches Automatisierungskonzept. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Materialflußsystems zur automatisierten Ver- und Entsorgung der Elektronikproduktion. Hierzu wurden im Vorfeld am Markt verfügbare Transportsysteme anhand der spezifischen Anforderungen der Elektronikproduktion untersucht. Als Ergebnis bleibt festzuhalten, daß die meisten der derzeit verfügbaren automatisierten Transportmittel ihre vorrangige Anwendung im Maschinenbau und der Automobilproduktion finden. Hier bestehende Lösungen wurden lediglich an die Randbedingungen der Leiterplattenbestückung adaptiert, wobei eine integrative Vernetzung zwischen Produktionsprozess und Produktionslogistik fehlt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen und der Leitlinie Vereinfachen-Automatisieren- Integrieren folgend, wurden Überlegungen zur automatisierungsgerechten Materialflußgestaltung angestellt. Die Optimierung der Wertschöpfung bildet hier die zentrale Zielsetzung der Betrachtung. Um den wesentlichen Faktor Durchlaufzeit in der Wertzuwachskurve weiter zu reduzieren wurde eine Unterstützung der Materialbewirtschaftung konzipiert. Die Bildung eines virtuellen Puffers, der physisch als eine Einheit vorliegt, welchen datentechnisch jedoch jede Produktionslinie als ihren eigenen Puffer einbinden kann, unterstützt die Minimierung der Durchlaufzeit und die Flexibilitätsanforderungen hinsichtlich der Auftragsreihenfolge. Die konzeptionellen Überlegungen resultieren in einem Anforderungsprofil für die Mobile Handhabungseinheit. Das daraus realisierte Transportsystem basiert auf einem Elektrohängebahnsystem. Das Trägerfahrzeug wurde um ein lagegeregeltes Antriebsmodul und eine Scherenhubachse zur Handhabung der Transporthilfsmittel erweitert. Die realisierte Antriebs- und Steuerungslösung bildet die Grundlage für ein flexibles, intelligentes und hochdynamisches Transportmittel. Der Handhabungseinheit verleiht es eine hohe Positioniergenauigkeit zur direkten Maschinenbedienung. Ergänzt wird das Konzept durch ein Materialflußleitsystem: Den Kern des Materialflußleitsystems bildet eine Datenbank, in der Informationen über die vorhandenen Transportsysteme, Produktionsstrukturen und Auftragsspektren abgelegt sind. Des weiteren dient sie zur Erfassung und Auswertung der logistischen Betriebsdaten. Schwerpunktmäßig wurde bei der Entwicklung der Module darauf geachtet, eine unternehmensweite Kommunikation, insbesondere auch mit den mobilen Subsystemen, zu realisieren. Die bereitgestellte logistische Datenbasis erlaubt die Erweiterung des Leitstandsbegriffes um die Komponenten "Planung und Optimierung" und "Controlling”. Mit Hilfe dieser Module ist über die kurzfristige Reaktion hinaus auch die mittelfristige und strategische Optimierung der Produktion erreichbar. Dem Produktionsfaktor "Information” kommt hierbei eine wesentliche Bedeutung zu. Die Information stellt zum einen das verbindene Medium zwischen den Bereichen und zum anderen die Basis zur Synchronisation dar. Die Implementierung von modularen und flexiblen Softwaresystemen ist die Basis für eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit von Automatisierungslösungen. In der Logistik muß hier der Schwerpunkt insbesondere im Bereich der dispositiven Datenverarbeitung liegen. Bei der Umsetzung des Materialflußkonzeptes in der Modellfabrik des Institutes bestätigte sich die Erfordernis einer ganzheitlichen Betrachtung der Produktion bei Logistikprojekten. Zur Schaffung einer durchgängig automatisierten Transportkette wurden die Schnittstellenkomponenten in den Produktionsablauf mit eingebunden. Es mußte jedoch festgestellt werden, daß eine Vielzahl peripherer Komponenten in ihren lokalen Ablaufzyklen ungenügend auf ein übergreifendes Konzept abgestimmt sind und Schnittstellen zur Integration der Peripherie oftmals fehlen. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse der Mobilen Handhabungseinheit ergab ein optimales Einsatzspektrum im Bereich mittlerer Transportmengen (bis ca. 60 THM/h) und kurzer Transportentfernungen (bis ca. 300 m). In diesem Bereich, in welchem die Handhabungsfunktion überwiegt, läßt sich das volle Ratiopotential durch die Materialflußautomatisierung erschließen. Durch den ganzheitlichen Systemverbund ist hiermit ein erfolgreicher Automatisierungsansatz vorgezeichnet. Mit dem in der vorliegenden Arbeit gewählten Ansatz wurde das Ziel eines durchgängig automatisierten Produktionsdurchiaufes erreicht. Zukünftige Arbeiten müssen ergänzend dazu den Bereich der Systemperipherie erschließen: Zur weiteren Optimierung des Betriebsmitteleiensatzes sind konkrete Lösungsvorschläge für eine Standardisierung der Materialbereitstellung zu entwickeln. Ziel muß dabei die Vision einer flexibel automatisierten Rüstung der Bestücklinien sein. Gerade im Bereich der Schnittstellengestaltung der Materialbereitstellung ist Entwicklungsbedarf zu sehen. Insbesondere die Einbindung der Schnittstellen in einen kontinuierlichen Produktionsablauf erfordert eine flexible Ablaufprogrammierung sowie offene Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den Systemen. Einen letzten Schwerpunkt weiterer Forschungsaktivitäten stellt die betriebsbegleitende Simulation dar. Mit ihrem Einsatz ist es möglich die kontinuierliche Optimierung der Produktionsstrukturen zu unterstützen und einen optimalen Produktionsablauf zu gestalten.Lowering costs, especially wage costs, through further automation and ensuring optimal product quality with the help of additional computer support in production management are the main tasks for consolidating Germany as a production location. The key electronics technology is of particular importance here. This can be seen in the increasing electronification in automotive and mechanical engineering and also in new sales markets for innovative telecommunications products. Despite a high degree of automation of the actual process, the assembly of printed circuit boards, a solution for logistically integrating the highly automated assembly lines into a holistic automation concept has so far been lacking. The aim of the present work was the development of a material flow system for the automated supply and disposal of electronics production. For this purpose, transport systems available on the market were examined beforehand based on the specific requirements of electronics production. As a result, it can be said that most of the automated means of transport currently available are primarily used in mechanical engineering and automobile production. Existing solutions were only adapted to the boundary conditions of the PCB assembly, whereby there is no integrative network between the production process and production logistics. Building on this knowledge and following the guideline Simplify-Automate-Integrate, considerations were made regarding the automation-compatible material flow design. The optimization of the added value forms the central objective of the consideration. In order to further reduce the essential factor throughput time in the growth curve, a support for material management was designed. The formation of a virtual buffer, which is physically available as a unit, but which each production line can incorporate in terms of data technology as its own buffer, supports the minimization of throughput time and the flexibility requirements regarding the order sequence. The conceptual considerations result in a requirement profile for the mobile handling unit. The resulting transport system is based on an electric monorail system. The carrier vehicle was expanded to include a position-controlled drive module and a scissor lift axis for handling the transport aids. The implemented drive and control solution forms the basis for a flexible, intelligent and highly dynamic means of transport. The handling unit gives it a high positioning accuracy for direct machine operation. The concept is supplemented by a material flow control system: The core of the material flow control system is a database in which information about the existing transport systems, production structures and order spectra is stored. It is also used to record and evaluate the logistical operating data. When developing the modules, special attention was paid to implementing company-wide communication, especially with the mobile subsystems. The logistical database provided enables the concept of a control center to be expanded to include the components "planning and optimization" and "controlling." With the help of these modules, the medium-term and strategic optimization of production can be achieved in addition to the short-term response. The production factor "Information" is of crucial importance here. On the one hand, the information represents the connecting medium between the areas and on the other hand the basis for synchronization. The implementation of modular and flexible software systems is the basis for a further increase in the performance of automation solutions. In logistics, the focus must be on the area of planning data processing. The implementation of the material flow concept in the model factory of the institute confirmed the need for a holistic view of production in logistics projects. To create a fully automated transport chain, the interface components were integrated into the production process. However, it had to be ascertained that a large number of peripheral components in their local execution cycles are insufficiently coordinated with a comprehensive concept and interfaces for the integration of the periphery are often missing. The economic analysis of the mobile handling unit showed an optimal range of applications in the area of medium transport quantities (up to approx. 60 THM / h) and short transport distances (up to approx. 300 m). In this area, in which the handling function predominates, the full ratio potential can be tapped through the material flow automation. Thanks to the holistic system network, a successful automation approach is hereby sketched out. With the approach chosen in the present work, the goal of a fully automated production run was achieved. Future work must also open up the area of system peripherals: In order to further optimize the resource set, specific solutions for standardizing the material supply must be developed. The goal must be the vision of flexibly automated armament of the assembly lines. There is a need for development, particularly in the area of interface design for material provision. In particular, the integration of the interfaces in a continuous production process requires flexible process programming and open interfaces for communication between the systems. The last focus of further research activities is in-house simulation. With its use it is possible to support the continuous optimization of the production structures and to design an optimal production process

Rührreibschweißen mit einem Industrieroboter unter Berücksichtigung der Einsatzkriterien für die automobile Großserienfertigung

The joining method "friction stir welding" allows production of reproducible high-quality welded joints of different aluminum alloys. This thesis shows that special machines and machine tools are preferably used because of high process forces being at work during the process of production. However, the use of standard industrial robots for friction stir welding as a more cost-effective and more flexible alternative is favored in large-scale automotive production. In the present thesis, performance characteristics of an industrial robot are first analyzed without processing forces. In this context, pose repeatability and path repeatability of industrial robots are quantified for different reference paths in the plane. In this context, it is noted that the robot satisfies the accuracy requirements of the welding process. However, when analyzing the interactions between the process and the robot structure, it becomes clear that the working accuracy of the industrial robot is significantly influenced by the resulting process forces during friction stir welding; without "reteaching" or offline correction of the programmed reference path, the mechanical properties of the welded joint are negatively affected by the lack of the industrial robots working accuracy. During the analysis, it can be demonstrated that the displacement of the tool not only depends on the resulting process forces, but is also significantly influenced by the direction of the vector of the path velocity during path welding. Within the analysis of the static and dynamic system properties of the industrial robot, it is shown that the nonlinear stiffnesses of the robot structure depend significantly on the joint positions and the loading direction. Based on the findings of the system analysis, a model-based offline path correction, that takes considers static compliances and interactions between process and industrial robot, will be developed.Das Fügeverfahren „Rührreibschweißen“ ermöglicht die Herstellung reproduzierbar hochwertiger Schweißverbindungen. Aufgrund der sehr hohen Prozesskräfte werden in der Produktion vorzugsweise Sonder- und Werkzeugmaschinen eingesetzt. In der automobilen Großserienfertigung wird jedoch der Einsatz von Standard-Industrierobotern für das Rührreibschweißen als kostengünstigere und flexiblere Alternative favorisiert. Im Rahmen der Arbeit werden die Leistungskenngrößen des Industrieroboters zunächst ohne Bearbeitungskräfte analysiert. In diesem Zusammenhang werden die Pose- und Bahn-Wiederholgenauigkeit des Industrieroboters an unterschiedlichen Referenzbahnen in der Ebene quantifiziert. Hier ist festzustellen, dass der Roboter den Genauigkeitsanforderungen des Schweißverfahrens genügt. Bei der Analyse der Wechselwirkungen zwischen Prozess und Roboterstruktur wird jedoch deutlich, dass die Arbeitsgenauigkeit des Industrieroboters durch die resultierenden Prozesskräfte beim Rührreib-schweißen signifikant beeinflusst wird; ohne ein „Nachteachen“ oder eine Offline-Korrektur der programmierten Soll-Bahn werden die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung durch die mangelnde Arbeitsgenauigkeit des Industrieroboters negativ beeinflusst. Bei der Analyse kann nachgewiesen werden, dass die Abdrängung des Werkzeugs nicht nur von den resultierenden Prozesskräften abhängt, sondern auch signifikant durch die Richtung des Vektors der Bahngeschwindigkeit beim Bahnschweißen beeinflusst wird. Bei der Analyse der statischen und dynamischen Systemeigenschaften des Roboters wird gezeigt, dass die nichtlinearen Steifigkeiten der Roboterstruktur maßgeblich von den Gelenkstellungen und der Belastungsrichtung abhängen. Aus den Erkenntnissen der Systemanalyse wird eine modellbasierte Offline-Bahnkorrektur, die Nachgiebigkeiten und Wechselwirkungen zwischen Prozess und Roboter berücksichtigt, entwickelt

Robotereinsatz in der werkstattorientierten Fertigung

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Entwicklung eines Verfahrensablaufes zur Herstellung von Batteriezellstapeln mit großformatigem, rechteckigem Stapelformat und kontinuierlichen Materialbahnen

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in der Automobilindustrie und die Realisierung der Energiewende erfordern leistungsfähige Energiespeicher. Hierfür weisen elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Li-Ionen Batterien, großes Potential auf. Eine zentrale Herausforderung bei der Herstellung von großformatigen Li-Ionen Batteriezellen ist die Stapelbildung, die wechselnde Anordnung von Anode, Separator und Kathode. Die Stapelbildung hat maßgeblichen Einfluss auf die realisierbaren Stapeldesigns und damit auf die Eigenschaften einer Batteriezelle. Ein Batteriezellstapel, welcher mit gestapelten Einzelblättern aufgebaut ist, weist die besten Eigenschaften derzeitiger großformatiger Batteriezellen auf. Nachteilig ist bei diesem Stapeldesign jedoch, dass die kontinuierlichen Ausgangsmaterialbahnen zu Einzelblättern konfektioniert werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Stapeldesign konzipiert, welches die positiven Eigenschaften einer einzelblattgestapelten Zelle aufweist und gleichzeitig aus kontinuierlichen Materialbahnen besteht, sodass eine maximale Elektrodenflächenausnutzung der Materialbahnen erzielt werden kann und keine Konfektionierung der Elektrodenflächen erforderlich ist. Kern dieser Arbeit ist die Erarbeitung eines Verfahrensablaufes für die Herstellung des Stapeldesigns. Zunächst werden die wesentlichen Anforderungen an Stapeldesign und Stapelbildung abgeleitet. Basierend auf dieser Analyse erfolgt die Konzeptionierung eines neuen Stapeldesigns. Anschließend wird ein geeigneter Produktionsablauf zur Herstellung des konzipierten Stapeldesigns entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Materialbahnformung um 180°. Für diese werden die erforderlichen Materialbahnverläufe definiert und notwendige Werkzeugkomponenten abgeleitet

Beitrag zur automatisierten Demontage durch Optimierung des Trennprozesses von Schraubenverbindungen

Die Forderung nach Schonung der Ressourcen und Verringern der Abfallmengen führt zu einer Abkehr von der reinen Abfallbeseitigung hin zu einer Kreislaufwirtschaft. Damit stellt sich zunehmend auch die Herausforderung, Altprodukte in einer möglichst wirtschaftlichen Form zu recyceln. Wegen der nicht gegebenen gezielten Schadstoffseparierung sonstiger Techniken zur Wertstofftrennung wird es durch eine vorgeschaltete Demontage erst möglich, hochwertige Stoffkreisläufe zu schließen und drohende Umweltbelastungen zu reduzieren. Untersuchungen in den heutigen Rückbauzentren zeigen eine hohe physische Belastung der Werker sowie eingeschränkte manuelle Demontageleistung infolge der unzureichenden Ar-beitsbedingungen und des geringen Mechanisierungsgrades.Der Handlungsbedarf im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Demontage ist daher evi-dent. Die kostenaufwändige manuelle Demontage führt zu Überlegungen, durch flexible Ro-boter die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.Das vorliegende Buch leistet hier einen wichtigen Beitrag zur Schaffung wissenschaftlicher Grundlagen und zur Einführung wirtschaftlicher Lösungen für die flexible Automatisierung der Demontage.Es werden die Probleme der Demontageautomatisierung aufgezeigt und Optimierungsansätze innerhalb einer realisierten automatischen Demontagezelle analysiert. Das größte Potential hinsichtlich Prozesszeit und Prozesssicherheit liegt dabei in der Optimierung des Trennens von Schraubenverbindungen. Hierfür werden unterschiedliche Demontagestrategien bewertet. Auf Basis der Analyse von Schraubverbindungen und der Trennprozesse erfolgt die morpho-logische Konzipierung eines Trennwerkzeuges mit Ausgleichsmodul für Schraubverbindun-gen.Der realisierte Prototyp zeigt innerhalb verschiedener Versuchsreihen die Erfüllung des An-forderungsprofils hinsichtlich der Reduzierung der Prozesszeiten und der Verbesserung der Prozesssicherheit

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production