Am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart wird im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft getragenen Sonderforschungsbereichs 158 "Die Montage im flexiblen Produktionsbetrieb" eine flexible, automatisierte Montagezelle zur Getriebemontage aufgebaut. Im vorliegenden Beitrag wird Aufbau und Betrieb der Montagezelle beschrieben

Heisel, Uwe

Richter, Frank

Schwock, Stefan

Willmer, Rolf

Online Publikationen der Universität Stuttgart

______ MONTAGE UND HANDHABUNG _____ _ 
Montagezelle zur 
Getriebemontage 
Am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität 
Stuttgart wird im Rahmen des von der Deutschen 
Forschungsgemeinschaft getragenen Sonderforschungs-
bereichs 158 "Die Montage im flexiblen Produktions-
betrieb" eine flexible, automatisierte Montagezelle zur 
Getriebemontage aufgebaut (Abb. 1). Im vorliegenden 
Beitrag wird Aufbau und Betrieb der Montagezelle 
beschrieben. - Von Prof. Dr. -Ing. Uwe Heisel, Dipl.-Ing., 
M. Sc. Frank Richter, Dipl.-Ing. Rolf Willmer und Dipl.-Ing. 
Stefan Schwock1) . 
Einleitung 
Seit längerer Zeit werden am IfW Kon-
struktionskonzepte und konstruktiver 
Aufbau von Komponenten und Syste-
men zur flexiblen, automatisierten Mon-
tage untersucht und weiterentwickelt. 
Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei 
in der Entwicklung und Erprobung von 
Strategien und Techniken zur automati-
sierten Montage von Normteilen und 
Getriebebaugruppen am Beispiel der 
Montage von Schneckengetrieben 
[1 , 21 . Eine in den automatisierten 
Montageablauf integrierte Meß- und 
Justagetechnik ermöglicht die Montage 
von Schneckengetrieben mit optimier-
ten Laufeigenschaften. 
Aufbau und Funktion der 
Montagezelle 
Die Montagezelle am IfW besteht im 
wesentlichen aus zwei autarken Robo-
terstationen , die durch ein Doppelgurt-
Transportband verbunden sind. An 
') Prof. Dr.-Ing. Uwe Heisel ist Leiter des Instituts 
für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart. 
Dipl.-Ing., M . Sc. Prank Richter, Dipl.-Ing . Ralf 
Willrner und Dipl.-Ing. Stefan Schwock sind wissen-
schaftliche Mitarbeiter am selben Institut. 
44 dima 3/93 
einern Eingabeplatz werden vorkommis-
sionierte Werkstückträger in die Anlage 
eingeschleust, und am Ausgabeplatz 
verlassen die fertig montierten Schnek-
kengetriebe die Montagezelle. Zwischen 
den beiden Industrierobotern vom Typ 
Manutec R15 ist ein zentrales Werk-
zeugrnagazin mit insgesamt sechs Mon-
tage- und Greifwerkzeugen angeordnet. 
An Roboterstation 1 werden sämtli-
che Meß- und Justageaufgaben durch-
geführt. Durch die berührungslose Mes-
sung der Gehäuse- und Wellengeome-
trie und die Justage der Schneckenrad-
sätze vor dem Einbau in das Gehäuse 
werden die Einstelldaten für geringes 
Axialspiel der beiden Wellen und opti-
males Tragbild des Schneckengetriebes 
ermittelt. Entsprechend diesen Einstell-
werten wird an Roboterstation 2 das 
Getriebe komplett montiert. Bei der 
Montage wird die optimale axiale Lage 
der beiden Wellen durch Verteilen von 
Paßscheiben unterschiedlicher Anzahl 
und Dicke auf die vier Lagerstellen 
eingestellt. 
Abb. 1: Montagezelle für Schneckengetriebe 
des Instituts für Werkzeugmaschinen (IfW) 
der Universität Stuttgart 
Mit der Anlage können drei Getriebe-
größen in jeweils drei unterschiedlichen 
Varianten montiert werden. Die Schnek-
kengetriebe bestehen aus neun teilwei-
se vormontierten Baugruppen oder Tei-
len, 20 Innensechskantschrauben und 
einer variablen Anzahl von Paßscheiben 
(Abb . 2). Die Masse der zu montieren-
den Teile variiert von wenigen Gramm 
(Paßscheibe) bis zu etwa 2,5 Kilogramm 
(vormontierte Schneckenradwelle). Die-
ses unterschiedliche Teilespektrum 
stellt hohe Anforderungen an die Flexi-
bilität und Vielseitigkeit der Greifwerk-
zeuge (Abb. 3). 
An der Montagestation (Roboter 2) 
werden bei der Montage eines Schnek-
kengetriebes insgesamt 44 Füge- und 
Handhabungsvorgänge durchgeführt, 
dabei wird 34 mal auf das zentrale 
Werkzeugrnagazin zugegriffen und min-
destens 24 mal auf Kleinteilemagazine. 
Die Montage des Schneckengetriebes 
erfolgt komplett auf dem Werkstück-
träger, auf dem alle zur Montage er-
forderlichen Baugruppen, bzw. Teile, in 
einer definierten Lage bereitgestellt 
werden. Für die Montage kommen die 
nachfolgend aufgeführten fünf Montage-
werkzeuge zum Einsatz: 
- Schraubwerkzeug, 
- Paßscheibengreifer, 
- Deckelgreifer mit Versatzausgleich, 
- Verzahnungsfügewerkzeug und 
- Wellengreifer. 
Das Schraubwerkzeug montiert die 
Schraubengrößen M6 und M8, die in 
zwei Parallelschienenmagazinen mit 
Vereinzelungsvorrichtung bereitgestellt 
werden. Die Abschaltung des Schrau-
berantriebs beim Erreichen des gefor-
derten Anzugsmoments wird durch eine 
Drucküberwachung in der Versorgungs-
leitung des pneumatischen Schraubers 
gewährleistet. In dem Schraubwerkzeug 
wurde eine Überwachungssensorik in-
tegriert, mit der zu jedem Zeitpunkt der 
Montage der korrekte Sitz der Schraube 
an der Spitze des Werkzeugs überprüft 
werden kann. Die Schraube wird durch 
Magnetkraft an der Spitze des Schrau-
bers gehalten. Dieses Halteprinzip er-
möglichte die schlanke Gestalt des 
Schraubwerkzeuges. Damit sind neben 
schwer zugänglichen Fügestellen auch 
versenkte Schraubenköpfe erreichbar. 
Außerdem können mit diesem Schraub-
werkzeug Schraubverbindungen wieder 
demontiert werden. 
Der Paßscheibengreifer arbeitet nach 
dem Saugprinzip und ermöglicht das 
Montieren verschiedener Paßscheiben-
größen mit Außendurchmessern zwi-
schen 40 und 80 mm und unterschied-
lichen Scheibendicken. Der Greifer 
überprüft die Anwesenheit des Werk-
stücks während des gesamten Monta-
geablaufs. 
Zum Fügen der Getriebedeckel wird 
der flexible Deckelgreifer eingesetzt. Der 
sehr große Bereich der Deckelaußen-
durchmesser bei den zu montierenden 
Getriebegrößen (zwischen 56 und 
148 mm), das Fehlen geeigneter Greif-
MONTAGE UND HANDHABUNG 
flächen und die bei unbearbeiteten 
Gußteilen auftretenden hohen Toleran-
zen erforderten eine aufwendige Grei-
ferkonstruktion mit gestuften Wirkorga-
nen und Versatzausgleich durch ein 
verriegelbares Ausgleichselement. 
Das Verzahnungsfügewerkzeug und 
der Wellengreifer dienen zum Einsetzen 
der Wellen in das Gehäuse. Das Verzah-
nungsfügewerkzeug ist zusätzlich mit 
einem passiven Ausgleichselement aus-
gestattet, um bei der angewandten 
taktilen Fügestrategie Schäden an den 
Verzahnungen zu vermeiden [1]. 
Die Greiferwechsel werden von der 
Robotersteuerung lokal überwacht, so 
daß bei Fehlern oder Kollisionen der 
Montageablauf abgebrochen wird. 
Zellensteuerung 
Der beschriebene Aufbau der Montage-
zelle zur Getriebemontage stellt hohe 
Anforderungen an die Steuerungsstruk-
tur und Konfigurierbarkeit der Zellen-
steuerung. Die unterschiedlichen Be-
triebsmittel, vom Industrieroboter über 
die verschiedenen sensorgeführten 
Greifwerkzeuge bis hin zur Teilebereit-
stellung , arbeiten mit verschiedener 
Sensorik und verfügen teilweise über 
eigenständige Stationssteuerungen. Die 
Zellensteuerung muß deshalb in der 
Lage sein , allen Bedürfnissen dieser 
Abb. 2: Einzelteile 
eines Schnecken-
getriebes 
dezentralen Steuerungen gerecht zu 
werden und diese gleichzeitig zu einer 
funktionsfähigen und kontrollierbaren 
Einheit zusammenzufassen. 
Die Zellensteuerung für die Montage-
zelle zur Getriebemontage wurde in 
enger Anlehnung an den Leitfaden 
"Steuerung von Montagezellen" des 
Verbandes Deutscher Maschinen- und 
Anlagenbau eV (VDMA) entwickelt [3J 
In der hierarchischen Steuerungsstruk-
tur werden drei Ebenen unterschieden 
(Abb. 4) 
- die Ablauf-Synchronisationsebene, 
• 
- die Kommunikationsebene und 
- die Prozeßsteuerungsebene. 
Die Ablauf -Synchronisationsebene 
wird durch den zentralen Zellenrechner 
repräsentiert. Hier werden einerseits die 
Montage- und Transportoperationen der 
untergeordneten Steuerungsbausteine 
koordiniert. Andererseits bildet diese 
Schicht die Schnittstelle zum Montage-
leitrechner, mit dem über das Protokoll 
Sinec AP (Siemens Network Architec-
ture Automation ProtocoJ) kommuniziert 
wird. 
""'--_____ MONTAGE UND HANDHABUNG'---____ --' 
Die Kommunikationsebene bildet die 
Schnittstelle zu der Prozeßsteuerungs-
ebene mit den lokalen Steuerungen der 
eingesetzten Betriebsmittel. In der IfW-
Montagezelle wird mit verschiedenen 
Robotersteuerungen (RCM2, RCM3), mit 
einem Modularen-Mehrprozessor-Steue-
rungssystem (MPST) zur Transport-
steuerung, mit der NC-Steuerung des 
Justageprüfstandes und dem speziellen 
Sensorcontroller des 3D-Triangulations-
sensors kommuniziert. Die einzelnen 
Schnittstellenprogramme arbeiten au-
tark als Teilzellenrechner und stehen 
über eine einheitliche Kommunikations-
plattform (COMMGR) mit dem zentralen 
Zellenrechner in Verbindung. 
CLAC - Programmiersprache 
zur Montageablaufsteuerung 
Zur rationellen Erstellung komplexer 
Montageablaufprogramme wurde am 
IfW die Programmiersprache zur Monta-
gezellensteuerung CLAC (Control Lan-
guage for Assembly Cells) und ein 
Programmiersystem entwickelt. Die Pro-
grammiersprache CLAC zeichnet sich 
vor allem dadurch aus, daß Ablaufpro-
gram me mit Kontrollstrukturen und 
Fehlerbehandlungsstrategien einfach 
und übersichtlich erstellt werden kön-
nen. Dabei sind die Ablaufprogramme 
unabhängig von der eingesetzten Rech-
ner-Hardware. In diesen Ablaufprogram-
men können die Betriebsmittel direkt 
über logische Namen angesprochen 
werden. Für den Programmierer ist es 
damit unerheblich, auf welchem Rech-
ner (physikalisch) die Teilzellensteue-
rung des entsprechenden Gerätes läuft. 
Durch die Verwendung von getrenn-
ten Dateien bei den Montageablaufpro-
grammen können gerätespezifische Da-
ten von allgemeinen Montageablaufda-
ten vollständig getrennt werden. Die 
Reihenfolge der Montage ist zum Bei-
spiel für alle zu montierenden Schnek-
kengetriebe gleich, während zur Mon-
tage von Kleinteilen auf das Magazin der 
jeweilig erforderlichen Teilegröße zuge-
griffen werden muß. Dies ist durch den 
Aufruf verschiedener Roboterpro-
gramme möglich. Die gerätespezifi-
schen Daten sind dagegen vom Ablauf 
unabhängig und können in verschiede-
nen Montageablaufprograrnmen ver-
wendet werden. Durch diese Trennung 
wird eine Datenredundanz weitgehend 
vermieden. Folglich wird der Aufwand 
bei Änderungen des Montageablaufs 
geringer und das Risiko von Program-
mierfehlern erheblich gesenkt. 
ProzeßübenHachung 
Alle Fügeoperationen werden durch das 
am IiW entwickelte Prozeßüberwa-
chungssystem mit Hilfe eines am Robo-
ter angebrachten 6-Achsen-Kraft-lMo-
mentensensors und der in den einzel-
nen Werkzeugen integrierten Sensorik 
überwacht. Das System zeichnet sich 
durch das Aufteilen der einzelnen funk-
tionen und Aufgaben des Überwa-
46 dima 3/93 
Montieren 
Aus/asten 
~ 
Ein/asten 
chungssystems auf verschiedene und 
eigenständige Funktionsmodule 
(Abb. 5) aus und erfüllt die wesentlich-
sten Anforderungen aus der flexiblen 
Montage, die Konfigurierbarkeit auf 
unterschiedliche Montageprozesse, die 
einfache Erweiterbarkeit und die ein-
fache Integration in das Montagesystem 
und dessen Steuerung. 
Die Aufgaben des Uberwachungsleit-
standes sind im wesentlichen die Ver-
waltung der einzelnen Einheiten, der 
Informationsaustausch mit der Zellen-
steuerung und der Prozeßüberwa-
chungsdatenbank sowie die Darstel-
lung der Prozeßdaten. In der Prozeß-
überwachungsdatenbank sind für alle 
Montageprozesse die Konfigurations-
und Parameterdaten der Überwa-
chungseinheiten abgelegt, in der Ergeb-
nisdatenbank sind alle Ergebnismeldun-
gen und deren erforderlichen Reaktio-
nen hinterlegt. 
Die wesentlichste Komponente des 
Überwachungssystems ist die Überwa-
chungseinheit. Ihre Hauptaufgabe ist 
~. -.... 
1 
~. -.... 
2 
Messen Justieren 
D 
Abb. 3: Schematische Darstellung des 
Layouts und der Teilfunktionen der 
Montagezelle 
neben dem Erfassen der Meßdaten, das 
Vergleichen mit Referenzdaten und das 
Bewerten des aktuellen Prozeßzustan-
des und gegebenenfalls das Reagieren 
und Melden. Ausgehend von diesem 
allgemeinen Ablauf wurden die für die 
Montage besonderen Aufgaben des 
Überwachungsablaufmoduls in Funk-
tionsbereiche gruppiert und für diese 
einzelne Module erstellt. Zur Anpassung 
der Überwachung an die verschiedenen 
Prozesse werden die Möglichkeiten der 
Konfiguration und der Parametrierung 
genutzt. Die Konfiguration umfaßt das 
Einstellen auf Anzahl der Meßkanäle, 
Vorverarbeitungs- und Überwachungs-
funktionen sowie die Auswahl der 
weiteren Bearbeitungsfunktionen. Sie 
ermöglicht die gezielte, sehr spezifi-
sche Anpassung der Überwachung an 
Abb. 4: Ebenen und Bausteine der 
Montagezellensteuerung 
Ablauf-
Synchron/sat/ons-
Ebene 
Kommun/kat/ons-
Ebene 
Prozess-
Ebene 
••••• _ MONTAGE UND HANDHABUNG 
eine gegebene AufgabensteIlung. Die 
Parametrierung beinhaltet das Versor-
gen der Funktionen mit gültigen Werten 
und ermöglicht das einfache Anpassen 
universell einsetzbarer Funktionen. 
Der Überwachungsleitstand erhält 
von der Zellensteuerung den Übe.rwa-
chungsauftrag für eine bestimmte Uber-
wachungseinheit mit den Montagesoll-
vorgaben. Von der Datenbank werden 
hierfür die Konfigurationsdaten angefor-
dert und an die Überwachungseinheit 
übertragen. Nach dem zurückgemelde-
ten Konfigurationsergebnis erteilt die 
Zellensteuerung dem Roboter die Frei-
gabe zur Montage und der Überwa-
chungseinheit zur Überwachung. Das 
Montageergebnis und die Prozeßdaten 
werden nach Prozeßende an den Über-
wachungsleitstand übertragen und, 
nach Aufforderung, wird das Ergebnis 
an die Zellensteuerung weitergeleitet. 
Die Vorteile, die sich aus dieser 
Struktur des Überwachungssystems 
und der Verbindung der Einzelkompo-
nenten durch ein leistungsfähiges Kom-
munikationssystem ergeben, sind die 
vereinfachte Einbindung der Überwa-
chungssysterne in die gesamte Steue-
rungsarchitektur und die einfache Er-
weiterung aufgrund definierter Schnitt-
stellen und der geringen Schnittstellen-
anzahl. 
Zusammenfassung 
Die flexible, automatisierte Montage von 
Schneckengetrieben stellt hohe Anfor-
derungen an die Flexibilität und Zuver-
lässigkeit der eingesetzten Betriebsmit-
tel. Die hohe Komplexität der Schnek-
kengetriebe und die hohe Variantenviel-
falt erfordern den Einsatz flexibler und 
multifunktionaler Greifwerkzeuge, bzw. 
Werkzeugsysteme [4] . Nicht montage-
gerecht konstruierte Werkstücke und 
unzugängliche Fügestellen stellen da-
bei den Planer und Entwickler von 
Greifwerkzeugen vor ein Konstruktions-
dilemma, da einerseits hochflexible 
Lösungen gefordert werden, anderer-
seits eine wirtschaftliche Umsetzung 
nicht mehr sinnvoll möglich ist. 
Für die Integration unterschiedlicher 
Steuerungs- und Sensortechnik werden 
flexible , ausbaubare Steuerungsstruktu-
ren benötigt. Die entwickelte modulare 
Zellensteuerung ist durch eine hardwa-
re-unabhängige Kommunikationsplatt-
form ohne großen Programrnieraufwand 
konfigurierbar und erweiterbar. Durch 
den Einsatz der speziell für die Steue-
rung von Montageabläufen entwickelten 
Programmiersprache CLAC wird der gut 
strukturierte und übersichtliche Aufbau 
der Zellensteuerung unterstützt. 
Die Zuverlässigkeit und Produktivität 
der Montagezelle zur Getriebemontage 
wird durch zusätzliche Sensorik und 
Montageablaufoptimierung weiter ver-
bessert. Zugleich werden die eingesetz-
ten Komponenten hinsichtlich ihrer 
Wirtschaftlichkeit untersucht und opti-
miert, um den wirtschaftlichen Einsatz 
Abb. 5: Konzept eines 
Überwachungs-
systems für die 
flexible Montage 
(Bildnachweis: IfW) 
l _ tIonl 
flexibler Montagekomponenten auch bei 
komplexen Produkten zu ermöglichen. 
Literatur 
11J Willmer, R. , Eichendorf, A. , Wieland, 
P : Flexible Montage von Schnek-
kengetrieben. dirna 3/92, S. 33-38. 
12J Heisel, U., Roth , G.: Flexible Montage 
von Getriebebaugruppen im Maschi-
\... _2 
j 
nenbau. dirna 10/91 , S. 48- 52. 
[3J VDMA: Steuerung von MontagezeI-
len - Leitfaden zur praxisorientierten 
Gestaltung. Arbeitsgemeinschaft 
Prozeßperipherie, 1990. 
[4J Willmer, R. : Multifunktionale Greif-
werkzeuge für die flexible Montage. 
In: Tagungsband Fertigungstechni-
sches Kolloquium Stuttgart, 1991 . 
dima 3/93 47 


Montagezelle zur Getriebemontage

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Montagezelle zur Getriebemontage

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