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EFB-Forschungsbericht Nr. 544

Robotergestütztes manuelles mechanisches Fügen

efb-544

Verfasser:
M. Sc. Frederik Schmatz, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - M. Sc. Stefan Neumann, Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

110 Seiten (sw, 47 teils farbige Abb., 21 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-601-2

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 77,00

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Fehlererkennbarkeit manueller Setz-prozesse durch den Einsatz eines kollaborierenden Roboters und zusätzlicher Sensorik untersucht. Hierzu wurde eine intuitive Handführung, durch die Entwicklung einer Handführungseinrichtung und eines entsprechenden Algorithmus, entwickelt.

Diese Art der Bedienung wurde durch eine Ergonomiebewertung für verschiedene Anwendungsfälle gestützt. Im Weiteren wurden produktionsbedingte Setzprozessfehler nachgestellt und die Fehlererkennbarkeit der internen Prozessüberwachung der manuellen Fügesysteme ermittelt. Nachfolgend konnte die Fehlererkennbarkeit des Gesamtsystems, bestehend aus einem Handsetzgerät, einem Kraft-Momenten-Sensor und einem kollaborierenden Roboter optimiert werden.

Die Fehlererkennbarkeit konnte so beim Clinchen und Blindnieten deutlich gesteigert werden. Mittels der Auswertung der TCP-Daten (Tool Center Point) des Roboters war eine Fehlerklassifizierung für das Clinchen möglich. Beim Blindnieten war dies aufgrund der im Vergleich zum Clinchen kleineren Prozesskräfte und einem dynamischen Fügevorgang sowie durch eine mangelnde Messauflösung nicht möglich.

Abschließend führte die Entwicklung einer Fehlervermeidungsstrategie durch die Programmierung von Ablauf- und Bewegungsalgorithmen des Roboters dazu, dass Setzprozessfehler bereits vor dem Prozess detektiert und ausgebessert werden konnten

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Robotergestütztes manuelles mechanisches Fügen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20058BG über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 544 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the scope of this research project, the error detectability of manual setting processes was investigated by using a collaborating robot and additional sensor technology. For this purpose, an intuitive hand guidance was developed by developing a hand guidance device and a corresponding algorithm.

This kind of operation was supported by an ergonomic evaluation for different application cases. In addition, production-related setting process errors were simulated and the error detectability of the internal process monitoring of the manual joining systems was deter-mined. Subsequently, the error detectability of the entire system, consisting of a manual setting device, a force-torque sensor and a collaborating robot, was optimized.

The error detectability could thus be significantly increased for clinching and blind riveting. By evaluating the TCP data (Tool Center Point) of the robot, an error classification for clinching was possible. For blind riveting, this was not possible due to the smaller process forces and a dynamic joining process compared to clinching, as well as a lack of measurement resolution.

Finally, the development of an error avoidance strategy by programming the robot's se-quence and movement algorithms led to the detection and correction of setting process errors before the process.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügetechnologie
2.1.1 Clinchen
2.1.2 Blindnieten
2.2 Mensch-Roboter-Kollaboration
2.2.1 Kollaborierende Fügeprozesse
2.2.2 Fügeprozessoptimierung durch den Einsatz von Leichtbaurobotern
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.1.1 EN AW-6016 (AlSi1,4Mg04)
3.1.2 Mikrolegierter Feinkornstahl HC340LA
3.2 Versuchsanlagen
3.2.1 Blindniet-Handsetzgerät TAURUS 4
3.2.2 Handclinchzange ULBG-452
4 Analyse der Steuerungsmöglichkeiten kollaborierender Systeme (Fh-IGP)
4.1 Steuerungsarten bei Industrierobotern
4.2 Betrachtung von Robotern für eine Mensch-Roboter-Kollaboration
4.3 Betrachtung ergänzender Kraft-Momenten-Sensoren
5 Entwicklung eines seriennahen Fehlerkatalogs für das Blindnieten und Clinchen (LWF)
6 Konzept eines ergonomischen Robotersystems (Fh-IGP)
6.1 Gestaltung der Handführung
6.1.1 Handführungseinrichtung
6.1.2 Sensorbasierte Steuerung
6.2 Einbindung der mechanischen Fügewerkzeuge
6.2.1 Steuerung der Fügewerkzeuge
6.3 Schnittstelle zur Erfassung roboterinhärenter Daten
6.3.1 Dashboard- und RTDE-Schnittstelle
6.4 Versuchsaufbau zur Evaluierung
6.4.1 Aufbau
6.4.2 Programmablauf
7 Konzeptentwicklung zur Fehlerabbildung und Datenauswertung (LWF)
7.1 Datenauswertung der internen Setzprozessüberwachung
7.2 Datenauswertung des kombinierten Roboter-Setzgerätesystems
8 Steuerung des kombinierten Roboter-Setzgerätsystems (FH-IGP)
9 Ergonomiebewertung (FH-IGP)
9.1 Blindnieten
9.2 Clinchen
10 Anpassung des Robotersystems zur automatisierten Fehlerbehebung
10.1 Konzepte zur automatisierten Fehlerbehebung
10.1.1 Kontaktherstellung zwischen Werkzeugen und Fügeteilen
10.1.2 Erkennung von Schiefstellungen anhand von Momenten
10.1.3 Messung der Klemmlänge
10.1.4 Gesamtkonzept
10.2 Umsetzung der automatisierten Fehlerbehebung
10.3 Risikobeurteilung
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literaturverzeichnis
13 Anhang