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EFB-Forschungsbericht Nr. 345

Kostenoptimiertes robotergestütztes Stanznieten von Großstrukturen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Alexander Zych, Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik, Rostock - Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Füssel, Dr.-Ing. Dietmar Süße, Dipl.-Ing. Jörg Dudda, Dipl.-Ing. Sebastian Müller, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik, Professur Fügetechnik und Montage, Technische Universität Dresden

160 Seiten (sw, 126 teils farbige Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-383-7

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Zur Schaffung der Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Einsatz des Stanznietens im Bereich von Großstrukturen mit geringen Stückzahlen wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Produktionskonzept entwickelt. Um geringe Anlagenkosten zu gewährleisten, sollen zur Handhabung des Nietwerkzeugs Standardindustrieroboter zum Einsatz kommen. Die großen Abmessungen der Bauteile und geringen Stückzahlen erforderten dabei die Entwicklung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Roboterprogrammierung. Des Weiteren bedingte die begrenzte Tragkraft von Robotern die Entwicklung eines gewichtsoptimierten C-Rahmens zur Positionierung der Nietwerkzeuge und Aufnahme der Fügekräfte.

Bestehende Verfahren zur Roboterprogrammierung setzen in der Regel auf eine Offline-Programmierung. Im Bereich geringer Stückzahlen ergibt sich durch den notwendigen Pro-grammieraufwand oft ein ungünstiges Verhältnis von Programmierzeit zu Programmlaufzeit, die Programmierung ist unwirtschaftlich. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Roboterprogrammierung in den Produktionsablauf integriert ist.
Die Programmierung erfolgt dabei automatisch auf Grundlage von 3D-Sensordaten des aktuellen Bauteils, welche durch einen 3D-Sensor im Vorfeld der Bearbeitung durch die Roboter ermittelt werden.
Wesentliche Komponenten sind dabei die Verfahren zur 3D-Datenverabeitung, einer graphische Benutzeroberfläche zur Kontrolle der automatisch ermittelten Geometriedaten sowie ein Postprozessor zur Umwandlung dieser Daten in ein anlagenspezifisches Roboterprogramm.

Ausgehend vom Stand der Technik wurde als Konstruktionsprinzip des C-Rahmens das Prinzip der definierten Verformungscharakteristik der C-Rahmen-Struktur gewählt, so dass die für das Stanznieten hohen Anforderungen an den Winkel- und Lateralversatz der Stanznietwerkzeuge bei geringem Gewicht des C-Rahmens eingehalten werden können. Zur Vermeidung des hohen Optimierungsaufwands bei der Entwicklung entsprechender C-Rahmen-Konstruktionen wurde ein innovatives Optimierungsverfahren entwickelt, das unter Variation von nur einer Variablen zu einem Zielergebnis kommt, ohne dabei die Struktur des C-Rahmens zu verändern. Ausgehend vom Stand der Technik wurde ein C-Rahmen konstruiert und den Anforderungen hinsichtlich Rachentiefe und -weite angepasst.

Die Realisierung einer konkreten Anwendung zum Einsatz des Stanznietens im Bereich von Großstrukturen erfordert die Entwicklung eines Gesamtkonzepts der Produktionsanlage unter Integration der einzelnen, entwickelten Systemkomponenten. Vor allem die Integration des Vorgangs der Bilderfassung in die Produktionsabläufe bietet großen Gestaltungsspielraum und hat großen Einfluss auf die Produktivität der Anlage.

Der Nachweis der Prozesstauglichkeit des entwickelten Systems zum kostenoptimierten robotergestützten Stanznieten von Großstrukturen erfolgte auf Grundlage der CAD-Daten eines Musterbauteils. Dazu wurden die einzelnen Systemkomponenten rechentechnisch abgebildet und anhand dieser Komponenten der Ablauf der Produktion untersucht.

Durch das im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte Verfahren zur sensorbasierten Roboterprogrammierung sowie das Verfahren zur Konstruktion eines C-Rahmens mit definierter Verformungscharakteristik wurden die notwendigen Voraussetzungen zum wirtschaftlichen Einsatz des Stanznietens im Bereich von Großstrukturen geschaffen. Bei Realisierung einer konkreten Anwendung ist es notwendig, ein grundsätzliches Anlagenkonzept auszuwählen. Die einzelnen Systemkomponenten, insbesondere das 3D-Sensorsystem und das Konzept der Werkstückpositionierung und -fixierung, sind dabei an die jeweilige Anwendung anzupassen.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben "Kostenoptimiertes robotergestütztes Stanznieten von Großstrukturen" wurde unter der Fördernummer AiF 16289BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 345 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Cost-optimized robot-based punch riveting of large structures

The aim of the research project was to develop a production concept that creates general preconditions for cost-efficient application of punch riveting in the area of large structures with small batch sizes. Therefore standard industrial robots for handling the riveting tools are to be used to ensure small plant cost. The large dimensions of production parts and small batch sizes require the development of a cost-efficient robot programming method. Furthermore, limited robot loading capacity requires development of a weight-optimized C-frame for positioning of riveting tools and absorption of joining forces.

Commonly used robot programming method is offline programming. In the area of small bath sizes off-line programming regularly leads to a bad relation of programming time to processing time, programming becomes uneconomically. Therefore a new robot programming method was developed, which integrates programming in the production process. Programming takes place automatically based on 3D sensor data of the current part. For this purpose sensor data is determined by a 3D sensor prior to robot processing. Major components of the developed programming method are 3D data processing procedures, a graphical user interface for controlling automatically determined geometric data and a post-processor for converting geometric data into a plant-specific robot program.

Based on the current state of technology the C-frame design principle of defined deforma-tion with aligned die and setter was selected, which ensures that the high demands of punch riveting on angular deformation and lateral displacement combined with low weight can be met. To reduce the high optimization effort of aligned C-frame design an innovative optimization principle was developed, that reaches goal by changing a single variable without changing the C-frame structure. Based on that development a C-frame was designed that fulfills the requirements in terms of weight and dimensions.

Realization of a specific punch riveting application in the field of large structures requires the design of an overall production plant concept with integration of the individual components, which have been developed. Especially the integration of image acquisition in the production process offers considerable freedom of design and has large influence on plant productivity.

The proof of production process capability of the developed system for cost-optimized punch riveting of large structures was carried out on the basis of CAD data of a sample part. Therefore individual components were modeled by means of computational simulation. Simulation model was used to analyze and evaluate the production processes.

By developing the sensor based robot programming method and the innovative design tech-nique for C-frames with defined deformation characteristic necessary preconditions for cost-efficient application of punch riveting in the area of large structures were created. Implementing a specific application requires selection of an adequate fundamental plant concept. In this process the individual components, especially the 3D sensor system and the concept for work piece handling and fixing, have to be adapted to the actual application.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung des Forschungsvorhabens
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Verfahren zur Roboterprogrammierung
2.1.1 Online-Programmierverfahren
2.1.2 Offline-Programmierverfahren
2.1.3 Online-Programmierung mit Hilfe von Sensordaten
2.1.4 Entwicklungsdefizite der bestehenden Programmierverfahren
2.2 3D-Bilderfassung und 3D-Bildverarbeitung
2.2.1 Überblick zu 3D-Bilderfassungssensoren
2.2.2 Verfahren zur 3D-Bildverarbeitung
2.3 C-Rahmen
2.3.1 Grundlagen des Stanznietens
2.3.2 Konstruktionsprinzipien von C-Rahmen
2.3.3 Grundlagen der Strukturoptimierung
2.3.4 Grundlagen der Computersimulation
3 Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Roboterprogrammierung
3.1 Datenverarbeitung
3.1.1 Registrierung
3.1.2 Segmentierung der Sensordaten
3.1.3 Ermittlung der Profilparameter und der Nietpunkte
3.2 Graphische Benutzeroberfläche
3.2.1 Visualisierung der Profile und Nietpunkte
3.2.2 Erstellung und Manipulation von Profilen und Nietpunkten
3.2.3 Steuerung der Roboterprogrammerstellung
3.2.4 Verwaltung von Systemparametern
3.2.5 Verwaltung von Roboterprogrammen
3.3 Postprozessor
3.3.1 Ermittlung einer optimierten Bearbeitungsreihenfolge
3.3.2 Bahnplanung
3.3.3 Kollisionsuntersuchung
4 Entwicklung eines gewichtsoptimierten C-Rahmens
4.1 Ermittlung der Randbedingungen für die Entwicklung des C-Rahmens
4.1.1 Winkel- und Lateralversatz
4.1.2 Masse
4.1.3 Form und Größe
4.1.4 Werkstoff
4.1.5 Herstellbarkeit
4.2 Erstellung eines Lösungsprinzips
4.2.1 Bewertung der vorhandenen C-Rahmen-Konzepte
4.2.2 Änderungsbedarf am Aligned-C-Frame (ACF)
4.2.3 Optimierung der Verformungscharakteristik
4.2.4 Erstellung eines Prinzipmodells
4.2.5 Skalierung des C-Rahmens
4.2.6 Überprüfung der Ergebnisse
5 Entwicklung von Anlagenkonzepten
5.1 Sensorsystem
5.1.1 3D-Sensor
5.1.2 Sensorpositioniereinrichtung
5.1.3 Kalibrierung des Sensorsystems
5.2 Werkstückträger- und Spannkonzept
5.3 Anlagenkonzepte
6 Nachweis der Prozesstauglichkeit
6.1 Anlagenkonzept
6.2 Sensordatenverarbeitung
6.3 Postprozessor
6.4 C-Rahmen
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang