Modulare Architektur eines rekonfigurierbaren robotischen Systems zur Montage von Faserverbundstrukturen

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1 Modulare Architektur eines rekonfigurierbaren robotischen Systems zur Montage von Faserverbundstrukturen Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller Lehrstuhl für Montagetechnik Stade, den

2 Gliederung 1 Produktionstechnik am Standort Aachen 2 Montagekonzepte für Großstrukturen 3 Rekonfigurierbares Handhabungssystem 4 Modulares Handhabungssystem zur Entlackung 5 Ausblick Seite 2

3 Produktionstechnik an der RWTH Aachen Werkzeugmaschinenlabor (WZL) Institut der RWTH-Aachen gegründet 1906 ca. 600 Mitarbeiter (ca. 160 wissenschaftliche Mitarbeiter) m² Bürofläche und Labore Fraunhofer Institut für Produktions- Technologie IPT Institut der Fraunhofer-Gesellschaft gegründet 1980 ca. 450 Mitarbeiter (ca. 95 wissenschaftliche Mitarbeiter) m² Bürofläche und Labore Partner-Institut in Boston/USA: CMI Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation WZL Forum Angebot von Weiterbildungsmaßnahmen und Seminaren (z.b. Executive MBA) Seite 3

4 Unsere Arbeitsschwerpunkte Prozesstechnologie Spanende und abtragende Fertigungsverfahren Lasermaterialbearbeitung Umformtechnik CAD/CAM-Technologien Werkzeug- und Präzisionsmaschinen Komponenten- und Maschinenentwicklung Steuerungs- und Automatisierungstechnik Bauteil- und Maschinenuntersuchung Montagetechnik Montagesystemtechnik und Anlagenplanung Roboter und Handhabungstechnologien Toleranzmanagement Messtechnik Taktile Messtechnik Optische Messtechnik Getriebetechnik Zahnradfertigung Getriebeberechnung und -untersuchung Management Unternehmensentwicklung Technologiemanagement Innovationsmanagement Produktionsmanagement Qualitätsmanagement Aus- und Weiterbildung Berufliche Weiterbildung Executive MBA für Technologiemanager Tagungen, Kongresse, Seminare Seite 4

5 Forschungsbereiche des Lehrstuhls für Montagetechnik Montagesystemtechnik und Anlagenplanung Roboter und Handhabungstechnologien Toleranzmanagement im Montageprozess Montageablauf- und Montageprozessplanung Auslegung von Inbetriebnahmeprozessen Modularisierung von Montagesystemen Automatisierung von Montageprozessen Rekonfigurierbare Robotersysteme Steuerung und Bahnplanung Kooperierende Roboter Toleranzmanagement in der Prozessplanungsphase Toleranzanalyse und Fehlerkompensation in Einzelprozessen Parameteridentifikation und -adaption; Prozessrückführung Aktuelle Folie Bild: Dürr Seite 5

7 Zusammenhänge in der Montage Produkt Prozesse Betriebsmittel Bild: Premium Aerotec Sektion 13/14 Bei der Systematisierung sind Abhängigkeiten zwischen dem jeweiligen Produkt, dem eigentlichen Montageprozess und den hierfür benötigten Betriebsmitteln zu beachten. Seite 7

8 Struktureller Aufbau eines Airbus A350 SSL LS US FG SSR Seite 8

9 Rückverfolgung von Key Characteristics zu den unterschiedlichen Ausbaustufen innerhalb der Montage Richtung der Rückverfolgung Ausbaustufen innerhalb der Montage Endmontage Rumpf Sektion Unterbaugruppe Einzelteil MKC Manufacturing KC Geometrie und Beschaffenheit der Einzelteile AKC Assembly KC Gewährleistung der Montagefähigkeit für die folgenden Ausbaustufen PKC Perfomance KC Identifikation von Design und Leistungsfähigkeit des Flugzeugs Quelle: Premium Aerotec PKC AKC AKC AKC MKC PKC AKC AKC MKC PKC AKC AKC MKC PKC PKC AKC AKC PKC MKC MKC MKC Seite 9

10 Heute kennzeichnen große Vorrichtungen die Flugzeugmontage Pulse-Line als getaktete Fließfertigung drei Taktwagen für die Sektionen und Teile der Bühnen Aufgabe: Zusammenbau von 3 Schalen und dem Fußbodenrost Toleranzbeispiel: Sowohl das feste Bühnenwerk als auch die Taktwagen enthalten geometriegebende Vorrichtungen Schalen sind auf wenige 0,1 mm zueinander zu positionieren (inkl. eigener Toleranzen) Die Toleranzen werden durch Vorrichtungselemente sichergestellt. Diese Elemente müssen eng toleriert und positioniert werden. Quelle: Dürr Seite 10

11 Anforderungen bei der Montage von großen Faserverbundstrukturen Im Flugzeugbau werden sowohl ein großer Arbeitsraum als auch eine relativ genaue Positionierung gefordert. Die Genauigkeit von Robotern nimmt tendenziell mit zunehmender Arbeitsraumgröße ab. Positioniergenauigkeit Bild: PI Potenzial durch Kombination mehrerer Robotersysteme Anforderungen bei der Flugzeugmontage Bild: Kuka lokal regional global Bild: Demag Arbeitsraum Durch Kombination unterschiedlicher, modularer Robotersysteme können angepasste, kostengünstige Handhabungssysteme erstellt werden. Seite 11

12 Künftig flexibilisieren modulare Handhabungssysteme den Flugzeugbau Handhabungsmodul Fügemodul Messmodul Handhabungssystem Ziel ist ein Handhabungssystem, das aus Modulen mit unterschiedlichen Funktionen zusammengesetzt werden kann. Jedes Modul ist mechatronisch aufgebaut und kann unabhängig vom Gesamtsystem hergestellt, in Betrieb genommen und eingesetzt werden. Ein modulares Handhabungssystem zur Flugzeugmontage soll mehr Flexibilität bei gleicher Genauigkeit im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen bieten. Seite 12

13 Lösungsraum eines rekonfigurierbaren Handhabungssystems Industrieroboter mit Greifer parallel Kinematik mit Greifer rekonfigurierbare Struktur Austausch der Bauteile Wechsel der Greifpunkte am Bauteil Positionsänderung der Manipulatoren Veränderung der Anzahl an Manipulatoren kooperierende Roboter = Antrieb Seite 13

14 Anforderungen an ein rekonfigurierbares Handhabungssystem bestehend aus verschiedenartigen Kinematiken Bahnplanung und Ausführung Bauteilbahn bestimmt den Weg mehrerer Greifpunkte synchrone Bewegung aller Kinematiken zwingend erforderlich Herausforderungen: synchrone Rückwärtstransformation und Bahninterpolation für jede Kinematik langsamste Einheit bestimmt Zeitintervall synchron beschleunigte Bewegung mehrfache Möglichkeit der Rekonfiguration Wechsel der Greifpunkte am Bauteil Neuanordnung der Kinematiken wechselnde Greifpunkte während des Handhabungsprozesses Austausch und Erweiterung der Kinematiken Herausforderung:??? Steuerung nicht vorbestimmter Anordnungen? Seite 14

16 Rekonfigurierbares Bauteilhandling im Mehr-Arm-Verbund starre Vorrichtung Ausgangslage in der Schalenmontage: starre oder teilverstellbare Vorrichtungen groß, schwer und speziell auf Bauteile angepasst lange Produktlebenszyklen mit überschaubarer Varianz in Baugruppen teilverstellbare Vorrichtung Bild: Premium AEROTEC GmbH programmierbare Vorrichtung Entwicklungsziel: Bild: Dürr Montage unterschiedlicher Produkte mit einem frei konfigurierbaren Handhabungssystem durchgängige mechatronische Modularisierung zur einfachen Anpassung an neue Aufgaben schnelle Inbetriebnahme durch Systemidentifikation Seite 16

17 Kompakte Handlingeinheiten ermöglichen einfache Rekonfiguration Kompakte Knickarmroboter zur regionalen Positionierung Greifen des Bauteils über eine Kugelaufnahme oder einen Vakuumgreifer Portalroboter für globale Bewegungen Voraussetzung ist ein durchgängiges modulares Steuerungskonzept für unterschiedliche Robotersysteme. Messsystem Portalroboter Kugelaufnahme Elektromagnet Kugelkopf Handlingmodule CFK- Schalen Zentralhand mit Vakuumgreifer Seite 17

18 Modulares Steuerungskonzept für koordinierte Handlinggeräte Abbildung der Handhabungsaufgabe Modellierung der Montagezelle Konfigurations- und Greifplanung Handhabungsmodul Handhabungsmodul Handhabungsmodul kinematisches Handhabungsmodul Modell kinematisches Handhabungsmodul Modell und kinematisches TransformationModell und kinematisches TransformationModell und kinematisches TransformationModell Umrichter und Transformation Antriebe Umrichter und Transformation Antriebe Umrichter Antriebe Umrichter Antriebe Umrichter Antriebe Simulation Bahnplanung für die Handhabungsmodule Messmodul Peripherie Seite 18

19 Integriertes Bahnplanungs- und Steuerungskonzept zur einfachen Programmierung PC simulationsbasierte Bahnplanung und Programmierung Optimierungsalgorithmen ext. Messsystem TCP-Bahnen/ Signale/ Modellparameter Status Koordinator Koordination der Module Sicherheitsaufgaben TCP-Bahnen/ Signale/ Modellparameter Ist-Positionen/ Status Handhabungsmodul inverse Kinematik Statusüberwachung Handhabungsmodul inverse Kinematik Statusüberwachung Daten der Systemidentifikation: Roboterbasiskoord. Modellparameter des Montagesystems Handhabungsmodul inverse Kinematik Statusüberwachung Seite 19

21 Laserbasierte Entlackung von CFK-Großstrukturen Die Erneuerung des Lacksystems von Flugzeugen ist heute eine rein manuelle Tätigkeit in staub- und chemikalien-belasteten Arbeitsumgebungen unter schweren ergonomischen Bedingungen (Über-Kopf-Arbeit etc.). Bild: aviation-friends-hamburg-forum.de Ein Konsortium aus Forschung und Industrie entwickelt ein automatisiertes System zur Effizienz- und Qualitätssteigerung in der Flugzeugentlackung auf Basis einer Laserbearbeitung. Bild: SLCR Seite 21

22 Prozessbeschreibung der laserbasierten Entlackung Automatisierung Vorbereitung der Bauteile für Inspektion und Neulackierung automatisierte Prozessdurchführung mit Robotern Laserstrahl entfernt die Schmutz- oder Deckschicht durch Verdampfen Verdampfen der Deckschicht hohe Prozessqualität selektives Entfernen des Decklacks komplettes Entlacken bis zum Substrat Reinigung von Oberflächen und Vertiefungen ohne Beschädigung der Kupfermaschen Quelle: SLCR, cleanlaser Seite 22

23 Modulares System zur Entlackung kompletter Flugzeuge Messsystem Mobile Trägersysteme decken den globalen Arbeitsbereich entlang des Flugzeugs ab. Knickarmroboter oder angepasste Kinematiken führen einen Bearbeitungskopf regional an der Flugzeugoberfläche entlang. Ein Laserbrennfleck wird über einen Spiegel auf einem Linearschlitten im Bearbeitungskopf auf der Flugzeughaut lokal positioniert (Scanning-Bewegung). parallel arbeitende Entlackungssysteme Seite 23

24 Systemarchitektur zur automatisierten Entlackung Abbildung der Entlackungsaufgabe Modellierung der Entlackungsstation Konfigurations- und Aufgabenplanung lokales Modul regionales Modul kinematisches Modell globales Modul und Transformation kinematisches Modell und Transformation kinematisches Modell Umrichter Antriebe und Transformation Umrichter Antriebe Umrichter Antriebe Simulation Bahnplanung Messmodul Peripherie Seite 24

26 Modulare Robotersysteme als künftige Produktionstechnologie für große FVK-Strukturen Aktuelle Produktionstechnik ist an ihren technischen und wirtschaftlichen Grenzen Neues Produktdesign und angepasste Produktionstechnik optimieren die Materialausnutzung und reduzieren den Produktionsaufwand Koordinierte, mobile Einheiten bilden als Module die Basis für ein hocheffizient arbeitendes, rekonfigurierbares Handhabungssystem Modulare Architektur ermöglicht Dezentralisierung, Arbeitsteilung und Parallelisierung Seite 26

27 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Tel: 0241/ Fax: 0241/ Mail: Web: