Übersicht. Entwickelte Demonstratoren und Versuchsstände. Bewertung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

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1 The European Robot Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing Schnelle und intuitive Roboterprogrammierung am Beispiel Schweißen Rainer Bischoff, KUKA Roboter GmbH

2 Einleitung Übersicht D3 Demonstratoren und Versuchsstände Ziele, Partner und Rollen Arbeitsumfeld und prozesse Ist-Zustand Entwickelte Demonstratoren und Versuchsstände allgemeine Vorgehensweise Besonderheiten Bewertung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 2

3 Einleitung Ziele, Partner und Rollen Ziele der Demonstratoren/ Versuchsstände Prozessexperten befähigen, Roboter zu programmieren kürzere Programmierzeiten einfachere Bedienung Roboter als universelles Werkzeug für Kleinserienfertigung verbesserte Arbeitsbedingungen & Ergonomie Struktur der Lieferkette (Hauptdemonstratoren) Roboterhersteller Systemintegrator KUKA Zeitler, IPA Endanwender Treffler Demonstratoren/Versuchsstände Schweißen in kleinen Losgrößen 3

4 Einleitung Demonstratoren/Versuchsstände Bahnschweißen Demonstrator 3A: Bahnschweißen, manuelles Führen, graphische Nachbearbeitung Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA Heftschweißen Anforderungen von Treffler Standard- Schweißroboter (bei Treffler) Demonstrator 3B: Montage und Heftschweißen, Manuelles Führen, Ablaufunterstützung Versuchsstand für On- u. Offline-Programmierung Demonstrator 3C: bildbasierte Progr., Widerstandsschweißen für Drahtgitterprodukte Anforderungen von K.MET Offline-Programming 4

5 Überblick heutiges Arbeitsumfeld (Video) 5

6 Heutiges Arbeitsumfeld Umgebung Beispiel: metallverarbeitender Betrieb Fa. Stahlund Maschinenbau Treffler, Pöttmes (bei Augsburg) 6

7 Heutiges Arbeitsumfeld Produkte ca. 800 verschiedene Produkte Losgröße ca einige Werkstücke mit 2D CAD Anpassung an Kundenwünsche, besonders in der Landwirtschaft Präzisionshackstriegel zur mechanischen Unkrautbekämpfung 7

8 Heutiges Arbeitsumfeld Prozesse Spektrum typischer Aufgaben Schneiden, Bohren, Fräsen Schweißen Polieren von Schweißnähten Lackieren, Sprühen Montage Schneiden Schweißen Polieren 8

9 Heutiges Arbeitsumfeld Werkzeuge Typische Geräte und Werkzeuge Schweißapparat Demmeler Tisch und Anschläge Klemmen stationäre Maschinen heftgeschweißte und geklemmte Bauteile Anschläge 9

10 Heutiges Arbeitsumfeld Daten Zeitbedarf für die Produktion in Notfällen: wenige Stunden bei kleinen Werkstücken: 1-2 Tage bei großen Werkstücken: bis zu mehreren Wochen (wegen der Materialbestellungen) Losgrößen typisch: (in einer Charge), bis zu 20 Chargen pro Jahr Ausnahme: sehr kleine Serien von 1-10 Stück Landmaschinen: Losgröße 1 Aufteilung manuelle und maschinelle Arbeit 80 % manuelle Arbeit mit Werkzeugen (Schweißen, Entgraten, ) 20 % Arbeit an Maschinen (Schneiden, Fräsen, ) 10

11 Heutiges Arbeitsumfeld Kritik und Bedarfe Kriterium sozioökonomisch Qualität Produktivität Attraktivität der Arbeit Sicherheit Ergonomie Heute Kundenorientierung Wettbewerb mit Niedriglohnländern hohe Qualität, Genauigkeit, Liefertreue Ehrgeiz der Arbeiter, gute Qualität zu liefern begrenzt durch manuelle Prozesse ausreichend für Profit niedrig: schmutzig, ungesund, langweilig, wiederholend Schwierigkeiten erfahrene Schweißer zu finden Schutz für Augen, Mund und Ohren erforderlich, aber nicht immer getragen (sehr) schlecht, z.b.: Heben und Handhaben von schweren und sperrigen Bauteilen, ungesunde Körperhaltungen, giftige Dämpfe Ziel noch größere Kundenorientierung im Wettbewerb bestehen weitere Steigerung der Qualität Nachbearbeitungszeiten reduzieren Verkürzen der Lieferz. ab Bestellung kundenangepasste Produktion Motivation und Gesundheit verbessern herausfordernde Arbeit mit High- Tech-Maschinen (Roboter, PCs) keine Zäune, nur Blendschutz Arbeiter sollen Schutzmechanismen nicht aushebeln können bessere Ergonomie zur Verbesserung des Gesundheitszustands 11

12 Inkrementeller Lösungsansatz Inkrementeller Ansatz zuerst: Aufsetzen auf dem verfügbarer Stand der Technik danach: Verbesserung des Stands der Technik durch gezielte Hinzunahme von Forschungsergebnissen, die in separaten Versuchsträgern heranreifen Vorteil des inkrementellen Ansatzes: Fa. Treffler konnte sofort Produktionsprobleme lösen Erfahrungen über Probleme bei KMUs und kleinen Losgrößen aus erster Hand und Lösungsvorschläge aus der Praxis stufenweise Erhöhung des Wert des Demonstrators (technisch und wirtschaftlich) bessere Rückmeldung über Versuchsstände durch reale Anwendungen und Bauteile Nachteil: hohes ökonomisches Risiko für den Fall, dass der Standardroboter völlig ungeeignet ist (was aber nicht der Fall war) 12

13 Komponenten der Treffler-Roboterzelle Fronius TPS 4000 KR 16 L6 arc Area 1: Demmeler Tisch Bereich 2: Drehkipptisch 13

14 Aufbau und Inbetriebnahme der Roboterzelle (Dezember 2006) Aufbau (bei ZSA) Tag 1 (Treffler) Tag 2 (Treffler) Tag 3 (Treffler) Tag 4 (Treffler) 14

15 Erste Erfahrungen mit Roboterschweißen 15

16 Use Case Analyse Akteure (in D3) Planer (ZSA) Inbetriebnehmer / Einrichter (ZSA) Programmierer (= Prozessexperte) Bediener (= eingewiesener Arbeiter) Servicemitarbeiter (ZSA) Ausbilder (KUKA / ZSA) Akteure und ihre Tätigkeiten im Lebenszyklus einer typischen Roboterzelle Planen Installieren / Inbetriebnehmen Einrichten Programmieren / Anschläge positionieren Anschläge ändern Bedienen / Programm anpassen Warten Trainieren Actors planner commissioner worker operator service personnel trainer Life Cycle plan install set-up program operate maintain educate 16

17 Entwickelte Demonstratoren und Versuchstände Demonstrator 3A: Bahnschweißen, manuelles Führen, graphische Nachbearbeitung Demonstrator 3B ( Werkers dritte Hand ): Montage und Heftschweißen, manuelles Führen, Ablaufunterstützung Demonstrator 3C: Bildbasierte Programmierung Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA halb- und vollautomatische Offline-Programmierung 17

18 Demonstrator 3A: Überblick Handgriff mit KMS, Zustimmschalter, Touchup-Taste Fronius MAG Schweißquelle Berührungsbildschirm mit Bedienoberfläche Sicherheitssystem: KUKA SafeRobot Technologie, Notaus, Laserscanner KR16, manuelle Führung über KMS und RSI-Schnittstelle Drehkipptisch, angebunden an Programmierumgebung 18

19 Demonstrator 3A: Sicherheitskonzept Sicherheitskonzept nach ISO umgesetzt mittels KUKA Sicherheitssteuerung in Kombination mit sicherer SPS kollaborativer Betrieb: durch Signallampe angezeigt Notaustaster am Handgriff Zustimmschalter am Handgriff sicherer Betriebshalt sicher überwachte Geschwindigkeit < 250 mm/s Handgriff mit Zustimmschalter und Notaus automatischer Betrieb: Zugangsüberwachung mit SICK Laserscanner automatischer Nothalt beim Betreten des Arbeitsraums 19

20 Demonstrator 3A: Programmieren Programmieren der Schweißbahn durch Vormachen Roboter wird mittels Kraft- Momentensensor (KMS) auf dem gewünschten Weg geführt Aufnahme von Schweißpunkten und -bahnen durch Tastendruck Drehkipptisch wird ebenfalls mittels KMS bewegt leicht zu erlernen, schnell zu programmieren direkte Kontrolle der Roboterpose Erreichbarkeit direkt sichtbar 20

21 Demonstrator 3A: Pfad-Nachbearbeitung Nachbearbeitung über eine graphische Programmieroberfläche mit 3-D Ansicht, um z.b. Punkte, Geschwindigkeiten, Jobs zu ändern keine Texteingaben wie beim richtigen Programmieren erforderlich aufgezeichnete und editierte Punkte werden automatisch in KRL (KUKA Robot Language) übersetzt Stabilität des Systems und Nachbearbeitung garantiert KUKA ArcTech Schweißtechnologiepaket integriert Prozessnachbearbeitung möglich 21

22 Demonstrator 3A Video 22

23 Demonstrator 3A: Testwochen bei Treffler Test und Optimierung bei Treffler Zelle für zwei Wochen im Dezember und März vor Ort aufgebaut Programmieren und Schweißen von Testobjekten und richtigen Bauteilen durch Werker von Treffler (mit Roboterprogrammiererfahrung) Ergebnisse Schweißen in guter Qualität: Die Bauteile können verkauft werden. Schneller Lernerfolg: in <2h ist man in der Lage, Bauteile zu programmieren; auch Mitarbeiter ohne Programmiererfahrung bis zu 60% Zeitvorteil, abhängig von der Vorbildung des Werkers Nachbearbeitung braucht Zeit 23

24 Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand basierend auf dem KUKA Leichtbauroboter Schlüsseleigenschaften: Momentensensoren und regelung jeder Achse programmierbare Nachgiebigkeit, achsspezifisch und kartesisch aktive Dämpfung von Vibrationen basierend auf Momentenregelung Redundanz (7 Achsen) geringes Gewicht (14 kg) geringe Leistungsaufnahme (funktionsbereit ab 80 W) Typischer Industrieroboter: Nutzlast: 14 kg Eigengewicht: 140 kg Leichtbauroboter: Nutzlast: 14 kg Eigengewicht: 14 kg DLR basic controller KUKA KR C 24

25 Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand Plug and Play - Ortsflexibilität Arbeiten vom Handwagen aus Ortsveränderung in Arbeitszelle Hierfür realisierte Eigenschaften: Plug-and-Play -Adapter und Kommunikation für Robotfuß, -hand und -werkzeuge 25

26 Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand Konzept einfache Installation des Roboters am Arbeitsplatz Arbeitsprozesse werden durch Vormachen programmiert virtuelle Führungshilfen erleichtern das präzise Anfahren von Posen intelligente Unterstützung des Werkers während der Produktion durch gelenkte Abläufe 26

27 Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand Video 27

28 Motivation Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA schnelles und intuitives Programmieren kleiner Losgrößen Lösungsansatz Programmieren durch Vormachen mittels Dummy-Werkzeug übersichtliche Programmieroberfläche mit ausgewählten Funktionen zur Bewegungs- und Prozessprogrammierung wenig Nutzerinteraktion erforderlich, um Programme erzeugen und testen zu können kompaktes, tragbares Gerät 28

29 Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA Video: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA 29

30 Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA Erste Bewertung (nur Bewegungsprogrammierung, keine Prozessparameter, aber ein Testlauf): Kriterium KCP Zeigegerät Programmierzeit [min] Anzahl Luftpunkte Anzahl Schweißpunkte Anzahl Schweißnähte Länge Nähte [mm] Dauer Teachen [min] Dauer Abfahren+Korrigieren [min] Dauer gesamt [min] Anzahl Punkte gesamt Dauer teachen [min] Dauer abfahren [min] Dauer gesamt [min] Zeitersparnis bis zu 60%! 30

31 Versuchsstand: Halbautomatisches Offline- Programmieren mittels 3D CAD graphisches Programmieren einer Schweißanwendung Auswahl der Schweißnähte durch Anklicken der Grenzflächen automatische Bahngenerierung einschließlich der optimalen Positionierung von Schweißbrenner und externer Achsen (um beispielsweise das Werkstück in Wannenlage zu bringen) 31

32 Versuchsstand: Vollautomatisches Offline- Programmieren mittels 3D CAD vollautomatisches Roboterprogrammgenerierung für eine Schweißanwendung basierend auf automatische Nahterkennung und -klassifizierung Bahnerzeugung auf Basis vordefinierter Regeln und Makros Prozessparameter- und Regeldatenbank 32

33 Versuchsstand: Halbautomatisches Offline- Programmieren mittels 3D CAD 33

34 Demonstrator 3C: Partner & Rollen Robothersteller KUKA Systemintegrator ZSA, IPA KINE Endanwender Treffler K.MET Demonstratoren 3A +3B: Schweißen in kleinen Losgrößen 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten 34

35 Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten Analyse: Produkt Heutiger Prozess Vision Ziel Drahtgitter, z.b., Grillrost, Kühlschrank- Regale, Kleiderboxen halbautom. Schweißen und Biegemaschinen Automatisiertes Drahtgitterhandling und biegen nicht in SMErobot Drahtgitter-Produkte, z.b., Postkartenhalter oder andere Regalständer für Waren und andere Kleinteile manuelles Schweißen mit Vorrichtungen Erhöhen der Produktionskapazität durch Reduktion der manuellen Arbeit und die Anzahl der Vorrichtungen (großer Aufwand bei der Herstellung der Vorrichtungen, erfahrenen Werker nicht einfach zu finden) Roboter ersetzt Vorrichtungen und manuelles Zusammensetzen; autom. Punktschweißen 35

36 Lösung: Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten bildbasiertes Programmieren eines Robotsystems Werkzeug kombiniert Greifer und Schweißgerät 36

37 Präsentations- und Bewertungsworkshop KUKA / Treffler, 26. März, 2009 Demonstratoren / Versuchsstände (jeweils 30 Minuten + Fragebogen): Demonstrator 3A Vergleich des Standard- mit neuem Roboter Leichtbauroboter Präsentation der Schlüsseleigenschaften Demonstrator 3B ( Des Werkers dritte Hand ) PdV Zeigegerät + PDA Online-Programmieren mit Dummy-Werkzeug Halb- und vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren 37

38 Evaluierungsworkshop Ergebnisse 19 Teilnehmer >12 ausgefüllte Fragebögen pro Exponat Roboter werden bereits in 5 Firmen eingesetzt K + S Schweißfachhandel GmbH 38

39 Evaluierungsworkshop Ergebnisse überwiegend >100 verschiedene Produkte pro Betrieb Losgröße von 1 - >1000 Bauteiltoleranzen 0,5 3,0 mm Warum werden bisher keine Roboter eingesetzt? Roboter lassen sich schwer in Arbeitsprozess integrieren (5) Sonstiges (4): zu schwierig zu programmieren, kleine Losgrößen, bisher nicht daran gedacht Aufgaben können nicht automatisiert werden (3) Vorteile, die sich durch den Einsatz von Robotern ergeben: erhöhte Produktivität (12) - verbesserte Arbeitsbeding. (7) erhöhte Qualität (9) - erhöhte Flexibilität (6) kürzere Lieferzeiten (8) - Einsparung von Personalkosten (4) 39

40 Evaluierungsworkshop Ergebnisse Durchschnittsnoten für Demonstratoren und Versuchsstände Skale: sehr gut (1) ungenügend (6) Demonstrator 3A (manuelles Führen, graphische Nachbearb.) Demonstrator 3B ( Des Werkers dritte Hand ) Zeigegerät + PDA basiertes Online-Programmieren halbautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren 2,5 2,3 3,0 2,2 2,2 kein Demonstrator / Teststand ist durchgefallen hohe Standardabweichung: Noten 1-4 bei allen Demonstratoren und Versuchsständen es gibt keine Universallösung zur Minimierung der Programmier und Bedienzeiten 40

41 Gegenüberstellung der präsentierten Online-Offline Programmierverfahren Verfahren explizites Teach-in manuelles Führen Zeigegerät vollautomatisch halbautomatisch Beispiel Bedienhandgerät KMSbasiert KUKA Zeigegerät Visual Components Rinas Roboterzelle belegt ja ja ja / nein nein nein 3D CAD benötigt nein nein nein ja ja Prozessdatenbank benötigt nein nein nein teilweise ja Programmiergeschwindigkeit Interaktivität voll voll voll teilweise nein Einfachheit

42 Zusammenfassung Roboterprogrammierung kann einfach sein und lohnt sich auch bei kleinen Losgrößen normale Werker können es! Bauteile können in wenigen Minuten programmiert und hergestellt werden. Nutzen für SMEs reduzierte Produktionskosten Prozessqualität von Robotern steht jetzt auch SMEs zur Verfügung Nutzen für Endkunden Produkte mit höherer Qualität zu geringeren Kosten 42

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 43