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Forschung und Praxis
Band 160
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart, und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H. J. Warnecke und H.- J. Bullinger
Herbert H. Emmerich
Flexible Montage
von Leitungssatzen
mit Industrierobotern
Mit 70 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest 1992
Dipl.-Ing. Herbert H. Emmerich
Fraunhofer-Instltut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der UniversitAt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnlk und Aut?matisierung (IPA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Bullinger
o. Professor an der UniversitAt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-55227-7 e-ISBN-I3: 978-3-642-47947-2
DOl: 10.1007/978-3-642-47947-2
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© Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg 1992.
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62/3020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
Futuristische Bilder werden heute entworfen:
o lbboter bauen lbboter,
o Breitbandinformationssysteme transferieren riesige Datenmengp.n in
Sekunden urn die ganze Welt.
Von der "rrenschenleeren Fabrik" wird da gespr=hen und van "papierlo
sen BUro". V6rtlich gencmren rnuB nan beides als utopie bezeichnen,
aber der Entwicklungstrend geht sicher zur "autorratischen Fertigung"
und zum "rechnerunterstiitzten Btiro". Forschung bedarf der Perspektive,
Forschung benOtigt aber auch die Ri.ickkopplung zur Praxis - insbeson
dere im Bereich der Produktionstechnik und der Arbeitswissenschaft.
FUr eine Industriegesellschaft hat die Produktionstechnik eine Schltis
selstellung. Mechanisierung und Autanatisierung haben es uns in den
letzten Jahren erlaubt, die Produktivit:at unserer Wirtschaft standig
zu verbessem. In der Vergangenheit stand dabei die Ieistungssteigerung
einzelner Maschinen und Verfahren im Vordergrund. Heute wissen wir, daB
wir das ZusarrtlEIlspiel der verschiedenen Untemehrrensbereiche starker
beachten rntissen. In der Fertigung selbst kcnzipieren wir flexible Fer
tigungssysteme, die viele verkettete Einzelroaschinen beinhalten. Dort,
wo es Produkt und Produkticnsprogranm zulassen, denken wir intensiv
tiber die Verkniipfung von Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung
und Qualitatskentrolle nacho RechnerunterstUtzte Informaticnssysteme
helfen dabei und sollen zum eIM (Crnputer Integrated Ma;,ufacturil'lg)
ftihren und CAD (Crnputer Aided Design) und CAM (Conputer Aided Manu
facturing) vereinen. Auch die Btiroarbeit wird neu durchdacht und mit
Hilfe vemetzter Catputersysteme teilweise autanatisiert und mit den
anderen Untemehrrensfunktionen verbunden. Informatien ist zu einem
Produktionsfaktor geworden, und die Art und Weise, wie man damit llI'IqElht,
wird mit tiber den Untemehrrenserfolg entscheiden.
Der Erfolg in unseren Untemehrren hangt auch in der Zukunft entschei
dend vcn den dort arbeitenden Menschen abo Rationalisierung und Auto
watisierung rntissen deshalb im Zusannenhang mit Fragen der Arbeitsgestal
tung betrieben werden, unter Berticksichtigung der Bedtirfnisse der Mit
arbeiter und unter Beachtung der erforderlichen OJalifikationen. Inve
stiticnen in Maschinen und Anlagen russen deshalb in der Produktien wie
im Btiro durch Investitionen in die Olalifikation der Mitarbeiter be
gleitet werden. Bereits im Planungsstadiurn rntissen Technik, Organisaticn
und Soziales integrativ betrachtet und mit gleichrangigen Gestaltungs
zielen belegt werden.
Von wissenschaftlicher Seite IlU.lB dieses Bemtihen durch die Entwicklung
ven Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Ver
besserung des Systems Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforder
lichen Dienstieistungsiunkticnen unterstiitzt werden. Die Ingenieure
sind hier gefordert, in enger Zusamrenarbeit mit anderen Disziplinen,
z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswis
senschaft, LOsungen zu erarbeiten, die den veranderten Randbedingungen
R3chnung tragen.
Beispielhaft sei hier an den groBen Bereich der Informationsverarbei
tung im Betrieb erinnert, der von der Angebotserstellung tiber Konstruk
tion und Arbeitsvorbereitung, bis hin zur Fertigungssteuerung und Qual i
t:atskentrolle reicht. Beim MaterialfluB geht es urn die richtige Aus-
wahl und den Einsatz von Fordermitteln sowie 1\nordnung und Ausstattung
von Lagem. GroBe Aufrrerksarnkeit wird in nachster Zukunft au:::h der
weiteren Autaratisierung der Handhabung von Werksti.icken und Werkzeu
gen sowie der r-t>ntage von Produkten geschenkt werden.
Von der Forschung muB in diesem ZusaIlll'enhang ein Beitrag zum Einsatz
fortschrittlicrer intelligenter ConputersysteIre erfolgen. Planungs
prozesse mtissen durch SOftwaresysterre untersttitzt und Arbeitsbedingun
gen wissenschaftlich analysiert und neu gestaltet werden.
Die von den Herausgebem geleiteten Institute, das
- Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat
Stuttgart (IFF),
- Fraunhofer-Institut fUr Produkticnstechnik und Autaratisierung (IPA),
- Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den
oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Lab::Jrs und
die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit
zu Forschungsergebnissen geftihrt, die fUr die Praxis von groBem
Wert varen. Zur Umsetzung gewamener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" rerausgegeben. Der vorliegende
Band setzt diese Beihe fort. Eine Ubersicht tiber bisher erschienene
Titel wird am SchluB dieses Bu:::hes gegeben.
Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, Clem Springer
Verlag fUr die AufnahrrE dieser Schriftenreihe in seine 1\ngebotspa
lette und der Druckerei fUr saubere und ziigige Ausftihrung. ~e das
Buch von der Fachwelt gut aufgencmren werden.
H. J. Warnecke • H. -V. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wiihrend meiner Tiitigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA),
Stuttgart.
Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Institutes, Herrn Prof. Or.-Ing. Warnecke,
fOr die groBzOgige UnterstOtzung und FOrderung, die zum erfolgreichen Gelingen der
Arbeit beigetragen haben.
Herrn Prof. Jung danke ich fOr die Obernahme des Mitberichtes sowie fOr die wert
vollen Hinweise, die sich daraus ergeben haben.
Aus dem groBen Kreis der Kollegen und Kolleginnen des Institutes, die mich durch
Ihre Mitarbeit und anregende Kritik unterstOtzt haben, mOchte ich Oipl.-Ing. S. Koller,
Oipl.-Ing. R. Cramer, Or.-Ing U. Schweigert, Or.-Ing. M. Schweizer sowie Prof. Or.
Ing. Schraft erwiihnen. Besonders wertvoll war mir die Zusammenarbeit mit Or.-Ing.
G. Schlaich. Ihnen allen, wie auch den Studenten und Praktikanten, die an dieser Ar
beit mitgewirkt haben, gilt me in besonderer Dank.
Herzlich danke ich meiner Frau Helga, die mir stets mit Verstllndnis zur Seite stand
und mich vielfiiltig unterstOtzte. Nicht zuletzt mOchte ich auch meinen Eltern dan
ken, die meinen Weg bereitet haben.
Waiblingen, im November 1991 Herbert Emmerich
INHALT SVERZEICHNIS
o AbkQrzungen und Formelzeichen 13
Einleitung 16
1.1 Problemstellung 16
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 17
2 Ausgangssituation 18
2.1 Begriffe und Definitionen 18
2.1.1 Begriffe zur Handhabungs- und Montagetechnik 18
2.1.2 Begriffe zur Leitungssatzmontage 18
2.2 Stand der Technik 20
2.2.1 Istzustand in der Leitungssatzmontage 20
2.2.2 Marktgllngige Anlagen und Einrichtungen 23
2.2.3 Forschungs- und Entwicklungsaktivitllten 23
3 Anllll1lil! a!1li PrQaulsllil2!1klrumli una AnfQra!1rung!1n lin
MQnll1g!1lil1lil!1m!1 26
3.1 Analyse des Produktspektrums 26
3.1.1 Komponenten von Leitungssatzen 28
3.1.1.1 Gehause und Kontakte 28
3.1.1.2 Leitungen 29
3.2 Produktionskennzahlen 31
3.2.1 Montagezeiten 31
3.2.2 Analyse auftretender Fehler 31
3.2.3 Branchenspezifische Zusammenhange 33
3.3 Foigerungen aus den Analyseergebnissen 35
3.4 Anforderungen an flexible Systeme zur Leitungssatzmontage 36
3.4.1 Anforderungen an Gesamtsysteme 37
- 10-
3.4.2 Anforderungen an Teilsysteme 38
3.4.2.1 Handhabungssystem 38
3.4.2.2 Kontaktmontagesystem 39
3.4.2.3 Leitungsbereitstellung 40
3.4.2.4 System zur Leitungsspeicherung 41
3.4.2.5 System zur Sicherstellung der VerbindungsQualitat 41
4 KQnzeQtiQn flexibler MQnt!!geSysteme fQr Leit!.!ngsslitze bei
v!!riierenden R!!ndbeding!.!ngen 43
4.1 Randbedingungen bei der Systemkonzeption 43
4.1.1 Produkt- und produktionstechnische EinfluBparameter 44
4.1.2 Vorgehensweise zur modularisierten Entflechtung von
Leitungssatzen 44
4.2 Konzeption von flexiblen Montagesystemen in Abhiingigkeit
des Produktaufbaus von Leitungssatzen 47
4.2.1 Systemkonzepte zur Montage von Leitungssatzen des Typs I 49
4.2.2 Systemkonzept zur Montage von Leitungssatzen des
Typs 11,111 und IV 53
4.2.3 System konzept zur Montage von Leitungssatzen des Typs V 56
4.3 GegenObersteliung und Abgrenzung der Systemkonzepte 59
5 Verf!!hrens- !.!nd Werkze!.!gentwi!;kl!.!ng ~!.! kQnt!!ktbei:Qgenen
PrQblemstell!.!ngen in der Leit!.!ngSS!!tzmQntage 61
5.1 Verfahrens- und Werkzeugentwicklung zur flexiblen
Kontaktmontage 61
5.1.1 Theorie des Montagevorganges 61
5.1.2 Entwicklung von Teilsystemen eines flexiblen Werkzeuges zur
Kontaktmontage 65
5.1.2.1 Toleranzausgleichsmethoden zum FOgen von Kontakten 65
5.1.2.1.1 Betrachtung der Toleranzkette 65
5.1.2.1.2 Alternative Toleranzausgleichsmethoden 66
5.1.2.2 Erzeugung der FOgebewegung und OberprOfung des
Einrastvorganges 70
5.1.3 Verfahren zur chaotischen Montage von Kontakten 73
-11 -
5.1.4 Experimentelie Bestimmung von Parametern zur Auslegung
eines Werkzeuges zur flexiblen Kontaktmontage 76
5.1.4.1 Bestimmung der Fugekriifte 77
5.1.4.2 Auslegung des Antriebes zur Erzeugung der Fugebewegung 80
5.1.4.3 Bestimmung der Leitungsauslenkkriifte 83
5.1.4.4 Auslegung der Fuhrungsrohrgeometrie und der
Liingenkorrekturfaktoren 85
5.2 Verfahren zur Erkennung von Kontaktierfehlern 88
5.2.1 Oberwachung der ProzeBkriifte beim Kontaktanschlag 91
6 KQni:~121iQn und t;;nlwi!:;kh,mg vQn V~rfilhr~D und W~rki:~ug~n
l:U l~ilung::ib~l:Qg~n~n PrQbl~m::il~liung~n in d~r
Leiwng::i::iilll:mQnlilge 94
6.1 Entwicklung von LeitungszufUhr- und Wechseleinrichtungen 94
6.1.1 Uisungsprinzipien 94
6.1.2 Bewertung der LOsungsprinzipien 95
6.1.3 Erprobung ausgewiihlter LOsungsprinzipien 96
6.2 Konzeption und Entwicklung von Verfahren und Werkzeugen
zur Speicherung von Leitungen 97
6.2.1 Konzeption von Alternativen zur Leitungsspeicherung 97
6.2.1.1 Bewertung der LOsungsprinzipien 99
6.2.2 Theoretische Betrachtung der Vorgiinge bei der
Leitungsspeicherung 100
6.2.3 Experimentelie Untersuchung mit unterschiedlichen
Speicherformen 103
7 R~illi::ii~rl~ PilQlilnlilg~ l:Ur ilulQmilli::i!:;h~n MQnlilg~ vQn
Leiwng::i::il!lzeD in Criml21e!:;hnik 107
7.1 Grundaufbau 107
7.2 Eingesetzte Werkzeuge und Komponenten 108
7.2.1 Handhabungssystem 108
7.2.2 Kontaktmontagewerkzeug 108
7.2.2.1 Aufbau des FOrdersystems 111
7.2.3 Leitungsbereitsteliung und Zufuhreinheit 112
- 12 -
7.2.4 Zusatzliche Systemkomponenten 114
7.3 Steuerungskonfiguration 114
7.3.1 Programmaufbau des SPS-Ablaufprogrammes 116
8 Montageablauf und Versuchsergebnisse 118
8.1 Montageablauf 118
8.1.1 Montagezeiten 119
8.1.2 Auftretende FOgekrlifte 120
8.2 Erkenntnisse aus den Versuchsergebnissen 121
8.3 Notwendige Weiterentwicklungen 123
9 Zusammenfassung und Ausblick 125
10 Literaturverzeichnis 129
