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Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes vonIndustrierobotern im Presswerkzeugbau –ein aktueller Statusbericht.
Dipl. Ing. Lutz RengerAdam Opel AGME Advanced Manufacturing Technology
Industrieworkshop – Fraunhofer IPKIndustrieroboter alsBearbeitungsmaschinen21. März 2014
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Automobilbau bei Opel – Tradition und Innovation
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology3
Firmengeschichte
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology4
3 development center4 test center10 plants1 Joint Venture
Ellesmere Port
Luton
Zaragossa
Bochum
GleiwitzEisenachRüsselsheim
Kaiserslautern
Millbrook
DudenhofenPferdsfeld
Turin
SzentgotthárdAspern
Tychy
40.000 people
Ellesmere Port
Luton
Zaragossa
Bochum
GleiwitzEisenachRüsselsheim
Kaiserslautern
Millbrook
DudenhofenPferdsfeld
Turin
SzentgotthárdAspern
Tychy
ELLESMERE PORTEmployee: 2.100Products: Astra HB5 , Astra SW
RüsselsheimEmployee: 13.800Products: Insignia, Astra HB5
BochumEmployee: 3.100Products: Zafira, Astra Classic
EisenachEmployee: 1.600Products: Corsa, Adam
GliwiceEmployee: 3.000Products: Astra HB4, HB3,HB5,Cascada,
SzentgotthardEmployee: 7500Products: Engines, Gears
AspernEmployee: 1.600Products: Engines, Gears
ZaragossaEmployee: 6.500Products: Corsa, Meriva
LutonEmployee: 1.100Products: Vivaro
KaiserslauternEmployee: 2.700Products: Compon., Engines
TychyEmployee: 500Products: Engines
Vortragsinhalt
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Warum? Wie?
Ergebnisse? Ausblick!
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
…..Technologie- integration
Warum? - Herausforderungen für die Fertigung
8
Flexibilität
Leichtbau Modellvielfalt KostenHERAUSFORDERUNGEN
FAHRZEUGBAU
LÖSUNGSSTRATEGIEN
BEISPIEL – LÖSUNGENWERKZEUGBAU
Industrieroboter in Standardzellen
Innovationen
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
Warum? - Herausforderungen im Werkzeugbau
20-25 Wochen Änderungszeit (nach 80%-Muster bis 2.Tryout im Preswerk)Mehrere Qualitätsschleifen sind zwingend notwendig, weil nicht alleInformationen zu Änderungen sofort vorliegen (Designänderungen,Werkzeugoptimierungen, Messung Einzelteil und Zusammenbauten etc.)
Ziel: Effektive Qualitätsschleifen in kürzester Zeit.
Engineering NEU –Anfertigung Qualitätsschleifen
Einarbeitungim
PresswerkSOP
20-25 Wochen
QS1
100%
QS2 QS3 QSx…..
80%
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology9
Warum? - Typische Änderungen
Alle Bilder: Adam Opel AG
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology10
Warum? - Effektive Qualitätsschleifen
Charakteristik:
Viele separate Aufspannungennotwendig.Hoher Rüstaufwand.Viele Transportwege.Geringer Gesamtnutzungsgradder CNC-Maschine.Handarbeit.
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology11
Potential für Prozessintegrationund Industrierobotereinsatz.
Quelle: Adam Opel AG Wie?
Wie? - Was war uns vorab bekannt?
Charakteristische Robotertugenden:
Absolutgenauigkeit des IR für die NC-Bearbeitung grenzwertig.Ausreichende Wiederholgenauigkeit des IR.Keine Erfahrungswerte bei der Bearbeitung von Stahl bzw. Guss
Untersuchung nur sinnvoll, wenn geeignete begleitendeMaßnahmen mit angedacht werden!
Geeignete Fräsparameter finden.
Iterativen Prozess entwickeln.
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology12
Wie? - Fragestellungen/Untersuchungsziele
Kann man mit dem Industrieroboter Stahl bzw.Guss Fräsen?Welche Genauigkeiten und Vorschub-geschwindigkeiten sind realistisch?Welche Systeme (Hardware/Software) gibt esauf dem Markt?Gibt es Strategien und Technologien für eineniterativen Prozessansatz?…
Grad des Materialabtrags
Anstellung des Werkzeugs
Nachträgliche Überarbeitung
Reliabilität
Vergleich von Frässtrategien
Bearbeitungszeit
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology13
Alle Bilder: Adam Opel AG
200
200
Wie? - Entstehung Probekörper
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology14
Wie? - Fräsversuche Vorgehen, Versuchsaufbau
Programmierung der Fräsprogramme:
• „Siemens NX 7.5“
• „KUKA SimPro“
Versuchsvorbereitung
Roboterzelle :
• Roboter: KUKA KR 210
• Werkzeughandhabung
• Motorspindel: Precise SD 5284 & 4084
• Werkzeuge: 8, 10 & 12 mm Kugelfräser
Versuchsdurchführung
Erfassung der Oberflächenrauheit :
• Tastschnittgerät: „Taylor Hobson, FormTalysurf Series 2“
• arithmetischer Mittenrauwert
• gemittelte Rautiefe
Untersuchung der Genauigkeit :
• Streifenlichtscanner: „GOM ATOS II“
• Soll/Ist-Vergleich des Fräsergebnis mit CAD
• Mattierung bis +0,02 mm
Prüfmethoden
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology15
Ergebnisse? - Fräsversuche Auswertung Referenz
Werksinterne Toleranzen(Theoretisch)
3D-Geometrieerfassung(Reale Werkzeugmaschine)
Messung: < ±0,07 mmBerechnung: < ±0,03 mm
Oberflächenanalyse(Reale Werkzeugmaschine)
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology16
HSC 5x-Portal WaSiSiemens 840DSiemens NX7.5
GOM Atos II
Ergebnisse? - Vergleich von Frässtrategien ‚Innen‘
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology17
Standard-Frässtrategie: 45°, parallel pendeln, Radien nachholen
Bearbeitung & CADFräsergebnis
ErgebnisFlächen in Taschen weisen Riefen aufFlächen sonst gleichmäßig gefräst (± 0,12 mm)Radien unsauber (± 0,2 mm)
Maßnahmen
Überschwingen des Roboters vermeiden
Schnelles Auf- und Abfahren bei den Radien
vermeidenKonturfolgend Fräsen
Ergebnisse? - Vergleich von Frässtrategien ‚Innen‘
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology18
ErgebnisRichtungswechsel der NC-Bahnwirken sich stark aus (± 0,35 mm)
MaßnahmenAbrupte Richtungswechselvermeiden „Harmonisierung“
Frässtrategie: Konturfolgend
Bearbeitung & CADFräsergebnis
Bewegung des FräsersAuswirkungen vonWerkzeugrichtungswechsel
Ergebnisse? - Vergleich von Frässtrategien ‚Innen‘
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology19
FrässtrategieErgebnis
Flächen gleichmäßig gefräst (± 0,09 mm)Richtungswechsel des Fräser wirken sich weiterhinaus, aber weniger stark (± 0,17 mm)
Maßnahme
Richtungswechsel auf Flächen vermeidenRichtungswechsel ohne Werkzeugeingriff bevorzugen
Bearbeitung & CADFräsergebnis
Frässtrategien
Für Flächen bevorzugt Zick/Zack Strategie
Für Radien bevorzugt konturfolgend
Erst Radien-, dann Flächenbearbeitung
Überlappen der Fräsprogramme
Ergebnisse? - Schlussfolgerungen Frässtrategien
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology20
Programmbeispiel
Ergebnisse? - Umsetzung Frässtrategien
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology21
Frässtrategie
Auswirkungen vonWerkzeugrichtungswechsel
Ergebnis
Flächen gleichmäßig gefräst (± 0,18 mm)
In Radien stellenweise „Macken“ vorhanden (± 0,2 mm)
Bearbeitung & CADFräsergebnis
Ergebnisse? - ‚Exterior‘, Bearbeitungszeit
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology22
Frässtrategievergleich Außenhaut
Abweichungen bei beiden ±0,09 mm
Beide Strategien innerhalb Toleranz
Bemerkung:Nur Bahngenauigkeit relevant, da Richtungswechsel des Fräsersbei verwendetem Fräsprogramm außerhalb des Bauteils.
Bearbeitungszeit
Gegenüber Werkzeugmaschine 3-AchsbetriebErhöhung der Bearbeitungszeit des 6 Achsrobotersbis zu 100% bei gleichen Parametern.
Bemerkung:Zusätzlich erhört sich die Programmierungszeit durch einekomplexere Prozesskette bei der Offline Bahngenerierung.
Ergebnisse? - Iterativer Prozessansatz
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology24
Fräsbahngenerierung anhand von STL-Messdatenmodell im CAM-System (NX 7,5)bringt kein befriedigendes Ergebnis.
Abbildung des STL-Models im CAM zugrob; Restmaterialbearbeitung kannbasierend darauf nicht ausgelöst werden.
Alternativ:Manuele Auswahl der Nachbearbeitungs-bereiche anhand vom Messdatenmodell.
Kein automatisch-iterativer Prozess.
Ergebnisse? - Iterativer Prozessansatz
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology25
Ergebnis
Verbesserung der Abweichungen von±0,2 mm auf ±0,15 mm
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology26
PTW/Opel
Bearbeitungsergebnis zeigt Versatz(links) bzw. zu groß ausgeführteRadien (rechts)
Absolut erreichte Genauigkeit beiderVersuche vergleichbar
Ergebnisse? – Validierung der Ergebnisse extern -IPK Probefräsung
Fraunhofer IPKStand der Technik im Versuch bestätigt!
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology28
Ergebnisse - Zwischenbeurteilung
Bewertung:
Bestätigung der recherchierten‚Tugenden‘ - Probleme.
Toleranzen ±0,09 mm (außen) und±0,18 mm (innen) durch optimierteFrässtrategie.
Nutzung im Änderungsprozess nur fürdie ‚ungenauen‘ Arbeiten möglich.
Anwendungspotential vorhanden,wenn weitere Prozessschritte integriertwerden können: Schweißen, Messen.
Untersuchungen fortführen!
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology29
Warum – Weitere Untersuchungen
Integration eines geeigneten 3D-Messystem für den Änderungsprozess.
- Messung des Ausgangszustandes vor der Änderung.
- Messung nach dem Aufschweißen zur Ermittlung des Rohteils.
- Messungen für iterativen Prozessablauf.
Implementierung des Systems in eine OPEL-Standardzelle.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.
AbschlussarbeitNr. 2
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology30
Streifenprojektion
Projektion eines Streifenmusters auf MessobjektRegistrierung mehrerer Einzelaufnahmen überReferenzmarken auf Messobjekt
Vorteil: Schnelle, hochgenaue MessdatenerfassungErfahrung bei Opel vorhanden (3D Messzellen)
Laser-Lichtschnittsensor
Projektion eines LaserstreifenBerechnung der 3D-Punktkoordinaten überTriangulation
Vorteil: Kompakt & kostengünstig
Quelle: Website GOM
Quelle: Produktkatalog Keyence
Wie? – Auswahl Scanverfahren / 3D Messen
Quelle: Adam Opel AG
Quelle: Adam Opel AG
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology31
Wie? – Aufgabenstellungen Lichtschnittsensor
Roboter und Scanner Synchronisation
Messgenauigkeiten Gesamtsystem
Abtastverfahren
- Diskretes Abtasten
- Kontinuierliches Abtasten
Bahnaufteilung und -überlappung
Sensoranstellung
Bahntransformationsverfahren (ICP)
Punktewolke vor ICP-Transformation Sensoranstellung und Bahnaufteilung
Roboter/Scanner Synchronisation
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology32
Messunsicherheiten = Messwert Lasersensor + Position Industrieroboter
Theoretische Bestimmung der Messunsicherheit: Gauß‘schesFehlerfortpflanzungsgesetzExperimentelle Bestimmung der Messunsicherheit mit Endmaßkörpern
Mittlerer Fehler vonca. ±0,15 mm
Fehler maßgeblich durchBahnungenauigkeit des
Industrieroboters bestimmt.
Ergebnisse? – Messgenauigkeitsanalyse
21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology33
Probekörper Punktewolke Ist-Kontur
Triangulierte Punktewolke
Soll/Ist Vergleich zu CAD
Ergebnisse? – Versuchsaufbau und Resultate
Erfolgreich!
Ergebnisse? - Szenario Änderungszelle
21.3.201434
Entfall der Schruppbearbeitung nach dem Schweißen der PufferlageZusätzlich Einsparung von drei Transport- und einem Rüstvorgang
Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
Heute Scenario
Plus +
21.3.201435 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
Ausblick – Aufgaben OEM/Werkzeugbau
Generativer Fertigungsprozessschritt- Auswahl Auftragsschweißverfahren- Verfahrensintegration in der Fertigungszelle
Integration Gesamtprozess in Opel-Standardzelle
Weitere Fertigungsprozessschritte in Gesamtprozess einbinden- Ausrichten- Nachbearbeiten (Schleifen/Polieren)- HärtenVerbesserungen am Gesamtsystem um ‚Schlichtbearbeitung‘ zuermöglichenHardware-Vergleich verfügbarer Industrieroboter
21.3.201436 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
Ausblick – Erfolgsfaktoren
Weiterentwicklung Industrieroboter Hardware und Steuerung- Steifigkeitssteigerung, Reduzierung Getriebespiel,
Toleranzoptimierung Roboter, Kollaborierende Roboter- Integrierte Frässpindeln- Steigerung Bahnbewegungsgeschwindigkeiten
Weiterentwicklung Prozesstools- Integrierte Messungen zur Erhöhung der Positionsgenauigkeiten- Berücksichtigung der Roboterkinematik im CAD/CAM-System.- Abstimmung Frässtrategien und NC-Parameter auf Stärken und
Schwächen der Hardware (Singularitäten, Kollisionen)- Toolbox ‚Nachbearbeitungsstrategien‘- Adaptive Steuerungsmöglichkeiten (Kraft/Moment; Iterativprozess;
In-Process-Control durch Tracker/Tracer)
Möglicher weiterer Einsatz Industrieroboter Adam Opel AG:
Bearbeiten von Presswerkzeugen (Schleifen, Polieren, Bohren, Beschichten, …)Beschneiden von Teilen (Laserschneiden, Besäumen von CF/GF und Kunstoffen)Presswerk Instandhaltung.
21.3.201437 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology
Ausblick – Herausforderungen
IDEEN?
Vielen Dank! Fragen?
Recommended