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Vorlesung: Handhabungs- und Montagetechnik© j. Wolfgang Ziegler

Modul BKomponentenund Systeme

5 Handhabungsgeräte

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Prof. Dr.-Ing. J. Wolfgang ZieglerFachhochschule Düsseldorf

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Handhabungsgeräte sind Geräte,• die ein Objekt in eine definierte Lage im Raum bringen und/ oder in dieser

vorübergehend gehalten werden (Werkstückhandhabung).• die mit dem Objekt eine definierte Bewegung ausführen, um eine bestimmte

Arbeitsaufgabe auszuführen (Werkzeughandhabung).Handhabungsgeräte sehen sich äußerlich häufig sehr ähnlich, unterscheiden

sich aber bezüglich der Steuerung, der Programmierung und er Anwendung.

SCARA-Roboter

Universalroboter

Industriemanipulator

5 Handhabungsgeräte

Parallelroboter

HybridroboterKurvengesteuertes Einlegegerät

SCARA-IRWaldmanipulator

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5.1 Biomechanische Vorbilder

Die Industrie braucht Maschinen und Automaten, die den Menschen als Beweger ersetzen können und seine Leistungen, Kräfte und Geschwindigkeiten noch übertreffen.Handhabungsmaschine haben die Aufgabe, Bewegungen biologischer Systeme, insbesondere Bewegungen der Arme,in ähnlicher und vereinfachter Form zu reproduzieren und dabei Objekte zu verlagern.Die Natur bietet eine Vielzahl von interessanten Konstruktionen, die immer wieder auch als Vorbild für Handhabungs-maschinen diskutiert werden. Was besonders beeindruckt, ist das Masse- Leistung- Verhältnis und die hohe Beweglich-keit. Die Analyse biologischer Strukturen, insbesondere des Menschen, zeigt, dass materiell, energetisch und räumlich einMaximum an Leistung mit einem Minimum an Aufwand erzielt wird. Das ergibt sich u.a. aus einer ausschließlichen Ver-wendung von Drehgelenken. Hierauf begründet sich offenbar auch der Trend, bei Handhabungsmaschinen mehr auf die Verwendung raumsparender Dreheinheiten zu achten (siehe Industrieroboter).

Auch wenn es im allgemeinen nicht darum geht, nach den Maßen des Menschen zu konstruieren, ist es interessant, die Bewegungsräume der Glieder dieses Systems zu kennen, denn der Mensch ist auf die vorhandene Umwelt abgestimmt. Eine Hand-

habungsmaschine mit den Fähigkeiten des menschlichen Beweg-ungsapparates wäre zwar wünschenswertwert, würde aber kompli-ziert und teuer werden. Die Entwicklung von Handhabungsmaschi-nen muss offenbar in verschiedene Richtungen laufen. Auf der einen Seite eine weitere Steigerung der Universalität (z.B. Bau-kastenelemente) und eine weitere Spezialisierung (z.B. kompakte Maschinenstruktur) auf der anderen Seite. Merksatz: Der technische Nutzwert einer Lösung muss sich immer

am Gesamtaufwand zur Lösung einer Handhabungsaufgabe orientieren und nicht an der Handhabungsmaschine allein.

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5.2 Feingliederung der HandhabungsmaschinenGliederkriterium nach Bewegungs- und Programmierungsfunktionen

Gliederkriterium nach Bauformarten und Steuerungen

Beispiele

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5.3 Grobgliederung der Bewegungseinrichtungen nach VDI 2861

BEWEGUNGSEINRICHTUNGEN

Bewegungseinrichtungen mit fester Hauptfunktion

Bewegungseinrichtungen mit variabler Hauptfunktion

programmgesteuerteBewegungsautomaten

manuell gesteuerteBewegungs-einrichtungen• Manipulator• Teleoperator

GLIEDERUNG

fest programmierteBewegungsautomaten

• Einlegegerät

frei programmierbareBewegungsautomaten

auch sensorgeführt

ohne selbsttätige Programmbeeinflussung

mit selbständiger Programmauswahl

mit selbständiger Programmanpassung

Funktionsvielfalt

mehrere Bewegungs-

sinne• Orientierungs-einrichtungen

ein Bewegungs-

sinn• Dreheinrichtung

Bewegungsvorgaben

Pogrammänderungen

Programmbeeinflussung

INDUSTRIEROBOTER NACH VDI

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5.3.1 Definitionen zu der Grobgliederung

Bewegungseinrichtungen mit fester Hauptfunktion haben im allgemeine nur eine Funktion (z.B. Speicher, Bewegen oderSichern). Es handelt sich oft um Spezialgeräte, die im Bereich der Serienfertigung eingesetzt werden. Somit sind sie oftnur für ein Produkt verwendbar, also sehr unflexibel. Eine Veränderung des Bewegungsprogrammes ist nicht möglich.

Bewegungseinrichtungen mit variabler Hauptfunktion sind in der Lage, mehrer Funktionen auszuführen (z.B. Sicher, Bewegen und Kontrollieren). Diese Gruppe wird weiter hinsichtlich der Art der Bewegungsvorgabe unterschieden.

Bei manuell gesteuerten Bewegungseinrichtungen werden die Bewegungen vom Menschen direkt erzeugt, d.h. es ist keinSpeicher vorhanden, in dem ein Bewegungsmuster abgelegt werden kann und dann beliebig oft wiederholbar ist.

Bei programmgesteuerten Bewegungseinrichtungen werden die Bewegungen durch ein mechanisch (Anschläge, Nocken-scheibe oder Kurvenscheibe) oder elektronisch gespeichertes Programm gesteuert. Die programmgesteuerten Bewegungs-einrichtungen lassen sich weiter hinsichtlich der Art der Programmänderung unterteilen.

Fest programmiert Bewegungsautomaten werden vorwiegend in der Großserienfertigung eingesetzt. Eine Veränderung des Bewegungsprogrammes ist teilweise durch mechanischen Umbau möglich.

Die frei programmierbaren Bewegungsautomaten sind Roboter, sie unterteilen sich in Bewegungseinrichtungen:Ohne selbsttätige Programmbeeinflussung, diese sind Industrieroboter mit einem festen oder mehreren festen, manuell wählbaren Programmen.Mit selbständiger Programmauswahl, es sind Industrieroboter mit mehreren festen Programmen, die selbständig ausge-wählt werden können, z.B. je nach Werkstück wird ein entsprechendes Programm in die Steuerung geladen.Mit selbständiger Programmanpassung, die Industrieroboter können ihr Programm durch äußere Signale selbständig an-passen, z.B. Schweißen mit Bahnsensor.

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5.4 Definition der Handhabungsgeräte

BalancerManuell gesteuertes Hebezeug (Bild: Schmidt-Handling)

ManipulatorManuell gesteuerte Bewegungseinrichtungen (Bild: Sky Wash, Lufthansa)

TeleoperatorFerngesteuerter Manipulator

EinlegegeräteBewegungsautomat, dessen Bewegungen hinsichtlich Folge oder Wegen bzw. Winkeln nach einem festen Programm ablaufen, das ohne mechanischen Eingriff nicht verändert werden kann (Bild: Siemens AG).

Flexibles HandhabungsgerätBewegungsautomat mit einer Achse, deren Bewegung frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt ist.

Industrieroboter (VDI 2860)Universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Be-wegungen hinsichtlich Folge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar und Gegebenfalls sensorgeführt sind (Bild: Kuka).

Balancer

Manipulator

Einlegegerät

Industrieroboter

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5.4.1 Balancer (Ausgleichheber)

Ausgleichheber sind direkt handgesteuerte bzw. –bewegte Manipulator-arme mit einem Lastengreifer, der von einem Bediener unmittelbar an Handgriffen in gewünschte Position bewegt wird, ohne dabei Arbeit gegen die Schwerkraft verrichten zu müssen. Sie besitzen keine Möglichkeiten, um Bewegungsabläufe zu programmieren.Balancer werden meistens baukastenmäßig aufgebaut. Die Lastauf-nahmen sind austauschbar und können z.B. Sauger, Magnet, Spezial-zange, Haken, Spreizdorn sein.Er kommt hauptsächlich im Bereich von schweren Lasten zum Einsatz:• Autoräder • Papier(rollen) • Fässer• Metall- und Holzplatten etc.

Ständerbalancer (Schmidt-Handling)Vakuum-Balancer (Schmalz)

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5.4.2 Manipulator (Synchronmanipulator, Master- Slave- Manipulator = MSM)

Die Bezeichnung Manipulator kommt vom lateinischen mauns = Arm, Hand. Es ist also eine Armnachbildung und sie kann arthropoid oder anthropomorph sein. Beim arthropoiden Manipulator orientieren sich die Bewegungsglieder (Dreh-gelenkanordnung) an verbundenen Beinen der Gliederfüßer (Krebse, Spinnentiere, Insekten). Beim anthropomorphenManipulator sind die oberen Extremitäten des Menschen Vorbild für den Gelenkarmmechanismus.

Man unterscheidet: Manuell gesteuerte ManipulatorenProgrammierte industrielle Manipulatoren

Bei den manuell gesteuerten Manipulatoren handelt es sich umHandhabungsgeräte, deren Bewegungsabläufe manuell gesteuert werden und somit nicht programmierbar sind. Zur Bedienung des Manipulators braucht der Bediener direkte Sicht zum Arbeitbereich. Diese Systeme können reversibel und bilateral sein, das heißt, Bewegungen können sich auch vom ausführenden (Slave) Arm zum bedienenden (Master) Arm übertragen und Kräfte vom Slave- Arm wirken in die Hand des Operateurs zurück, er spürt Arbeitswider-stände (froce feedback = Kraftreflexion).

Programmierte industrielle Manipulatoren sind Bestandteile von Arbeitssystemen (z.B. Montageplattform, Aufspann-flächen, Halteeinrichtungen beim Umgang mit Schweißteilen). Oft wird in den Bezeichnungen zw. Positionierer(Positioner) und Manipulator unterschiedenen. Die Drehgeschwindigkeit beim Positioner ist konstant und beim Manipulator stufenlos regelbar (siehe Schweißen von Rundnähten). Industrielle Manipulatoren können somit für den automatischen Betrieb programmierbare, ja sogar freiprogrammierbare Achsen besitzen.Von modernen Positionern wird heute verlangt, dass jeder Programmschritt speicherbar ist, dass die Bewegungen selbst-hemmend sind und Energieleitungen für Spannvorrichtungen durch das Arminnere laufen.

Manipulator für Schmiedearbeiten

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5.4.2.1 Programmierbare industrielle Manipulatoren (Positioniereinrichtungen)

Film: Positioniereinrichtung (Kuka, ABB)/ Bild: Doppelstation (Reis)

Positioniereinrichtungen werden häufig beim Einsatz von Industrie-roboter als Peripheriemodule verwendet. Sie übernehmen die Positio-nierung des Werkstückes während der Bearbeitung.Zum Positionieren von Schweißteilen werden vor allem Dreh- und Schwenkvorrichtungen (Schweißmanipulatoren) verwendet. Sie werden beim Schweißen (siehe Film) meistens vom Hauptsystem aus gesteuert. Bei einer Doppelstation (siehe Bild unten) können das bis zu neun freiprogrammierbare Achsen sein.Die Programmierung eines Positionierers ist einfach. Der Operateur bewegt das Werkstück mit den Drucktasten am Steuerpult in die ge-wünschte Position und speichert ab (siehe Teach-In-Verfahren im Kapitel Programmierung).

Bild: Großmanipulator mit Schweißroboter-Anlage (Fa. Motoman auf der „Schweißen und Schneiden“Messe 2005)

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Beispiele: Positioniereinrichtungen

Drehpositionierer

Drehtische

Dreh-Kipp-Positionierer

Drehwendepositionierer

Dreh-Schwenk-Positionierer

Drehwendepositionierer

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5.4.2.2 Manuell gesteuerte Manipulatoren (1/2)

Beim dem kopierenden Manipulator, sitzt der Operator auf der Maschine und betätigt einen Handhebel mit analoger verkleinerter Armstruktur. Diese Bewegungen werden dann vergrößert und kraftverstärkt vom Manipulatorarm ausgeführt.

Industriemanipulator (Andromat)1 hydraulischer Greifer2 Handgelenk3 Parallelogrammführung4 Schultergelenksteuerknüppel5 Sitz für Bediener6 Hydrauliksteuerung7 Grundplatte

Bei den manuell gesteuerten Manipulatoren gibt es viele Ausführungen, die oft auch auf bestimmte Anwendungs-bereiche zugeschnitten sind. Man kann sieben Kategorien unterscheiden:• Ferngreifer: Stellen die verlängerten Hände eines Operators dar.• Mechanischer Master- Slave- Manipulator (MSM): Die Bewegungen werden rein mechanisch übertragen.• Servo- Parallel- Manipulator (EMSM): Es besteht keine mechanische Verbindung zw. Bedienungs- und Slave- Arm.

Alle Anweisungen werden auf elektrischen Weg übertragen.• Kraftmanipulator: Ist für Schwerlasten ausgelegt und wird in der Regel über Drucktasten gesteuert.• Manipulator mit Positionsregelung: Er ist zusätzlich um Elemente der Positionsregelung ergänzt.• Rechnerunterstützte bzw. –gesteuerte Manipulatoren: Speichern auch probeweise ausgeführte Bewegungen.• Programmierbare Manipulatoren: Das Manipulatorsystem ist zusätzlich programmierbar und bestimmte Bewegungs-

sequenzen sind automatisch ausführbar.

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Manuell gesteuerte Manipulatoren (2/2)

AnwendungsgebietSteuergriffe

Manipulatoren werden meist dort eingesetzt wo der direkte Kontakt Mensch/Handhabungs-objekt zu gefährlich oder das Handhabungsobjekt zu schwer ist.Einsatzgebiete:• Freiformschmieden• Walzenschmieden• Gußteile aus Formkästen• Zellen der Kerntechnik• Schwerlasten• Holzstammforstung (siehe

Film)• Außenreinigung, Entrosten

und Beschichten von z.B.Flugzeugen etc.

Film: Waldmanipulator (Plustech Oy)

Waldmanipulator

Sky Wash (Lufthansa)

Griffe Masterarm eines MSM

Die Bewegungen des handge-steuerten Manipulators werden vom Bediener über pistolenartige Griffe, Steuerknüppel und günstig gestaltete Handgriffe erzeugt, die bis zu sechs Achsen abnehmen.

1 Fingerhülle2 Greiferschließbewegung3 Handgriff4 Handdrehung5 Handgelenkachse

Steuergriff für drei Schiebungen und drei Drehungen

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5.4.3 Telemanipulatoren (Teleoperatoren)

Darunter versteht man ferngesteuerte Manipulatoren, die nach indirekten Einsicht (siehe Bild) am Handhabungsortüber optische Mittel, meistens über ein Fernsehbild, von einem Operateur befehligt werden. Die Bewegungen können original oder kraft- und gegebenenfalls Maßstab verändert nachgebildet werden. Meistens sind Teleoperatoren fahrbar, jedoch nicht zu selbstständigen Handlungsfolgen in der Lage (nicht programmierbar).Es gibt auch schon Telemanipulatoren die mit einer bestimmten “Vorausprogrammierung“ versehen sind, doch der Mensch kann jederzeit eingreifen. Der Manipulator kommt mit Grobbahndaten zurecht und verfeinert selbst seine Bewegungsbahn anhand von Sensoren. Der Operator hat mehrere Möglichkeiten. Er kann die Kommandos mit einer Steuerkugel vorgeben oder Steuerdaten aus einem CAD- gestützten Bahnplan-ungssystem entnehmen.Telemanipulatoren werden überwiegend dort eingesetzt, wo die direkte Sicht zum Arbeitsplatz nicht möglich oder lebens-gefährlich ist. Einsatzgebiete sind:

• Tiefseeoperationen• Kanalisationsarbeiten• Weltraumtechnik• Kernkraftarbeit• Entschärfen von Munition• Kamera- Telemanipulatoren fürVeranstaltungen etc.

Teleoperator, über 3D-Fernsehbildschirm gesteuert

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5.4.4 Einlegegerät (Pick & Place Gerät, Festtaktroboter, Beschickungseinrichtung)

Nach ihrer Funktion werden Einlegegeräte auch als Pick-and-Place Geräte (Auf-nahmen und Ablegen) bezeichnet. Der typische Ablauf bei einem Pick & Place-Gerät unterscheidet acht Bewegungsphasen: Heben – Schwenken – Senken –Ruhe – Heben – Zurückschwenken – Senken – Ruhe.

Pneumatisches Einlegegerät (EPS)

Einlegegeräte sind Bewegungsautomaten, die Zuführ- oder Entnahmevorgänge nach einem fest vorgegebenen Programm ausführen, das ohne mechanischen Eingriff nicht verändert werden kann. Somit liegt deren Vorzug weniger in der Umstellbarkeit der Bewegungsabläufe als in ihrer Schnelligkeit.Bei Einlegegeräten sind folgende Antriebsarten möglich:• mechanischer, kurvengesteuerter Antrieb• pneumatischer Antrieb• elektrischer Antrieb• hydraulischer AntriebZur Durchführung der Bewegungen werden meist elektrische oder pneu-matische Antriebe benutzt. Die Verwendung von Schrittmotoren als Antrieb erlaubt natürlich programmierbare Zyklen zu fahren, was mit den pneu-matischen Einlegern fast nicht möglich ist. Der Aufbau solcher Geräte ist einfach und lässt sich in einzelne Module (siehe Kapitel Kinematik) gliedern.

Pick-and-Place Gerät

Diese Handhabungsgeräte werden vorwiegend in der Großserien- und Massenfertigung eingesetzt: • Eingeben und Entnehmen von Werkstücken an Fertigungsmaschinen(Umformtechnik)

• Weitergabe von Werkstücken innerhalb des Materialflusses(Verpackungsanlagen)

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Bei pneumatische Einlegegeräte werden über Zylinder Translations- und Rotationsbewegungen ausgeführt. Mit Hilfe von elektropneumatischen Ventilen ist die Verknüpfung mit einfachen elektrischen und elektronischen Steuerungen möglich.Die Kompressibilität der Druckluft, die Reibungsverhältnisse und Endlagendämpfung, wirkensich auf die Geschwindigkeit aus, so dass die Weg-Zeit-Verhältnisse im voraus nicht exakt bestimmt werden können und auch nicht reproduzierbar sind.Mechanische Einlegegeräte sind häufig mit Steuerungskurven ausgestattet. Je Bewegung wird eine Kurve gebraucht. Es sind sehr schnelle Bewegungszyklen möglich, mit unter weniger als 1 Sekunde. Kurvengesteuerte Einleger haben eine hervorragende Laufkultur, weil günstige Bewegungsgesetze in der Kurvenform untergebracht werden können.

Die Weginformationen werden meist über Endschalter eingegeben. Dadurch ist dann auch nicht möglich, definierte Bahnkurven im Raum zufahren. Ein Umpro-grammieren ist nicht vorgesehen und technisch umständlich. Bei kurven gesteuerten Einlegern würde das z.B. den Austausch von Steuerkurven bedeuten.Die Bewegungsabfolge wird häufig mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) gesteuert.

Pneumatisches Einlegegerät

Funktionsschema von Einlegegeräten

Film: Pressenlinien-verkettung(Strothmann)

Filme: Einlegegeräte beim Palettieren und VerpackenKurvengesteuertes Einlegegerät (Siemens)

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5.4.5 Spezialgeräte

Gerade in der Massenfertigung gibt es immer wieder Geräte bzw. Maschinen, die speziell für eine Handhabungsauf-gabe konstruiert wurden. Sie haben eine sehr kurze Taktzeit sind allerdings häufig sehr unflexibel, da sie nur auf ein Produkt zugeschnitten sind.Beispiel:Transfergreifereinrichtungen sind spezielle Bauformen einer Einlegeeinrichtung, bei der eine Vielzahl von Effektoren(Greifer, Sauger) Werkstücke gleichzeitig und schrittweise durch alle Bearbeitungsstationen einer Anlage reichen.Transfergreifereinrichtungen können innerhalb einer Stufenpresse oder zwischen mehreren Einzelpressen Werkstücke weitergeben.

Entnahmeeinrichtung in der Glasindustrie

1 Rotormaschine2 Stellspindel3 Umsetzer4 Werkstück5 Temperband6 Maschinegestell7 Entnahmeeinrichtung

Film: Fest programmiertes Fertigungssystem (FMS) zur Handhabung von Zündkerzen (Bihler)

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5.4.6 IndustrieroboterDer Industrieroboter ist mit das universellste Handhabungsgerät. Er hat eine CNC-Steuerung und besteht aus mehrerenvon einander unabhängig zu bewegenden Achsen. Er kann mit Greifer oder Werkzeuge (Effektoren) ausgestattet sein. Seine Bewegungen im werden durch ein Programm vorgeschrieben und können relativ schnell ohne mechanische Veränderungen abgeändert werden.

Film: Einsatzbereich von Robotern (Stäubli, Franuc, Kuka, Reis)/ Bild: Industrieroboter bei der Karosseriemontage (Kuka)

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Normen DIN EN ISO 8373: Industrieroboter – Wörterbuch. Berlin: Beuth Verlag , 1996

DIN 24601: Handhabungsgeräte und Industrieroboter; Mechanische Schnittstelle. Berlin: Beuth Verlag

RichtlinienVDI 2860: Montage- und Handhabungstechnik – Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen;

Begriffe, Definitionen, Symbole. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1990VDI 2861 Blatt 1: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter,

Achsbezeichnungen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988VDI 2861 Blatt 2: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter,

Einsatzspezifische Kenngrößen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988

5.5 Anhang

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Literaturhinweise• Hans B. Kief: FFS- Handbuch `92/93 (3. Auflage). München/ Wien: Hanser, 1992• Stefan Hesse: Handhabungsmaschine. Würzburg: Vogel, 1993• Bartenschlager/ Hebel/ Schmidt: Handhabungstechnik mit Robotertechnik. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg, 1998• Steuern und Regeln (9. Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2003• Automatisierungstechnik (4. Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2001• Lektor Handhabungstechnik (Version 1.0). Berlin: Technik und Medien, 2001• Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann: Vorl. Robotertechnik. Technische FH Berlin: WS 2004/2005• Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. J. Hesselbach & Dipl.-Ing. Mathias Krefft: Vorl. Industrieroboter. TU Braunschweig• Prof. Dr.-Ing. Henner Schneider: Vorl. Grundlagen der Robotik. FH Darmstadt• Dr. Ing. Eberhard Kroth: Lehrmaterial Reis Robotics

Filme[Bihler]: Otto Bihler Maschinenfabrik GmbH & Co. KG

D-87642 Halblech[Franuc]: FANUC Robotics Deutschland GmbH

D-73765 Neuhause[Kuka]: KUKA Roboter GmbH

D-86165 Augsburg[Plustech Oy]: Plustech Oy

33101 TampereFinnland/Suomi

[Reis]: Reis Robotics,D-63785 Obernburg

[Stäubli]: Stäubli GmbHD-95448 Bayreuth

[Strothmann]: W. Strothmann GmbH & Co. KGD-33758 SchloßHolte-Stukenbrock

Internet-Linkswww.vacuworld.com

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