Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes · PDF file200 2 0 0 Wie? - Entstehung Probekörper 14 21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology. Wie? ... • „KUKA SimPro

www.opel.com

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


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

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Flexibilität

Leichtbau Modellvielfalt KostenHERAUSFORDERUNGEN

FAHRZEUGBAU

LÖSUNGSSTRATEGIEN

BEISPIEL – LÖSUNGENWERKZEUGBAU

Industrieroboter in Standardzellen

Innovationen


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%


Warum? - Typische Änderungen

Alle Bilder: Adam Opel AG


Warum? - Effektive Qualitätsschleifen

Charakteristik:

Viele separate Aufspannungennotwendig.Hoher Rüstaufwand.Viele Transportwege.Geringer Gesamtnutzungsgradder CNC-Maschine.Handarbeit.


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.


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


Alle Bilder: Adam Opel AG

200

200

Wie? - Entstehung Probekörper


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


Ergebnisse? - Fräsversuche Auswertung Referenz

Werksinterne Toleranzen(Theoretisch)

3D-Geometrieerfassung(Reale Werkzeugmaschine)

Messung: < ±0,07 mmBerechnung: < ±0,03 mm

Oberflächenanalyse(Reale Werkzeugmaschine)


HSC 5x-Portal WaSiSiemens 840DSiemens NX7.5

GOM Atos II

Ergebnisse? - Vergleich von Frässtrategien ‚Innen‘


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



ErgebnisRichtungswechsel der NC-Bahnwirken sich stark aus (± 0,35 mm)

MaßnahmenAbrupte Richtungswechselvermeiden „Harmonisierung“

Frässtrategie: Konturfolgend


Bewegung des FräsersAuswirkungen vonWerkzeugrichtungswechsel



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


Frässtrategien

Für Flächen bevorzugt Zick/Zack Strategie

Für Radien bevorzugt konturfolgend

Erst Radien-, dann Flächenbearbeitung

Überlappen der Fräsprogramme

Ergebnisse? - Schlussfolgerungen Frässtrategien


Programmbeispiel

Ergebnisse? - Umsetzung Frässtrategien


Frässtrategie

Auswirkungen vonWerkzeugrichtungswechsel

Ergebnis

Flächen gleichmäßig gefräst (± 0,18 mm)

In Radien stellenweise „Macken“ vorhanden (± 0,2 mm)


Ergebnisse? - ‚Exterior‘, Bearbeitungszeit


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


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


Ergebnis

Verbesserung der Abweichungen von±0,2 mm auf ±0,15 mm


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!


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!


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


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


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


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


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 +


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


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.


Ausblick – Herausforderungen

IDEEN?

Vielen Dank! Fragen?

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Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes · PDF file200 2 0 0 Wie? - Entstehung Probekörper 14 21.3.2014 Lutz Renger - Advanced Manufacturing Technology. Wie? ... • „KUKA SimPro