Efficient commissioning of cooperating assembly-robots enabled by Indoor-GPS
Final Report Abstract
Innerhalb des Forschungsvorhabens wurde eine technologische Lösung zur Planung, Optimierung und Absicherung messtechnisch gestützte und roboterbasierte Montagesysteme im Kontext von Industrie 4.0 geliefert und dadurch ein signifikanter Beitrag zur Beherrschung zukünftiger Produktionstechnologien geleistet. Das Forschungsergebnis findet Anwendung innerhalb der Montage, welche als letzter Schritt im Produktionsprozess den Auswirkungen aller Fehler vorgelagerter Produktionsschritte und dem Spannungsfeld globalisierter und volatiler Märkte sowie den gesteigerten Produkt- und Produktionsanforderungen in einem besonderen Maße ausgeliefert ist. Messtechnisch gestützte und roboterbasierte Montagesysteme zeichnen sich durch den Einsatz geeigneter Messsysteme zur Digitalisierung von realen Bauteilen sowie Prozesszuständen aus und ermöglichen durch modellbasierte Algorithmen die Regelung der Prozesse sowie der Robotik. Diese Technologien ermöglichen flexible, adaptive, wandlungsfähige, wiederverwendbare sowie frei verkettete und skalierbare Produktionssysteme, welche über den Produktlebenszyklus hinaus und zur parallelen Produktion verschiedener Produkte eingesetzt werden können. Zur Planung, Optimierung und Absicherung messtechnisch gestützter und roboterbasierter Montagesysteme wurde innerhalb des Forschungsvorhabens ein virtueller Prototyp des Montagesystems abgeleitet, anhand dessen der technologische Reifegrad innerhalb einer Simulation optimiert und eine effiziente Inbetriebnahme und Rekonfiguration ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wurde die Prozessfähigkeit des Gesamtsystems unter Berücksichtigung der Messunsicherheit der verwendeten Sensorik sowie der komplexen Wirkzusammenhänge zwischen den Komponenten des Montagesystems zu einer frühen Planungsphase bestimmt. Etablierte Simulationstools für roboterbasierte Montagesysteme finden während der Planung und Zellenauslegung sowie der Bahnplanung, Programmierung, Kollisionsüberwachung und der Berechnung von Taktzeiten zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit Anwendung. Diese genügen aber nicht den Anforderungen zur Planung messtechnisch gestützter und roboterbasierter Montagesysteme und ermöglichen keine zeit- und kosteneffiziente Inbetriebnahme und Rekonfiguration, weil nicht alle Randbedingungen und Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit der Messsysteme sowie keine Abschätzung der Prozessfähigkeit während der Simulation berücksichtigt wird. Daher wurde innerhalb dieses Forschungsvorhabens ein etabliertes Simulationstool um einen virtuellen Prototypen zur Planung messtechnisch gestützter und roboterbasierter Montagesysteme weiterentwickelt. Im ersten Schritt wurde basierend auf einer dynamisierten Toleranzkettenanalyse die Prozessfähigkeit des Montagesystems entsprechend den Prozessanforderungen und den Unsicherheitsbeiträgen jeder Komponente des Montagesystems ermittelt. Die Simulation roboterbasierter Montagesysteme wurde um die Sichtverbindungen eines optischen Messsystems am Beispiel des indoor Global Positioning System (iGPS) der Firma Nikon erweitert und die Signalstabilität qualitativ bewertet. Im nächsten Schritt wurde die Konfiguration des Messsystems zur Durchführung des individuellen Montageprozesses anhand einer Heuristik optimiert. Die Heuristik wurde aus den Untersuchungen zur Positionsregelung von Industrieroboter abgeleitet. Für die quantitative Bewertung der individuellen Konfiguration des verteilten Messsystems wurde dessen Messunsicherheit in Abhängigkeit der Konfiguration experimentell bestimmt und in einem Modell hinterlegt. Das daraus resultierende Ergebnis aus diesem Forschungsvorhaben ist die Erweiterung eines etablierten Simulationstools zur Offline-Programmierung von Robotern um einen virtuellen Prototypen zur Beschreibung eines messtechnisch gestützten und roboterbasierten Montagesystems. Dadurch wird die Auslegung und Optimierung des Montageprozesses und -systems unter Berücksichtigung der Messunsicherheit für den dynamisierten Prozessablauf ermöglicht. Zentraler Mehrwert aus dem Forschungsvorhabens ist die Optimierung der Konfiguration des Messsystems unter Berücksichtigung des Produktionssystems sowie des Prozessablaufs unter Verwendung eines Modells des laserbasierten Messsystems, welches die Messunsicherheit des iGPS qualitativ bewertet, optimiert und absichert.
Publications
- Improving Accuracy of Cooperating Robots by prediction of the iGPS-Signal-Stability, in the proceedings of 9th International Conference on Machine Tools, Automation, Technology and Robotics (MATAR2012), Sept. 12-14, 2012, Prague, Czech Republic
Schmitt, R.; Müller, R.; Jatzkowski, P.; Duffe, A.; Quinders, S.
- Integrated Approach of Different Simulation Strategies to Achieve an Efficient Reconfiguration of Assembly. In: L. Blunt Hg.: Laser metrology and machine performance X. 10th International Conference and Exhibition on Laser Metrology, Machine Tool, CMM & Robotic Performance, Lamdamap, 2013
Schmitt, R.; Quinders, S.
- Metrology Infrastructure for Multi-Robotic Cooperative Assembly, in the 11th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII 2013), Aachen
Forbes, A.; Schmitt, R.; Quinders, S.
- Concept of a virtual metrology frame based on absolute interferometry for multi robotic assembly, in the proceedings of the 7th International Precision Assembly Seminar (IPAS 2014), 16-18 February 2014, Chamonix, France
Schmitt, R.; Peterek, M.; Quinders, S.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-45586-9_11) - Kollaborative Cyber-Physische Produktionssysteme: Ausbruch aus der Produktivitätsfalle. In: Brecher, C.; et al.: Aachener Werkzeugmaschinenkolloquium 2014, Integrative Produktion: Industrie 4.0, Aachener Perspektiven, ISBN: 978-3-8440-2586-6, pp.365-374; Aachen: Shaker, 2014
Schmitt, R. H. et al.
- Koordinatenmesstechnik für große Volumina befähigt Roboter zur automatisierten LKW-Montage am Fließband, in Koordinatenmesstechnik 2014 - Schlüsseltechnologie für die Produktionstechnik von morgen, VDI Wissensforum GmbH, VDI-Berichte Band-Nr. 2243, 19.-20. November 2014, Braunschweig, Deutschland
Schmitt, R.; Kimmelmann, W.; Quinders, S.
- Metrology Assisted Assembly of Airplane Structure Elements. In: Procedia CIRP. 23. Jg., 2014, S. 116–121
Schmitt, R.; Witte, A.; Janßen, M.; Bertelsmeier, F.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.10.073) - Industrie 4.0 in der Montage - Bedeutung für produzierende Unternehmen, Potenziale, Fallbeispiele, VDI-Automatisierungskongress (AUTOMATION-2015) Benefits of Change – the Future of Automation, VDI Wissensforum GmbH, VDI-Berichte Band-Nr. 2258, 11-12 Juni 2015, Baden-Baden, Deutschland
Schmitt, R.; Bertelsmeier, F.; Quinders, S.; Hüttemann, G.
- Advances in Large-Scale Metrology – Review and future trends. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology. 65. Jg. 2016 Nr. 2, S. 643–665
Schmitt, R. H. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.05.002) - Investigation of the Applicability of an iGPS Metrology System to Automate the Assembly in Motion of a Truck Cabin. In: AMM 840, S. 58–65
Schmitt, R.; Kimmelmann, W.; Quinders, S.; Storm, C.; Oberhansberg, F.
(See online at https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.840.58) - Frei verkettete wandlungsfähige Montage. In: Schuh, G., et al.: AWK Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017 Internet of Production für agile Unternehmen. Aachen: Apprimus, 2017
Schmitt, R. H. et al.
- Virtueller Prototyp zur Optimierung und Absicherung der Konfiguration messtechnisch gestützter und roboterbasierter Montagesysteme, Apprimus Verlag, ISBN: 978-3-86359-579-1, 2017, Aachen
Quinders, S.
- Steigerung der Prozessfähigkeit gewandelter Montagezellen durch Selbstreferenz, Apprimus Verlag, ISBN 978-3-86359-588-3, 2018, Aachen
Schönberg, A.
- Einsatz eines Cyber-Physischen Produktionssystems zur flexiblen Positionierung und Ausrichtung von dünnwandigen Großbauteilen. Aachen : Apprimus Verlag, (2019). XIII, 147 Seiten
Bertelsmeier, F.
