Selbstoptimierende Montage von Großbauteilen

  Demonstrator-Vision

Immer mehr Industrieunternehmen stehen vor der Herausforderung, auch komplexe Montageprozesse flexibel automatisieren zu müssen, um international konkurrenzfähig zu bleiben. Mit der Komplexität der Prozesse erhöht sich jedoch meist auch die Komplexität der Anlagentechnik und -steuerung. Da nicht alle Anlagenzustände vorab geplant werden können, kann die Beherrschung der Prozesse nicht immer sichergestellt werden. Im Forschungsumfeld ist ein aktueller Lösungsansatz zur Beherrschung dieser Komplexität der Einsatz „selbstoptimierender Systeme“, die neben reinen Steuerungs- auch Planungsaufgaben übernehmen können und somit die Beherrschung der Anlage sicherstellen. Ansätze der Selbstoptimierung werden derzeit für Anwendungen in der Montage von Großbauteilen (wie beispielsweise aus dem Flugzeug-, Waggon- oder Windenergieanlagenbau) erforscht. Großbauteile stellen an die Produktionstechnik besondere Herausforderungen, da diese in besonderem Maße von ihren theoretisch geplanten Abmessungen abweichen können (auf Grund von Verformungen durch Gravitation, Fertigungstoleranzen oder Temperaturschwankungen).

 

Praxisproblem

Einfluss

Um Abweichungen zu kompensieren, werden für die Montage traditionell starre Stahlvorrichtungen eingesetzt, die die Geometrie der Bauteile exakt wiedergeben und Bauteilverformungen ausgleichen können. Da sich die Genauigkeit der Vorrichtungen direkt in der Maßhaltigkeit der Bauteile widerspiegelt, müssen die Vorrichtungen mit
wenigen Zehntelmillimetern Toleranz hergestellt bzw. bei der Inbetriebnahme eingemessen werden. Nicht nur die Genauigkeit, auch die Größe dieser Vorrichtungen führen zu enormen Anlagenkosten. Da diese „Schablonen“ auf die Geometrie eines Bauteils zugeschnitten sind, müssen die großen, teuren Anlagen bei entsprechender Teilevielfalt zudem mehrfach beschafft werden. Eine flexiblere Anlagentechnik zur Positionierung der Bauteile sind Roboter. Da die Großbauteile an mehreren Greifpunkten unterstützt werden müssen, kann die Entwicklung aufgabenangepasster Sonderkinematiken eine wirtschaftliche Alternative im Vergleich zu Industrierobotern sein. Durch eine einfache Umprogrammierung der Bewegungsbahnen können unterschiedliche Bauteile durch den Arbeitsraum bewegt und positioniert werden. Die geringere Genauigkeit eines Handhabungssystems im Vergleich zu einer starren Vorrichtung kann durch die Integration von externer Messtechnik kompensiert werden, indem Positionsabweichungen der Handhabungseinheiten gemessen und nachgeregelt werden. Die Verwendung von kooperierenden Handhabungseinheiten in Verbindung mit Messtechnik statt rein mechanischer Vorrichtungen führt zwangsläufig zu einer höheren Anlagenkomplexität und zu einem höheren Planungsaufwand.

 

Lösungsidee

Paragrip PARAGRIP

Zur Durchführung solch komplexer Produktionsprozesse wird derzeit der Einsatz von „Selbstoptimierung“ erforscht. Selbstoptimierenden Montagesystemen werden mehr Freiheitsgrade zur Planung und Steuerung übertragen, sodass das System innerhalb vorgegebener Grenzen „autonom“ Entscheidungen treffen, sein Verhalten „flexibel“ anpassen und das Montageziel „selbstoptimierend“ erreichen kann. Dazu ist es erforderlich, dass das System seine Umwelt über geeignete Sensorik wahrnehmen kann und ausreichend Freiheitsgrade besitzt, um den Prozessablauf der aktuellen Situation anpassen zu können. Um die durch den Produktionsprozess gestellten Anforderungen selbstoptimierend erfüllen zu können, wird ein wandelbares Montagesystem benötigt. Dieses muss mindestens die mechanischen Freiheiten bieten, die benötigt werden, um sich anpassen zu können. Durch eine rekonfigurierbare Handhabungstechnik werden die zusätzlichen mechanischen Freiheiten für eine selbstoptimierende Montage geschaffen. Einen vielversprechenden Ansatz zur Lösung bietet das Handhabungsprinzip PARAGRIP, bei dem das Handhabungsobjekt, in diesem Fall die Flugzeugschale, als vollwertiges Teil in die kinematische Kette der erzeugten Struktur integriert wird. Durch die Wahl der Kontaktpunkte kann das System selbstständig ohne bauliche Veränderungen rekonfiguriert werden. Dies schafft autonome Freiheiten zur Erzeugung der geforderten Wandelbarkeit.

 

Technische Herausforderungen

Messung

Damit einer Maschinensteuerung Planungsaufgaben übertragen werden können, müssen mathematische und physikalische Modelle entwickelt werden, die die Zustände und Wechselwirkungen zwischen Bauteil, Prozess und Montagesystem beschreiben. Während kinematische und dynamische Modelle zur Beschreibung einer Produktionsanlage weitestgehend existieren, besteht hier für die Beschreibung des Bauteilverhaltens unter der Einwirkung äußerer Kräfte noch grundlegender Forschungsbedarf. Ziel der Arbeiten ist es, auf Basis von Messdaten diese Modelle zu erstellen und bauteilindividuelle Roboterbewegungen abzuleiten, um deren Verformungen zu kompensieren. Die neue Handhabungstechnik muss entsprechend den Anforderungen durch einen veränderlichen Prozess mit Fokus auf Flexibilität und Wandelbarkeit entworfen und ausgelegt werden. Dazu wird ein durchgängig modulares Baukastensystem benötigt, mit dem schnell und einfach auf veränderte Anforderungen reagiert werden kann. Die Auswahl der Struktur und die Abmessungen eben jener stellen vor diesem Hintergrund eine große Herausforderung dar. Des Weiteren führen die erweiterten Freiheiten zu einer stark erhöhten Komplexität des Handhabungssystems. Um dennoch den optimalen Betriebspunkt finden zu können, müssen die benötigten Algorithmen für die Konfigurations- und Bahnplanung hergeleitet werden. Somit kann ein wandelbarer und effizienter Betrieb sichergestellt werden.