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Experimentelle Anwendung eines Trainingssimulators
für manuelle Schweißprozesse im Teach-In von
Schweißrobotern
Experimental Adaptation of a Training Simulator for
Manual Welding Processes towards the Teach-In of
Welding Robots
Benjamin Knoke, Mareike Voskuhl, Marcel Tebbe, Markus Häveker, Christian Gorldt, Klaus-Dieter Thoben
ASIM Fachtagung 2018
2Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH
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3Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Das BIBA
Gegründet 1981 als erstes An-Institut der
Universität Bremen
Zwei Forschungsbereiche:
IKAP: Informations- und
Kommunikationstechnische
Anwendungen in der Produktion
IPS: Intelligent Produktions- und
Logistiksysteme
150 Mitarbeiter
Prof. Dr.-Ing.
Klaus-Dieter Thoben
(IKAP)
Prof. Dr.-Ing.
Michael Freitag
(IPS)
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4Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Titel: Experimental Adaptation of a Training Simulator for
Manual Welding Processes towards the Teach-In of
Welding Robots
Autoren: Benjamin Knoke, Mareike Voskuhl, Marcel
Tebbe, Markus Häveker, Christian Gorldt, Klaus-Dieter
Thoben
Ziel: Machbarkeitsanalyse zur Anwendung von
Schweißsimulatoren mit Augmented Reality Technologie
zur Konfiguration von Industrierobotern in der
Automobilbranche
Vorgehen:
Gestaltung eines experimentellen Funktionsmusters
Evaluation mittels Experteninterviews
Übersicht zur Veröffentlichung
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5Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Begriffsklärung: Teach-In
Motivation
Fragestellung
Stand der Technik
Methode
Verwendeter Schweißroboter
Verwendeter Trainingssimulator
Konfiguration
Ergebnisse
Einschränkungen
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung der Präsentation
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6Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Teach-In ist ein Verfahren zur
Programmierung von Industrierobotern.
Der Roboter wird über eine
Steuerungskonsole manuell über die
gewünschten Positionen gefahren.
Die dabei erzeugten
Koordinatenpunkte werden gespeichert
und die Programmierung erzeugt.
Begriffsklärung: Teach-In
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7Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Schweißroboter sind ein wichtiger Bestandteil der
Automatisierungstechnik in der Automobilindustrie.
Die Programmierung der Schweißnähte wird
üblicherweise von Programmierer/innen iterativ
durchgeführt.
Simulationen werden bspw. in CAD Umgebungen
durchgeführt, können die Testläufe jedoch nicht ersetzen.
Die bei den Testläufen verbrauchten Karosserieteile
werden verschrottet.
Aktuelle Modelle beinhalten ca. 600 komplexe
Schweißnähte, sodass hier hohe Kosten entstehen.
Motivation
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8Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Im Ausbildungsbereich werden Trainingssimulatoren zum
Erlernen manueller Schweißfertigkeiten eingesetzt.
Über optische Sensoren wird die relative Orientierung und
Position von Werkstück und Brenner fortlaufend erfasst.
Fragestellung
Mittels Augmented
Reality (AR) werden
Hilfsmarkierungen
eingeblendet.
Untersucht wird,
inwiefern sich diese
Hilfe zum Teach-In
von Schweißrobotern
nutzen lässt.
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9Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Programme für Schweißroboter werden üblicherweise auf
Basis von CAD Modellen oder mittels Teach-in generiert.
In aktuellen CAD Umgebungen können die Schweißnähte
definiert und die Programmierungen exportiert werden.
In der Automobilbranche ist die Teach-In Methode am
verbreitetsten.
Ein alternativer Ansatz für schwer einsehbare
Schweißnähte wurde von Ni et al. (2017) entwickelt.
Hier werden über Scanner 3D Modelle der realen Bauteile
generiert.
Haptische Eingabegeräte erlauben die Definition der Nähte.
Feedback wird über AR und Vibration ausgeben.
Das Feedback ist auf das Einhalten des Fahrweges limitiert.
Stand der Technik
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10Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Methode: Verwendeter Schweißroboter
Verwendet wurde ein Kuka-Roboter KR15 (15kg) mit
KRC4-Steuerung
Bestandteile Schweißgerät:
- Stromquelle und CPU
- Kabelbaum
- Verlängerungsflansch
- Materialzuführung
- Vorschubmotor
- Brenner
- Tech-Software
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11Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Verwendet wurde ein Trainingssimulator für Schweißer
von Seabery Soluciones. SL der Marke Soldamatic.
Die vom System angezeigten Parameter umfassen:
Brennerabstand, Anstellwinkel, Brennerwinkel, Laufweg,
und Geschwindigkeit. Außerdem werden Stromstärke,
Spannung und Gaszufuhr variiert werden.
Methode: Verwendeter Trainingssimulator
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12Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Zur Befestigung des Kamerasystems wurde eine
Halterung konstruiert.
Die Programmierung wurde entsprechend des Feedbacks
justiert und anschließend mehrfach abgefahren.
Die Ergebnisse wurde von Auszubildenden, Ausbildern
und Roboterbedienern bewertet.
Methode: Konfiguration
Parameter WertSchwierigkeit AnfängerMaterial StahlSchweißverfahren MIG/MAGWerkstück T-StoßMaterialstärke 10mmDrahtdurchmesser 1mmNahtart Kehlnaht, 1-lagigSchutzgas Argon-MischgasStromstärke 23ASpannung 30V
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13Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Die Markierungen konnten genutzt werden, um die
Programmierung anzupassen.
Eine entsprechend erstellte Programmierung lieferte
konstante Ergebnisse.
Orientierung und Position des Brenners gleichen dabei
der idealen Einstellung.
Durch das Kamerasystem erhält der Bediener eine
bessere Sicht auf das Werkstück, was bei schwer
zugänglichen oder unergonomischen Prozessen hilft.
Die Anwendung der Simulation wurde vom
Wartungspersonal prinzipiell sehr positiv bewertet, da sich
so viel Aufwand einsparen ließe.
Ergebnisse
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14Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Die von der Simulation verlangte Geschwindigkeit (ca.
1,5mm/s) würde zu einem Durchbrennen führen.
Die Anwender bewerten die Simulation als zu starr, um
industriellen Anforderungen gerecht zu werden.
Z. B. können innerhalb einzelner Schweißprozesse variable
Wandstärken eine Variation der Geschwindigkeit erfordern.
Die Anwendung ist limitiert auf die von der Simulation
vorgegebenen Übungswerkstücke. Eine Erweiterung auf
Grundlage derselben Technologie ist aufwändig.
Das Kamerasystem erfordert eine Positionierung in einer
Entfernung von etwa 300mm zum Schweißbrenner und ist
relativ anfällig für Vibrationen.
Einschränkungen
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15Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Die visuelle Unterstützung des Teach-Ins mittels AR ist
prinzipiell möglich.
Gute Ergebnisse entstanden bei Orientierung und Position
des Brenners.
Die Verwendung für schwer zugängliche Prozesse bietet
einen zusätzlichen Mehrwert.
Für den industriellen Einsatz ist eine dedizierte Anwendung
erforderlich, die entsprechend konfigurierbar ist.
Ein Scanner-Modul (vgl. Ni et al. 2017) könnte die
Verwendung individueller Bauteile ermöglichen.
Zusammenfassung und Ausblick
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16Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
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Quellen
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17Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
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Geschäftsführer: Prof. Dr.-Ing. K.-D. Thoben
Benjamin Knoke
BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH
at the University of Bremen
IKAP - Collaborative Business in Enterprise networks
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18Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
MESA Projekt
Name: MESA – Medieneinsatz in der Schweißausbildung
Laufzeit: 01.08.2015 - 31.01.2018
Programm: Digitale Medien in der beruflichen Bildung
Ziel: Erforschung von Digitaler Medien zur Qualifizierung von
Schweißern, Fokus auf Trainingssimulatoren
Koordination: Benjamin Knoke, BIBA – Bremer Institut für Produktion
und Logistik GmbH
Weitere Informationen auf: http://mesa-projekt.de
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19Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Begriffsklärung: AR/VR Technik
AR: Erweiterte Realität (Augmented Reality)
Computergestützte, durch Informationen erweiterte Realität
VR: Virtuelle Realität (Virtual Reality)
Computergenerierte, interaktive und virtuelle Umgebung
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20Bremen, 13.03.2018 BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH Benjamin Knoke
Halterung für Kamerasystem