Table Of ContentForschungsberichte . Band 36
Berichte aus dem
Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
der Technischen Universität München
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. J. Milberg
Helmut Naber
Aufbau und Einsatz
eines mobilen Roboters
mit unabhängiger Lokomotions
und Manipulationskomponente
Mit 85 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1991
Dipl.-Ing. Helmut Naber
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), München
Dr.-Ing. J. Milberg
o. Professor an der Technischen Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), München
D 91
ISBN 978-3-540-54216-2 ISBN 978-3-662-05909-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-05909-8
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1991
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2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die Verbesserung der Fertigungsmaschinen, der Fertigungsverfahren und der Ferti
gungsorganisation im Hinblick auf die Steigerung der Produktivität und die Verringe
rung der Fertigungskosten ist eine ständige Aufgabe der Produktionstechnik. Die
Situation in der Produktionstechnik ist durch abnehmende Fertigungslosgrößen und
zunehmende Personalkosten sowie durch eine unzureichende Nutzung der Produk
tionsanlagen geprägt. Neben den Forderungen nach einer Verbesserung der Mengen
leistung und der Arbeitsgenauigkeit gewinnt die Steigerung der Flexibilität von Ferti
gungsmaschinen und Fertigungsabläufen immer mehr an Bedeutung. In zunehmen
dem Maße werden Programme, Einrichtungen und Anlagen für rechnergestützte und
flexibel automatisierte Produktionsabläufe entwickelt.
Ziel der Forschungsarbeiten am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissen
schaften der Technischen Universität München (iwb) ist die weitere Verbesserung der
Fertigungsmittel und Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine Optimierung der Ar
beitsgenauigkeit und Mengenleistung der Fertigungssysteme. Dabei stehen Fragen der
anforderungs gerechten Maschinenauslegung sowie der optimalen Prozeßführung im
Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung fortgeschrittener Produk
tionsstrukturen und die Erarbeitung von Konzepten für die Automatisierung des Auf
tragsdurchlaufs. Das Ziel ist eine Integration der technischen Auftragsabwicklung von
der Konstruktion bis zur Montage.
Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bände stammen thematisch aus den
Forschungsbereichen des iwb: Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen, Fertigungs
und Montageautomatisierung, Betriebsplanung sowie Steuerungstechnik und Infor
mationsverarbeitung. In ihnen werden neue Ergebnisse und Erkenntnisse aus der
praxisnahen Forschung des iwb veröffentlicht. Diese Buchreihe soll dazu beitragen,
den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem Anwender in der
Praxis zu verbessern.
Joachim Mi/berg
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter und als Abteilungsleiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Be
triebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München.
Herrn Professor Dr.-Ing. J. Milberg, dem Leiter dieses Instituts, gilt mein besonderer
Dank für die wohlwollende Förderung und großzügige Unterstützung sowie die wert
vollen Hinweise zu dieser Arbeit.
Ebenso möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Ehrlenspiel für die aufmerksame
Durchsicht der Arbeit und die sich daraus ergebenden Anregungen danken.
Darüberhinaus möchte ich allen Mitarbeitern des Instituts und allen Studenten, die
mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstützt haben, meinen Dank aussprechen.
Poing, 1991 Helmut Naber
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Einleitung
1.2 Ziel der Arbeit und Vorgehensweise 4
2. Grundlagen mobiler Roboter 7
2.1 Definition Industrieroboter 7
2.2 Definition mobiler Roboter 7
2.3 Komponenten mobiler Roboter 8
2.4 Entwicklung einer Systematik über den Aufbau mobiler Ro
boter 11
2.4.1 Gesamtaufbau 11
2.4.2 Lokomotionseinheit 14
2.4.3 Manipulationseinheit, Transportable Robotereinheit. 18
2.4.4 Energieversorgung ortsveränderlicher Verbraucher 21
2.4.5 Informationstechnische Integration in die Fabrikumge-
bung 23
2.5 Systematik mobiler Roboter 27
2.6 Vorgehensweise und Hilfsmittel bei der Planung mobiler Ro-
boter 28
2.6.1 CAD und Graphische Simulation 29
2.6.2 Ablaufsimulation 35
2.6.3 Programmierung mobiler Roboter 36
2.6.3.1 Roboterprogrammierung 37
2.6.3.2 Fahrzeugprogrammierung 41
3. Stand der Technik 43
3.1 Beispiele realisierter mobiler Roboter 43
3.1.1 Industrieapplikationen, kommerzielle Anbieter 43
3.1.2 Applikationen aus Forschungsanstalten 44
3.2 Abgrenzung der Entwicklungsbestrebungen 45
3.2.1 Verwandte Entwicklungen 45
3.2.2 Abgrenzung innerhalb der Gruppe der mobilen Roboter 47
4. Einsatzmöglichkeiten mobiler Roboter 50
4.1 Chancen mobiler Roboter 50
4.2 Vorgehensweise bei der Suche nach Einsatzmöglichkeiten 51
4.3 Allgemeine Randbedingungen für den Einsatz mobiler Ro-
boter 52
4.4 Einsatzmöglichkeiten in der Fertigung 54
4.4.1 Strukturierung der Fertigungsumgebung 56
4.5 Ableitung aus Einsatzfällen stationärer Roboter 59
5. Konzeption eines mobilen Roboters 62
5.1 Vorgehensweise 62
5.2 Definition des Gesamtsystems für die Konzeption 64
5.3 Konzeption einer transportablen Robotereinheit 65
5.4 Auswahl des Fördersystems 68
5.4.1 Komponenten Fahrerloser Transportsysteme 70
5.4.2 Lastübergabe 73
5.4.3 Lenksystem und Fahrgestell 74
5.4.4 Auswahl des Lastübergabesystems 76
6. Entwurf und Versuchsautbau eines mobilen Roboters 80
6.1 Beschreibung des Zielsystems 80
II
6.2 Ausführung der Transportablen Robotereinheit 82
6.2.1 Flexibilität der transportablen Robotereinheit gegen-
über verschiedenen Förderern. 86
6.3 Ausführung des Fördersystems 87
6.3.1 Realisierung der Lastübergabe 87
6.4 Energieversorgung elektrisch 90
6.4.1 Auswahl des Batteriesystems 91
6.4.2 Versorgungsnetz 95
6.4.3 Energieversorgung der Robotersteuerung 96
6.5 Druckluftversorgung 97
6.6 Informationstechnische Integration 99
6.7 Energie und Datenkopplung 101
6.7.1 Ausführung einer Koppeleinheit 101
7. Einsatzbeispiele des mobilen Roboters 104
7.1 Mobiler Roboter in der Mehrmaschinenbedienung 105
7.1.1 Randbedingungen flexibler Fertigungstechnik 105
7.1.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus 'Flexibles Ferti-
gungssystem' 106
7.1.3 Einsatzstrategien mobiler Roboter in der Mehrmaschi-
nenbedienung 108
7.1.4 Automatischer Werkstückwechsel bei Bearbeitungszen-
tren. 110
7.1.5 Automatischer Werkzeugwechsel bei Bearbeitungszen-
tren 112
7.1.6 Automatischer Werkstückwechsel bei Drehmaschinen 114
7.1.7 Automatischer Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen 115
III
7.1.8 Übernahme von Meßaufgaben durch den mobilen Robo-
ter 117
7.1.9 Erweiterung des vorhandenen Fertigungssystems 117
7.2 Mobiler Roboter als Bearbeitungsmaschine 118
7.2.1 Bohren und Nieten von Flugzeuglandeklappen 119
8. Ausblick 123
8.1 Der Schritt zum autonomen mobilen Roboter 123
8.1.1 Begriffsbestimmung 123
8.1.2 Transportsystem 125
8.1.3 Roboter 126
9. Zusammenfassung 128
IV
1. Einführung
1.1 Einleitung
In der Geschichte der Roboter stellen die seit Mitte der sechziger Jahre einsatzfähigen
Industrieroboter die erste Generation dar. Sie haben den Menschen in verschiedenen
Anwendungen von körperlich schwerer und monotoner Arbeit entlastet. Im Laufe der
Entwicklung konnten die Roboterkomponenten wie z.B. Steuerung, Mechanik und
Antriebe wesentlich verbessert werden, sodaß moderne 6-Achsen-Roboter den Men
schen auch von Arbeiten entlasten können, die hohe Anforderungen an den Bewe
gungsablauf stellen, bezüglich Kinematik, Dynamik und Kräften. Verschiedene Auf
gaben kamen bisher nicht in Betracht, da sie hohe sensomotorische Fähigkeiten for
dern. Hier haben umfangreiche langjährige Bemühungen den Robotern der zweiten
Generation die Fähigkeit gegeben zu sehen und zu tasten. Industrieroboter erschlos
sen sich damit neue Aufgabengebiete. Diese Entwicklung dauert an.
Beinahe alle bis heute eingesetzten Industrieroboter sind stationäre Geräte. Zahlreiche
Einsatzmöglichkeiten bleiben diesen stationären Robotern jedoch verschlossen, da
entweder die Wirtschaftlichkeit nicht nachweisbar ist oder der EinsatzfaII Eigenschaf
ten fordert, die nur mit einem ortsbeweglichen, einem sogenannten mobilen Roboter,
erfüllbar sind. Die Wirtschaftlichkeit beim Robotereinsatz läßt sich z.B. durch eine
Mehrmaschinenbedienung mit mobilem Roboter verbessern. Die technische Forde
rung nach einem mobilen Roboter liegt z.B. vor, wenn ein Werkstück aufgrund von
Masse oder Ausmaßen nicht zum Roboter gebracht werden kann, sodaß man diesen
zum Werkstück bringen muß.
Neben der Forderung nach Mobilität besteht der Wunsch nach Autonomie. Hierdurch
soll das System die Fähigkeit zur selbständigen Abarbeitung komplexer Aufgaben
und die Möglichkeit zu einer selbständigen Reaktion auf Konfliktsituationen oder
Störungen bekommen. Die Bemühungen bei der Weiterentwicklung von Robotern
gelten demnach zwei Punkten:
Mobilität,
Autonomie.
