Baukasten Automatisierung

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Einleitung

Das Projekt Baukasten Automatisierung ist ein im Rahmen des Projektes 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR) entstandenes Nebenprojekt. Es wurde von Raphael Blessau und Jan Völlmecke im Wintersemester 2016/2017 begonnen.

Aufgabenstellung/Projektsteckbrief

Das Ziel des Projekts ist es, einen Baukasten mit vielen verschiedenen Bauteilen, wie bspw. Linearantriebe und Sensoren, zu erstellen, um damit kleinere automatisierte Vorgänge aufbauen zu können.

Dazu sollen folgende Aufgaben erfüllt werden:

Abb. 1: Aufgabenstellung des Projektes

• Konzeption eines Baukastens mit
  • Aktoren
  • Sensoren
  • Ansteuerung
  • Profilen und Verbinderteilen

• Einsetzbar für
  • Beispiel Produktionsschritt
  • variable Aufgaben

• Angebote einholen
• Beschaffung bis 12.000€

In der folgenden Datei befindet sich die an Hand dieser Aufgabenstellung erstellte Aufgabenliste für die Praktikumstermine, welche entsprechend der Rahmenbedingungen des Praktikums angepasst wurden. In der Liste sind neben den erledigten Aufgaben auch Aufgaben enthalten, welche in den Folgesemestern weiter bearbeitet werden müssen. Es handelt sich um einlebendes Dokument, welches den Projekt/Aufgaben Status anzeigt.

Medium: Baukasten_Aufgabenliste.xls

Konzept des Baukastens

Das Konzept bzw. das Ziel des "Baukasten Automatisierung" ist es, eine Grundlage aus verschiedenen Grundkomponenten und Bauteilen zusammen zu stellen, mit denen schließlich verschiedene Montage- und Handhabungsaufgaben automatisiert bzw. teilautomatisiert gelöst werden können. Diese Lösungen sollen bspw. während eines Praktikums von den Studierenden erarbeitet und aufgebaut werden. Anfangs steht die Bestellung der Grundkomponenten, wie Greifer, Antriebe, Förderbänder etc. im Vordergrund. Auf Grundlage dieser Bauteile sollen schlussendlich die Aufgaben entworfen und gelöst werden.

Abb. 2: Arbeitstisch

Das Projekt "Baukasten Automatisierung" könnte bspw. im Praktikum im Rahmen des Fachs Montage- und Handhabungstechnik genutzt werden.

Um den Baukasten möglichst flexibel zu halten, wurden viele Einzelteile oder auseinandernehmbare Module bestellt. Außerdem sollen die Bauteile auf einem fahrbaren Tisch montiert werden, damit die aufgebauten Beispiele auch Raumwechsel unproblematisch überstehen. Damit auch mehrere kleine Beispielaufgaben parallel aufgebaut werden können, wurde ein großer Tisch gewählt (s. Abb. 1).

Im Rahmen der Konzepterstellung wurde auch eine Anforderungsliste erstellt. Diese finden Sie in der folgenden Datei.

Medium: Baukasten_Anforderungsliste.xlsx

Die Anforderungsliste zeigt auf, welche Anforderungen an den Baukasten gestellt werden. Dazu zählen bspw. Geometrie und Gewicht (z.B. Größe der Arbeitsplatte). Weitere Punkte sind Schnittstellen bzw. Energien, Aufbau bzw. Funktion, Gebrauch bzw. Instandhaltung, Werkzeuge bzw. Kleinteile, Dokumentation und Budget. Unter jedem dieser Punkte sind einige Anforderungen definiert. Diese Liste kann theoretisch von den Folgesemestern für spezielle Handhabungsaufbauten erweitert bzw. verfeinert werden.

Anforderungen
Geometrie/Gewicht	Schnittstellen/Energie	Aufbau/Funktion	Gebrauch/Instandhaltung	Werkzeuge/Kleinteile	Dokumentation	Kosten
Arbeitsfläche: 750x1200 mm	Verwendung vorhandener Energieformen: Elektrisch, Pneumatisch	Funktion: Baukastenentwicklung zur Darstellung verschiedener Montage- und Handhabungsaufgaben	Bedienung, Kontrolle, Instandhaltung der Anlage gemäß der beiliegenden Dokumentationen	Nutzung vorhandener Werkzeuge (Laborausstattung)	HSHL-Wiki Beitrag	Budget: 12.000€
Leichtbauweise	Gleichstromanschluss 230V	Aufbau auf Arbeitstisch	Gewährleistung der Zugänglichkeit von Verschleißteilen und Wartungsteilen	Kleinteile aus Lagerbeständen (HSHL)	Projektunterlagen in SVN ablegen
ergonomische Arbeitshöhe	pneumatischer Systemdruck: max. 5 bar (Überdruck); -0,3 bar (Vakuum)	Flexibler Aufbau	Gesicherte Ersatzteilversorgung für 10 Jahre		Datenblätter und Bauteilstückliste
		Nutzung lösbarer Verbindungen			Konzepterklärung
		Transportfähiger Aufbau und Baukasten			Präsentationen

Realisierbare Funktionen

Zu Beginn des Praktikums wurde darüber nachgedacht, was für automatisierte Montage- bzw. Handhabungsaufgaben mit dem Baukasten ermöglicht werden sollen. Dabei sind die folgenden ersten sechs Aufgaben entstanden:

• Montagearbeiten (auf-, in-, aneinander Fügen)
• Gezielte Lagerentnahme
• Teileförderung (Band, Greifer, Rutschen)
• Teileausrichtung
• Teilesortierung (Größe, Farbe, Form, z.B. Lego)
• Abpackanlage

Auf Basis dieser Überlegungen folgten die Recherche über Firmen und Automatisierungsbauteilen sowie die Konzeption einer 1.Beispielaufgabe. Die Beispielaufgabe sieht vor, einen Schraubvorgang zu automatisieren. Gemeint ist das Bestücken einer Schraube mit Unterlegscheibe und Mutter und dem anschließenden Transport inklusive Lagerung. Damit kann eine aus den o.g. Aufgaben kombinierte Handhabungsstation realisiert werden.

Bauteile

Die Liste aller Bauteile wird in der Kategorie "Baukasten Automatisierung" gepflegt.

Abb. 3: Bauteile der Firmen Festo-Didactic, Festo und igus

Grundidee eines zu realisierenden, jedoch umfangreichen Automatisierungsvorgangs (Schraubvorgang)

Abb. 4: Skizze zur ersten komplexeren Montageaufgabe

Das Konzept für den automatisierten Schraubvorgang mit Sortierfunktion ist in diesem Praktikum nicht über eine Skizze (Abb. 4) hinausgekommen.

Abbildung 3 zeigt eine etwas komplexere Montageaufgabe, welche automatisiert durchgeführt werden soll. Im Grundsatz geht es darum, dass zwei unterschiedlich lange Schrauben, jeweils mit einer Unterlegscheibe und einer Mutter bestückt werden und abschließend nach Länge sortiert in Behälter gegeben werden. Um dies durchzuführen werden ein Greifer, ein Fließband, zwei Rutschen, zwei Behälter, eine Lichtschranke, zwei Magazine, eine Schiene und eine Ablage benötigt.

Die Schraube soll zunächst händisch auf die Ablage gelegt werden. Hinter der Ablage befindet sich der Greifer, in dessen Reichweite sich ein Magazin für die Muttern und eines für die Unterlegscheibe befindet. Nachdem eine Schraube in die Ablage gestellt wurde, muss ein Startbefehl erfolgen. Dann soll der Roboter zunächst eine Unterlegscheibe greifen und auf der Schraube platzieren und dann dasselbe mit einer Mutter tun. Danach nimmt der Greifer die Schraube und legt sie auf das Fließband. Auf der Mitte der Strecke des Fließbands befindet sich eine Lichtschranke auf einer Höhe, dass die Schreibe die Lichtschranke durchbricht. Anhand der Dauer der Unterbrechung der Lichtschranke, kann dann die Schraube in die passende Box sortiert werden. Dafür wird entweder die Schiene umklappen um die Schraube auf die erste Rutsche zu lenken, oder die Schraube wandert am Ende des Fließbands auf die zweite Rutsche. Unter den Rutschen steht eine Box bereit.

Ablauf in Stichpunkten:

• Schraube händisch in Ablagefläche platzieren
• Anlage starten
• Greifer packt Unterlegscheibe und platziert diese auf der Schraube
• Greifer packt Mutter und befestigt diese an der Schraube
• Greifer packt Schraube und legt diese auf das Förderband
• Lichtschranke erkennt ob lange oder kurze Schraube an Hand der Signalunterbrechung
• Bei kurzer Schraube wird die Schiene bewegt, um Schraube in passenden Behälter zu lenken
• Bei langer Schraube bleibt diese auf dem Förderband und landet am Schluss im Behälter für lange Schrauben
• Volle Behälter entfernen und durch leere Behälter ersetzen

Mögliche umsetzbare Handhabungs- u. Automatisierungsaufgaben

Abb. 5: Das Modul PicAlfa der Firma Festo-Didactic

Im Rahmen des Praktikums wurde neben der ursprünglich geplanten Beispielaufgabe noch eine zweite, nicht so komplexe Aufgabe entworfen, um eine grundlegende Form der Bewegung bzw. Automatisierung auszutesten. Es entstand die Idee das Modul PicAlfa (Abb. 5) in Betrieb zu nehmen und mit Hilfe des Moduls ein Bauteil von einer Stelle A zu einer anderen Stelle B zu transportieren. Dies klingt zunächst ziemlich simpel, bildet aber die Grundlage für diverse komplexere Automatisierungsprozesse wie z.B. den o.g. Schraubvorgang.

Beispiel Modul PicAlfa

Das Beispiel Modul PicAlfa ist schon ein wenig detaillierter geplant worden, so gibt es eine exakte Skizze und einen exakten Ablauf des automatisierten Prozesses.

Im Folgenden befindet sich ein Ablaufplan der Handhabungsaufgabe, welcher den nachfolgenden Gruppen, das Realisieren der Aufgabe erleichtern soll.

Medium:Ablaufplan_Modul_PicAlfa.pdf

Außerdem gibt es auch noch entsprechende Schaltpläne zu der Aufgabe. Auf dieser Grundlage können die folgenden Semester den Aufbau eigenständig erarbeiten.

Medium:Schaltungsunterlagen_Modul_PicAlfa_Aufbau.pdf

Medium:Schaltungsunterlagen_Modul_PicAlfa_Eingänge.pdf

Medium:Schaltungsunterlagen_Modul_PicAlfa_Ausgänge.pdf

Medium:Schaltungsunterlagen_Modul_PicAlfa_Schaltplan.pdf

Liste der Hersteller

Firma	Produkte	Homepage
SMT Montagetechnik	Profile, Verbinder	http://www.smt-montagetechnik.de
Motedis	Profile, Verbinder	http://www.motedis.com
Bosch Rexroth	Profile, Verbinder	http://www.boschrexroth.com
Festo	Pneumatik-, Elektronikbauteile, Zubehör	http://www.festo.com
Festo Didactic	Pneumatik-, Elektronikbauteile, Zubehör	http://www.festo-didactic.com
Gecko Drive	Schrittmotortreiber	http://www.geckodrive.com
isel	Lineareinheiten, Motoren, Sensoren	http://www.isel.com
igus	Linearantriebe, Schrittmotoren, Zubehör	http://www.igus.de
ipf electronic	Elektronikbauteile, Sensoren, Zubehör	http://www.ipf-electronic.de

Hürden/Herausforderungen

Während des Projektes gab es einige Hürden und Herausforderungen. Diese werden im folgenden dargestellt, um anderen Gruppen die Möglichkeit zu geben, bereits aufgetretene Probleme zu umgehen.

1. Das Budget: Zunächst klang das Budget mit 12000€ als ziemlich hoch und vor allem ausreichend angesetzt. Es zeigte sich jedoch, dass Bauteile, wie sie hier gefordert waren, sehr schnell, sehr viel Geld benötigen. Dadurch wurde das Budget leider überschritten. Es sollte nun jedoch systematisch eine gute Grundlage für weitere Aufbauten geschaffen sein.

2. Zeitdruck bei der Bestellung: Dadurch, dass das Budget noch im Kalenderjahr 2016 vollständig aufgebraucht werden musste, fehlte die Zeit, zunächst Teile für eine bestimmte Beispielaufgabe zu bestellen. Es musste somit abgewogen werden, was für Bauteile allgemein sinnvoll für solch einen Baukasten sein könnten und diese wurden dann bestellt. Aufgrund des Zeitdrucks und der Lieferzeit der Bauteile folgte, dass uns die Zeit fehlte, eine Beispielaufgabe vollständig durchzuplanen und auszuprobieren. Es findet sich also in diesem Wiki lediglich eine theoretische Beschreibung und Darstellung unserer Beispielaufgabe.

3. Kompatibilität der Bauteile/Lieferzeit: Aufgrund der Vielzahl verschiedener elektrischer und pneumatischer Bauteile auf dem Markt, haben wir uns bei zwei Bauteilen für fertige Module entschieden. Da aber auch die Bauteile der Module einzeln genutzt werden sollen, war geplant für die Module eine Demontage- bzw. Montageanleitung zu schreiben, damit sie immer in ihren Ursprungszustand zurück gebracht werden können. Dies war aufgrund der hohen Lieferzeiten allerdings leider nicht mehr möglich. Weiterhin konnten wegen der Lieferzeiten der Bauteile nur wenige elektronische Einzelbauteile bestellt werden. Denn ohne überprüfen zu können welche Anschlüsse an dem anzusteuernden Bauteilen vorhanden sind, ist es nicht sinnvoll elektronische Bauteile/Ansteuerungen zu bestellen. Daraus resultiert, dass der Aufbau einer vollständigen Beispielaufgabe nicht möglich war.

Diese 3 Aspekte waren unsere größten Herausforderungen und Hürden. Ebenfalls zu beachten ist, dass die Bauteilliste des Baukasten selbst niemals vollständig sein wird. Es werden immer Teile fehlen, welche dann bestellt und in die Liste eingepflegt werden müssen. Außerdem ist zu beachten, dass der Kontakt mit den Herstellern immer einiges an Zeit in Anspruch nehmen wird, wenn eine Bestellung getätigt werden soll. Dies ist unbedingt einzuplanen.

Es handelt sich um ein lebendiges fortlaufendes Projekt.

Zusammenfassung

Abb. 6: Aufbewahrungsschrank für die Bauteile

Das Projekt besitzt nun einen großen Teil an Grundkomponenten, welche in der Bautteilliste aufgeführt sind. Weiterhin gibt es einige Ideen an Aufgaben, welche mit dem Baukasten umgesetzt werden könnten. Diese sind unter realisierbare Funktionen aufgelistet. Weiterhin wurde der Tisch aufgebaut, lediglich die Rollen fehlen noch. Die Bauteile befinden sich im Praktikumsraum, in einem ausschließlich für den Baukasten vorgesehenen Schrank (Abb. 6). Dieser ist beschriftet. Ebenso sind die Aufbewahrungsboxen beschriftet, sodass man von außen weiß, welche Bauteile in welcher Box sind. Aufgrund der Lieferzeiten war es uns nicht möglich eine Beispielaufgabe aufzubauen und in Betrieb zu nehmen, sodass es bei den theoretischen Konzepten der Aufgaben geblieben ist. Dies erleichtert aber immerhin die weitere Bearbeitung für die folgenden Semester.

Die Datenblätter der Bauteile und sonstige Dateien, die während des Projektes entstanden sind, befinden sich im SVN der HSHL.

Ausblick

Für den weiteren Verlauf des Projektes sind mehrere Aspekte zu beachten und zu vervollständigen.

1. Entwerfen und Aufbauen einer Beispielaufgabe der Montage- und Handhabungstechnik, auf Basis der vorhandenen Bauteile und möglicher ergänzender Bauteile. Als Orientierungshilfe dienen, die Überlegungen, welche Funktionen zu realisieren sind. Außerdem kann sich an den Beispielaufgaben orientiert werden.

2. Ergänzung der Bauteile, um fehlende Elemente, wie bspw. weiterer Ansteuerungstechnik, Sensoren oder andere Kleinteile. Stetige Weiterentwicklung der Bauteilstückliste

3. Finale Inbetriebnahme der beiden Module (Band, PicAlfa).

4. Entwerfen verschiedener Aufgabenstellungen anhand der vorhandenen Bauteile. Dabei sollten Skizzen und Lösungen vorhanden sein, um zu zeigen, dass der Baukasten die Aufgabe lösen kann.

5. Rollen am Arbeitstisch befestigen, da die Rollen ein zu kleines Gewinde haben, muss nochmal neu bestellt bzw. überlegt werden.

Außerdem möchten wir noch einen abschließenden Hinweis geben. Wenn zusammengebaute Module, wie bspw. das PicAlfa, auseinander genommen wird, schreibt währenddessen eine Demontageanleitung, mit deren Hilfe das Modul wieder funktionsfähig zusammengesetzt werden kann. Dies sollte auch beim entwerfen von Aufgaben beachtet werden, damit Folgegruppen auf die Erkenntnisse zugreifen können und funktionierende Aufbauten rekonstruiert werden können.

Quellen

Autoren: (Raphael Blessau, Jan Völlmecke) 09.11.16

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