Flexible Solution for Wiring Harness Assembly with Industrial Robots

H. J. Warnecke ( I ) , H. Emmerich, S. Koller Received on January 15,1993

The wire harness assembly process has not changed fundamentally for many years. Al l procedures except the pre-assembling of the individual wires are done b y hand. The labor-costs of wiring are very high in comparison to the total costs o f the assembly process.

A pilot work station for the fully automated direct-assembly of wires into fluorescence lights has been developed. With the aid of a new connection technology and the help of an industrial robot and special tools the direct-assembly of individual wires into the l ight cases is possible. First test results show that the procedure of the direct-assembly works with a high availability and that this procedure is more cost effective in comparison to the traditional wiring harness assembly in many fields.

Key words : automatic assembly, wiring, flexibility.

Flexible Losung zur Dlrektmontage von Leitungen rnit lndustrierobotern

Elnfiihrung

Leitungssatze verbinden Stromquellen, Schaltglieder und elektrische Verbraucher vieler Endprodukte. Die rasante Entwicklung von Elektrik und Elektronik hat die Stuckzahl und Komplexitat der Leitungssatze in den letzten Jahren stark anwachsen lassen. Der technische Stand in der Montage von Leitungssatzen hat sich hingegen in den vergangenen Jahren nur unwesentlich verandert und wird von einem sehr hohen An- teil an manuellen Montagetatigkeiten gekennzeichnet. Lediglich fur das losweise Vorkonfektionieren (Ablangen, Abisolieren und Anschlagen) und in beschrlnktem Umfang fqr das automatische Montieren von Kon- taktelementen in Steckergehause stehen Automatisierungsmittel am Markt zur Verfugung. In der Abbildung 1 ist der Materialflu8 in einer Lei- tungssatzmontage dargestellt I l l . Aus wirtschaftlicher Sicht ist eine Erhohung des Automatisierungsgrades der erforderlichen Arbeitsumflnge unumganglich. Dies kann zum einen durch Technologieentwicklung und zum anderen durch montage- orientiertes Gestalten der Komponenten und Baugruppen realisiert wer- den. Ein weiteres Potential zur Kostenreduzierung liegt in der Minimie- rung von Loaistikkosten sowie der Materialumlaufbestande. In einer entwickelten und realisierten Pilotanlage zur vollautomatischen Direktverdrahtung von Gasentladungsleuchten laOt sich zeigen, wie sich die genannten Forderungen zur Erreichung des wirtschaftlichen Opti- mums umsetzen konnen.

Dlrektmontage von Leitungen

Eine Reduzierung der Logistik- und Materialkosten kann durch eine be- darfs- und verbrauchsgerechte Anlieferung der Montageprodukte am Endmontagepletz erreicht werden. Bei der Montage der Leitungssatzen laOt sich dies durch eine direkte Montage der Einzelleitungen in das Endprodukt realisieren. Dies hat zur Folge, daO kein Zwischen- oder Vormontageprodukt "Leitungssatz' mehr entsteht und somit samtliche bisher angefallenen Logistik- und Fertigungskosten entfallen. Urn eine automatisierte Direktmontage von Einzelleitungen durchfuhren zu konnen, ist die Produktstruktur und der Produktaufbau in bezug auf die Zuganglichkeit sowie die Verbindungstechnik zwischen den Leitun- gen und Komponenten auf die Belange der Direktmontage abzustim- men. Eine Abgrenzung der alternativen Verbindungstechniken (vergl. Abbildung 2) zeigt. daO die Schneidklemmtechnik die am besten geeig- nete Verbindungstechnik fur die Direktmontage darstellt. Untersuchun- gen haben weiterhin ergeben, daO fur viele Produkte, die sich auch auf- grund des Produktaubaus fur die Direktmontage eignen, die Schneid- klemmtechnik aus Sicht der Verbindungsqualitlt absolut ausreichend ist. Produkte, die sich fur die Direktmontage eignen, sind zum einen Pro- dukte rnit geringem Verdrahtungsaufwand und hohen Stuckzahlen wie 2.8. Kleingerate aus dem Bereich der WeiOen Ware oder auch Gasent- ladungsleuchten, sowie Gerate mit komplexer Verdrahtung bei niedrigen Stuckzahlen (z.B. Teilbereiche von Schaltanlagen und Steuerschranke) 12, 3. 41.

Gesamtsystem Mit Hilfe des realisierten Pilotsystems lassen sich vormontierte Leuch- tenkasten (Abbildung 3) flexibel und vollautomatisch verdrahten. Das System (Abbildung 4) ist aus folgenden Komponenten aufgebaut: - HorizontaCKnickarrnroboter - Verlege- und Kontaktierwerkzeug mit integriertem Vision-System - Leitungsbereitstellung und Zufuhrung - Leuchtenkastenzufuhrung - Systemsteuerung.

Verlege- und Kontaktlerwerkzeug

Um die vollautomatische Verdrahtung der Leuchten vornehmen zu kon- nen, war die Entwicklung von Komponenten in Schneidklemmtechnik so- wie die Entwicklung eines an den lndustrierorober anflanschbaren Werk- zeuges erforderlich. Die wesentlichen Anforderungen an das Werkzeug lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Integriertes Abschneiden. Verlegen und Kontaktieren der Leitungen.

damit die Zufuhrung der Leitung als Endlosware aus der Leitungsbe- reitstellung erfolgen kann.

- Das Abschneiden der Leitung muO nach dem Kontaktieren erfolgen, wodurch Halteelemente usw. fur die Leitungsenden vermieden wer- den konnen.

- Das Abschneiden der Leitungen hat im Griffschutzbereich der An- schluOkomponenten zu erfolgen (Einhaltung von VDE-Vorschriften).

- Da eine Verbindungsstelle in Schneidklemmtechnik moglichst nicht auf Zug zu belasten ist, ist irn Werkzeug ein Leitungsvorschub zu in- tegrieren, der wahrend der Verfahrbewegung des lndustrieroboters rnit dessen Relativgeschwindigkeit zu synchronisieren ist.

- Auftretender Schlupf im Fordersystem des Werkzeuges ist durch ein zusatzliches MeOsystem zu erfassen und nachzuregeln.

- Um eine Aussage uber die Qualitat der Schneidklemmverbindung ma- chen zu konnen. muO die EinpreOkralt jeder Verbindung in Abhan- gigkeit vom EinpreOweg aufgezeichnet und rnit einer Reierenzkurve verglichen werden.

- Da aufgrund der Beschaffenheit der Komponenten fur den zum Kon- taktieren erforderlichen Toleranzausgleich nur ein beruhrungsloses Toleranzausgleichssystem eingesetzt werden kann, ist am Werkzeug ein Vision-System zu integrieren.

- Fur die Realisierung ist eine kompakte, gewichtssparende und war- tungsfreundliche Ausfuhrung zu wahlen.

Der Aufbau des Werkzeuges ist aus der Abbildung 5 ersichtlich.

Montageablauf

Zu Beginn des Verdrahtungsprozesses erfolgt ein Referenzlauf des Sy- stems. Nach dern Zufuhren des Leuchtenkastens, der auf einem Werk- stucktrager mittels Sauggreifern gehalten wird, wird der Leuchtentyp mit Hilfe des Vision-Systems an einem Barcode identifiziert. Das leuchten- spezifische Ablaufprogramm wird geladen und der rnit Komponenten (Vorschaltgerat, AnschluOklemme und Fassungen) vormontierte Leuch- tenkasten steht zur Verdrahtung bereit. Hierzu positioniert der Industrie- roboter zuerst das Vision-System uber den mit Leitungen zu verbin- denden Komponenten und vermiOt und speichert deren genaue Ist- position. Diese lstpositionen werden in das in parametrisierter Form ge- schriebene Ablaufprogramm integriert. wodurch der lndustrieroboter in die Lage versetzt wird, im weiteren Arbeitsablauf ohne zusatzliche Tole- ranzausgleichsmaOnahmen die Leuchte zu verdrahten. Zum Kontaktieren einer AnschluOstelle wird das Verlege- und Kontak- tierwerkzeug uber einer AnschluOklemme positioniert und in einer kom- binierten Bewegung zwischen lndustrieroboter und EinpreOstempel in die Schneidklemme eingedruckt. Wahrend des Eindruckens werden der Kraftverlauf sowie die Einpreflgeschwindigkeit in Abhangigkeit des Ein- preOweges aufgezeichnet und rnit einer Referenzkurve verglichen. In der Darstellung 6 sind beispielhaft Kraft-Weg-Verlaufe dargestellt. Mit der gewahlten Methode lassen sich Fehlkontaktierungen sicher erken- nen. Das Verlegen der Leitung auf der vorgegebenen Bahn bis zur weiteren AnschluOstelle erfolgt rnit exakt synchronisiertern Leitungsvorschub. Nach dem erlolgten Verlegen und Kontaktieren aller Leitungen wird der Leuchtenkasten mit Hilfe der Zufuhr- und Entsorgeeinrichtung aus dem System gebracht und die Spannelemente gelost.

Annals of the CIRP Vol. 42/1/1993 25

Versuchsergebnisse

Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daO die votlautomatische flexi- ble Direktmontage von Einzelleitungen in Leuchtenkasten rnit hoher Ver- fugbarkeit funktioniert. Die Erprobung und Optimierung des Systems erfolgte anhand von un- terschiedlichen Leuchtentypen, die sich hauptsachlich durch die Haupt- abmessungen und Anzahl der einsetzbaren Lampen unterschieden. Die Montagezeiten zur Direktmontage der Leitungen lassen sich in die aus der Abbildung 7 dargestellten Zeitanteile gliedern. Der Zeitanteil zur Durchfuhrung der Bildaufnahmen der AnschluOstellen ist abhangig von der AnschluOstellenanzahI und der dadurch notwendi- gen Verfahrwege. Der reine Zeitanteil fur die Bildaufnahme mit ca. 100 ms/Aufnahmepunkt ist relativ gering. Ein wesentlicher Zeitanteil wird fur das Verlegen der Leitungen (mittlere Verlegegeschwindigkeit ca. 350 mm/s) sowie fur das Verhalten bei Zwischenpositionen und dem Durch- fuhren von Verlegestrategien aufgewendet~ Das Verhalten bei Zwi- schenpositionen beinhaltet hierbei im wesentlichen das Befestigen der Leitungen an Befestigungselernenten im Leuchtenkasten und das Ver- legen von Leitungen um Hindernisse. Das beschriebene Verfahren wie auch das entwickelte Werkzeug und die AnschluOgeometrie der Komponenten lassen sich fur ein weites Spektrum von Verdrahtungsaufgaben anwenden. Die technische Mach- barkeit wurde mit der Pilotanlage fur die Direktmontage der Leuchten nachgewiesen. Es ist davon auszugehen, daO die entwickelten Ver- fahren und Techniken in naher Zukunft weitere Anwendungsfelder er- schlieRen werden.

Literatur .

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Emmerich, H., 1992. Flexible Montage von Leitungssatzen mit In- dustrierobotern, Springer, Berlin. Warnecke. H.J., Schweizer. M.. Emmerich, H.. Hochflexible Mon- tage von Verdrahtungssatzen; Internat. Kongress. Industrial Hand- ling 1990, Zurich, s. 31-46. Boothroyd, G.. Alting, L., Design for Assembly and Disassembly; In: 42nd General Assembly of CIRP, Aix-en-Provence, France, 24.8.1992, S. 625 ff. Emmerich, H., Koller. S., 1992. Neues Rationalisierungspotential ausschopfen, Schweizer Maschinenmarkt, 3920-23.

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- TaktzeiilAnachluflaleile lrnlltlere Leitunaalinge 700 rnmt c 5s

- autornstiachsr Toieranzauaqieich aultretender WerkstUckloieranzen

- loagrbflennaulraler Produkllons- ablaut mbgllch

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Abbildung 1: Materialflljsse bei der Montage von Leitungssltzen

Schrublechrdk LOll.chrdk Crlmplechnik Klemmbchnlk Schnetdklemm- 1.ehnik

I I I i I: I I I

I I I I I KrdlsehluR Stollrchivll KrsltrchiuRI Krallschlufl KrdlrchluR

SlolfsshiuR

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Abblldung 2 Alternative Verbindungstechniken

1 Leuchlenkaslen 2 Vorschsilgsral 3 Farrung 4 Nelzanschluflkicrnme

mil KondensaloranschluD ' 1' 1 5 Kondansalor

Abbildung 3: Leuchtenkasten (unverdrahteter Zustand)

Robotsr Systemtayout

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7 Kontrktierrtempei 1 Flanach rum Roboter 4 Kontaktiereinheit 2 Leilungavorachub 5 Elektromolor 8 Abachneidemessw 3 MeOrad 6 KraftmeDeinrtchtung 9 Whrungaemh&l

Abbildung 5: Verlege- und Kontaktierwerkzeug

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Abbildung 6: Kraft-Wegverlauf beim Einpressen der Leitungen

' Kumulierte Zeitanteile

W Poaitionierungen for Eildaulnahme

Bildaufnahma

P l Positloniarungen (Leitungsantmg)

Kontaklieren/ Abachneiden

Zwlrchenposltlonei 29 Anrchlul3stellen Verlegealrategien

ca. 14100 mm Ge- samtleitunpsl(npe

0 90 120 30 60 Verdrahlungarell T [Sl -

Abbildung 7: Verteilung der Montagezeiten

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