Studienfach:

Produktentstehungsprozess MTB 451 – Sommersemester 2014 Dozent: Prof. Dr.- Ing. Peter Weber

Projektname:

DCMM Directly Controllable Mechatronic Manipulator Abgabedatum: 27.06.2014 Projektteam: Gruppe 3

Matrikelnummer Name, Vorname

39272 Hoffmann, Thomas

39214 Serrer, Tobias

38973 Mierswa, Jan

38903 Zimmerer, Kevin

43581 Büyükcolak, Mehmet

34169 Nowosad, Michael

DCMM VORWORT

II

Vorwort

Sehr geehrter Leser,

die vorliegende Ausarbeitung wurde im Rahmen der Veranstaltung MTB 451 –

Produktentstehungsprozess (PEP) unter Leitung des verantwortlichen Dozenten Herrn Prof.

Dr.- Ing. Peter Weber im Sommersemester 2014 verfasst.

Produktentstehungsprozess ist eine in der Industrie verwendete Methode, die die

Arbeitsabläufe von der Idee bis zum fertigen Produkt dokumentiert und unabhängig von

dessen Größe und Funktion anwendbar ist. Dabei werden verschiedene Lösungsvorschläge,

egal wie abstrakt diese sind, entworfen und hinterfragt. Durch ein Ranking werden die

Bewertungskriterien gewichtet und eine Nutzwertanalyse hilft aus den Lösungsalternativen

die sogenannte „ausgewählte Lösung“ zu ermitteln.

Die Aufgabe bestand darin, über ein selbst gewähltes Produkt eine

Entwicklungsdokumentation in Form einer Ausarbeitung unter Verwendung der in der

Vorlesung gelehrten Methode Produktentstehungsprozess zu erstellen. Studenten sollen

gemeinsam als Team ingenieurmäßige Arbeitsmethoden anwenden. Dabei wird die

Teamfähigkeit jedes einzelnen gestärkt und die Lehrinhalte der Vorlesung wiederholt und

vertieft.

Die Ausarbeitung bildet die Basis mit allen relevanten Informationen und Auswertungen für

den theoretisch nächsten Schritt:

Einen Prototypen zu fertigen und einen ausgefeilten Herstellungsprozess zu ermöglichen.

Gleichzeitig wurde zu dieser Ausarbeitung ein Datenträger mit allen relevanten Inhalten und

eine Web- Dokumentation erstellt. Die Web- Dokumentation kann ebenfalls unter folgender

Adresse angeschaut werden:

http://mic.hit-karlsruhe.de/projekte/SS14-DCMM/

Wir wünschen allen Lesern viel Spaß beim Lesen und stehen Ihnen bei Fragen gerne zur

Verfügung.

(Die E-Mail Adressen finden Sie unter der Überschrift: „Teamvorstellung“)

DCMM DANKSAGUNG

III

Danksagung

Zu Beginn möchten wir uns im Namen des ganzen Teams bei unserem Dozenten Herrn

Professor Dr.- Ing. Peter Weber für die konstruktive Hilfestellungen während dem gesamten

Bearbeitungszeitraum und für die geopferte Zeit nach Vorlesungsende bedanken. Durch die

interessante und lehrreiche Vorlesung bekamen wir Einblicke in die Methoden und Verfahren

der Industrie zur Entwicklungsdokumentation und ingenieursmäßige Arbeitsmethoden,

welche Professor Dr.- Ing. Peter Weber mit vielen anwendungsbezogenen Beispielen aus der

Praxis erläuterte.

Des Weiteren möchten wir uns bei Herrn Prof. Dipl.-Ing. Jürgen Walter bedanken, der uns

durch seine vielseitige Unterstützung in Form von Videos, Beratung, Vermittlung und seinem

Engagement für das Projekt begeisterte. Mit seinem Bestand an Equipment und fachlichem

Wissen hat er uns jeder Zeit unterstützt und durch sein Engagement maßgeblich zu der

technischen Umsetzung beigetragen.

Außerdem Bedanken wir uns herzlich bei Herrn Forstner, der einen optimierten Aufbau

durch seine konstruktiven Ratschläge ermöglichte.

Ein weiterer Dank gilt auch der Hochschule Karlsruhe für Technik und Wirtschaft, die alle

elektronischen Komponenten sowie den technischen Aufbau finanzierte und bereitgestellt

hat.

DCMM TEAMVORSTELLUNG

IV

Teamvorstellung

Abbildung 1 Gruppenfoto Team DCMM

v.l.n.r.: Michael Nowosad, Mehmet Büyükcolak, Jan Mierswa, Kevin Zimmerer, Thomas

Hoffmann, Tobias Serrer

Michael Nowosad: Kevin Zimmerer: Mail: nomi1012@hs-karlsruhe.de Mail: zike1011@hs-karlsruhe.de Mat.-Nr.: 34169 Mat.-Nr.: 38903

Mehmet Büyükcolak: Thomas Hoffmann: Mail: bume1011@hs-karlsruhe.de Mail: hoth1013@hs-karlsruhe.de Mat.-Nr.: 43581 Mat.-Nr.: 39272

Jan Mierswa: Tobias Serrer: Mail: mija1012@hs-karlsruhe.de Mail: seto1013@hs-karlsruhe.de Mat.-Nr.: 38973 Mat.-Nr.: 39214

DCMM EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG

V

Eidesstattliche Erklärung

„Wir versichern hiermit an Eides statt, dass die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne Hilfe

von Außenstehenden erstellt wurde. Alle Hilfsmittel, sowie Literatur wurden angegeben. Alle

Ausführungen, welche anderen Schriften entstammen, wörtlich sowie sinngemäß, wurden als

solche gekennzeichnet. Die vorliegende Arbeit wurde in gleicher oder ähnlicher Form noch

nicht veröffentlich oder einer Prüfungsbehörde vorgelegt.“

Karlsruhe, den 24.06.2014

Thomas Hoffmann

Tobias Serrer

Jan Mierswa

Kevin Zimmerer

Mehmet Büyükcolak

Michael Nowosad

DCMM INHALTSVERZEICHNIS

VI

Inhaltsverzeichnis

Vorwort ...................................................................................................................................... II

Danksagung ............................................................................................................................... III

Teamvorstellung ........................................................................................................................ IV

Eidesstattliche Erklärung ............................................................................................................ V

Inhaltsverzeichnis ...................................................................................................................... VI

1. Problemstellung ................................................................................................................. 1

2. Stand der Technik ............................................................................................................... 2

2.1 Mechanische Manipulatoren ........................................................................................... 2

2.2 Industrieroboter ............................................................................................................... 2

2.2.1 Portalroboter ............................................................................................................ 2

2.2.3 5/6/7-Achs Roboter .................................................................................................. 3

3. Aufgabenstellung ............................................................................................................... 4

4. Mindmap ............................................................................................................................ 5

5. Projektplan ......................................................................................................................... 6

6. Anforderungsliste ............................................................................................................... 7

7. Blackbox ............................................................................................................................. 9

8. Funktionsstruktur ............................................................................................................. 10

8.1 Legende – Funktionsstruktur nach Roth ........................................................................ 10

8.2 Funktionsstrukturplan .................................................................................................... 11

9. Morphologie ..................................................................................................................... 12

10. Vor- und Nachteile der Komponenten .......................................................................... 13

10.1 Teilfunktionen A, B, C, D, AC: Wärmeenergie abführen .............................................. 13

10.2 Teilfunktionen E, F*, Q*: Elektrische Energie und Signale weiterleiten ...................... 14

10.3 Teilfunktion G, H, I, J, K: Steuersignal in elektrische Signale wandeln ......................... 15

10.4 Teilfunktion L, M, N: Steuersignal in elektrische Signale wandeln .............................. 16

10.5 Teilfunktion O*, P, Z*: Daten erfassen, verarbeiten und weiterleiten ........................ 17

10.6 Teilfunktion R, S, T, U, V, W: Umwandeln der elektrischen in mechanische Energie .. 18

10.7 Teilfunktion X*: Verknüpfung der Einzelbewegung zur Gesamtbewegung ................ 19

10.8 Teilfunktion Y*: Aufteilen des Steuersignals ................................................................ 20

DCMM INHALTSVERZEICHNIS

VII

10.9 Teilfunktion AA, AB: Anzeigen von Statuswerten ........................................................ 21

10.10 Teilfunktion AD: Greifen des Reagenzglases ............................................................. 22

11. Lösungsalternativen ...................................................................................................... 23

12. Ranking .......................................................................................................................... 24

12.1 Auswahl der Bewertungskriterien (aus der Anforderungsliste) .................................. 24

12. 2 Matrix der ausgewählten Bewertungskriterien .......................................................... 25

13. Nutzwertanalyse............................................................................................................ 27

13.1 Verfahrensmatrix Nutzwertanalyse ............................................................................. 27

13.2 Ergebnis und Auswertung der Nutzwertanalyse .......................................................... 28

14. Ausgewählte Lösung ...................................................................................................... 29

15. Fazit ............................................................................................................................... 30

16. Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 31

17. Abbildungsverzeichnis ................................................................................................... 32

18. Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... 34

19. Quellen .......................................................................................................................... 35

DCMM PROBLEMSTELLUNG

1

1. Problemstellung

In Chemielaboratorien werden die Laboranten durch den Umgang mit giftigen, ätzenden und

reizenden Stoffen gesundheitlichen Gefahren ausgesetzt. Die zum Schutz vorgeschriebene

Arbeitskleidung schränkt die Bewegungs- und Arbeitsfreiheit stark ein.

DCMM STAND DER TECHNIK

2

2. Stand der Technik

2.1 Mechanische Manipulatoren

Abbildung 2 Mechanische Manipulatoren

Manipulatoren wie sie z.B. für den Umgang mit radioaktiven Materialien eingesetzt werden.

Der Bediener befindet sich hinter einer Schutzscheibe. Die Bewegung wird rein mechanisch

übertragen.

2.2 Industrieroboter

Industrieroboter können an verschiedene Aufgaben angepasst werden. In der Regel werden

sie einmal programmiert und führen dann selbständig immer wieder die gleichen Handlungen

aus. Man unterscheidet generell zwischen folgenden Typen:

2.2.1 Portalroboter

Abbildung 3 Portalroboter

Der Roboter führt seine Bewegungen über Linearachsen aus und verfügt über drei

Freiheitsgrade.

DCMM STAND DER TECHNIK

3

2.2.2 SCARA-Roboter

Ein sogenannter "Selective Compliance Assembly Robot Arm" besitzt in der Regel vier Achsen und vier Freiheitsgrade.

Dieser Robotertyp zeichnet sich durch eine hohe

Wiederholgenauigkeit und Positioniergeschwindigkeit

aus. Er kann jedoch nur auf einer Ebene arbeiten, da er zu

wenig Freiheitsgrade besitz, um nicht planparallele

Bewegungen auszuführen.

2.2.3 5/6/7-Achs Roboter

Abbildung 5 7-Achs Roboter

Diese Roboter sind in ihrer Bewegungsfreiheit vergleichbar mit dem menschlichen Arm. Sie

besitzen genügend Achsen (Freiheitsgrade) um sehr flexibel arbeiten zu können.

Abbildung 4 Scara-Roboter

DCMM AUFGABENSTELLUNG

4

3. Aufgabenstellung

Die Laboranten werden räumlich von den Chemikalien getrennt. Der Umgang mit den

Chemikalien wird durch einen Manipulator mit mindestens vier Freiheitsgraden realisiert. Der

Manipulator muss chemieresistent und die Steuerung soll intuitiv bedienbar sein.

DCMM MINDMAP

5

4. Mindmap

Abbildung 6 Mindmap

DCMM PROJEKTPLAN

6

5. Projektplan

Tabelle 1 Gantt-Diagramm

DCMM ANFORDERUNGSLISTE

7

6. Anforderungsliste

Tabelle 2 Anforderungsliste Blatt 1

DCMM ANFORDERUNGSLISTE

8

Tabelle 3 Anforderungsliste Blatt 2

DCMM BLACKBOX

9

7. Blackbox

Die Blackbox dient als erste Veranschaulichung des Systems, wobei nur das Verhalten nach

außen betrachtet werden soll. Die Funktionsweiße und Technik des Systems wird durch die

Blackbox nicht erläutert. Sie dient lediglich dazu, einen Überblick über die Ein- und

Ausgangsgrößen, sowie Störgrößen und Restriktionen zu geben.

Abbildung 7 Blackbox

DCMM FUNKTIONSSTRUKTUR

10

8. Funktionsstruktur

Die Vorgänge innerhalb der Blackbox werden durch die Funktionsstruktur nach Roth

dargestellt. Komplexe Vorgänge wurden zur Vereinfachung nicht nach Roth dargestellt

(*- Kennzeichnung). Durch die Funktionsstruktur kann die Funktionalität des Produktes

beschrieben werden, ohne Lösungsmöglichkeiten vorweg zu nehmen. Dies ermöglicht eine

unvoreingenommene Lösungsfindung.

Die Funktionsstruktur bildet die Basis für die in der Morphologie aufgeführten Teilfunktionen.

8.1 Legende – Funktionsstruktur nach Roth

Tabelle 4 Legende zur Funktionsstruktur nach Roth

Allgemeine Operatoren nach Roth

Allgemeine Größen

Leiten Speichern Wandeln Verknüpfen oder Trennen

Stoff Stoff leiten Stoff

speichern Stoff

wandeln

Stoff und Stoff -verknüpfen

-trennen

Stoff und Energie -verknüpfen

-trennen

Stoff und Signal -verknüpfen

-trennen

Energie Energie leiten

Energie speichern

Energie wandeln

Energie und Energie

-verknüpfen -trennen

Energie und Signal -verknüpfen

-trennen

Energie und Stoff -verknüpfen

-trennen

Signal Signal leiten Signal

speichern Signal

wandeln

Signal und Signal -verknüpfen

-trennen

Signal und Signal -verknüpfen

-trennen

Signal und Energie -verknüpfen

-trennen

DCMM FUNKTIONSSTRUKTUR

11

8.2 Funktionsstrukturplan

Abbildung 8 Funktionsstrukturplan

DCMM MORPHOLOGIE

12

9. Morphologie

Anhand des Funktionsstrukturplanes von Roth können mehrere Teilfunktionen bestimmt

werden. Die Morphologie ist eine Problemlösungsmethode, die zur Entscheidungsfindung

angewandt wird. Dabei werden sinnvolle Lösungskomponenten aufgelistet. Der

morphologische Kasten ermöglicht einen kurzen Überblick über die in Frage kommenden

Bauelemente. Die Teilfunktionen wurden falls möglich gruppiert und mit den jeweils

durchzuführenden Arbeitsabläufen zusammengefasst.

Tabelle 5 Morphologie

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

13

10. Vor- und Nachteile der Komponenten

Im Folgenden wurden die jeweiligen Lösungskomponenten des morphologischen Kastens

aufgelistet und objektiv deren Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Die Vor- und Nachteile

gelten teilweise nur bei einem direkten Vergleich der jeweiligen Lösungskomponenten.

10.1 Teilfunktionen A, B, C, D, AC: Wärmeenergie abführen

Kühlkörper Lüfter Kühlung durch Gehäuse

Abbildung 9 Kühlkörper-IC

Abbildung 10 Lüfter

Abbildung 11 IC-Gehäuse

Abbildung 12 Kühlkörper-Motor

Abbildung 13 Motorgehäuse

Vo

rtei

le

Keine Geräuschentwicklung

Verschleißfrei

Kein Ansteuerung nötig

Effektive Kühlung

Kühlung einstellbar

Kühlung mehrerer Bauteile gleichzeitig möglich

Keine zusätzlichen Kosten

Kein zusätzlicher Platz nötig

Kein zusätzliches Gewicht

Nac

hte

ile

Mäßige Kühlung Zusätzliches Gewicht Ungünstige Positionierung

auf Bauteil notwendig Anpassung des Aufbaus erforderlich

Zusätzlicher Energieverbrauch

Geräuschentwicklung

Hoher Platzbedarf

Verschleiß

Kühlung nur bei geringer Wärmeentwicklung ausreichend

Gehäuse kann anliegende Bauteile mit erhitzen

Verletzungsgefahr durch erhitzte Oberfläche

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

14

10.2 Teilfunktionen E*, F*, Q*: Elektrische Energie und Signale weiterleiten

Geätzte Platine Kupferkabel Steckbrett

Abbildung 14 Geätzte Platine

Abbildung 15 Kupferkabel

Abbildung 16 Steckbrett

Vo

rtei

le

Kompakte Bauweise

Kostengünstig bei hohen Stückzahlen

Optische Inspektion möglich

Geschützte Leitung

Nachträglich erweiterbar

Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis

Für Prototypen geeignet

Erweiterbar

Teile schnell austauschbar

Nac

hte

ile

Teuer bei Einzelfertigung

Nicht erweiterbar

Großer Herstellungsaufwand

Verkabelungsaufwand

Bei großen Schaltungen unübersichtlich

Erhöhter Platzbedarf durch Isolierungen

Nicht für hohe Stückzahlen geeignet

Hoher Aufwand durch Bestückung

Nur im niedrigen Frequenzbereich verwendbar

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

15

10.3 Teilfunktion G, H, I, J, K: Steuersignal in elektrische Signale wandeln

Potentiometer Gabellichtschranke mit Drehscheibe

Inkrementaldrehgeber

Abbildung 17 Potentiometer

Abbildung 18 Gabellichtschranke

mit Drehscheibe

Abbildung 19 Inkrementaldrehgeber

Vo

rtei

le

Direkt über ADC auslesbar

Minimaler Schaltungsaufwand

Stufenlos auswertbar

Hohe Auflösung möglich

Kein mechanischer Verschleiß

Geringes Gewicht

Nur ein Bauteil Endlos drehbar Unempfindlich gegen

Vibrationen und Stöße

Nac

hte

ile

Begrenzter Drehwinkel Mechanischer

Verschleiß Signalunterbrechung

bei Stößen und Vibrationen möglich

Schlechte Miniaturisierbarkeit

Medienempfindlichkeit

Zwei Bauteile werden benötigt

Teilweise Abschirmung von Fremdlicht notwendig

Zusätzliche Auswertung notwendig

Mechanischer Verschleiß

Zusätzliche Auswertung notwendig

Kein absolute Winkelbestimmung

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

16

10.4 Teilfunktion L, M, N: Steuersignal in elektrische Signale wandeln

Kippschalter Taster Touchpad

Abbildung 20 Kippschalter

Abbildung 21 Taster Abbildung 22 Touchpad

Vo

rtei

le

Gute Ergonomie/Haptik

Geringer Kostenaufwand

Schaltzustand anhand Schalterstellung erkennbar

Gute Ergonomie/Haptik

Sehr geringer Kostenaufwand

Platzsparend

Gute Ergonomie/Haptik

Mehrere Zustände wählbar

Benutzeroberfläche änderbar

Gestensteuerung möglich

Nac

hte

ile

Hoher Platzbedarf Mechanische

Abnutzung Unbeabsichtigtes Aus-

und Einschalten durch Hängenbleiben möglich

Nur zwei Zustände sind möglich

Mechanische Abnutzung

Schaltzustand nicht erkennbar

Hoher Kostenaufwand Ansteuerung Anfällig für Kratzer und

Bruch Kein haptisches

Feedback

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

17

10.5 Teilfunktion O*, P, Z*: Daten erfassen, verarbeiten und weiterleiten

VC2 Controller Arduino Raspberry Pi

Abbildung 23 VC2 Controller

Abbildung 24 Arduino-Board

Abbildung 25 Raspberry Pi-Board

Vo

rtei

le

Leicht programmierbar Kompakte Bauform Energiesparend

Geringer Kostenaufwand

Arduino Bibliotheken online verfügbar

Viele verschiedene Schnittstellen

Viele Erweiterungsplatinen verfügbar

Viele Schnittstellen (HDMI, LAN, USB, UART, SPI, I²C)

Netzwerkfähig Linux kompatibel

Nac

hte

ile Proprietäres System

Nur über Spezialstecker erweiterbar

Spezielle Arduino IDE notwendig

Großer Bauraum Nicht 3,3 V kompatibel

Hoher Kostenaufwand Nicht echtzeitfähig Hoher Stromverbrauch

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

18

10.6 Teilfunktion R, S, T, U, V, W: Umwandeln der elektrischen in

mechanische Energie

Schrittmotor DC- Motor Servomotor

Abbildung 26 Schrittmotor

Abbildung 27 DC-Motor

Abbildung 28 Servomotor

Vo

rtei

le

Beliebig drehbar Abruptes Anhalten

möglich

Hohe Drehzahlen möglich

Geringer Kostenaufwand

Geringes Gewicht

Einfache Ansteuerung Hohes Drehmoment Absolute

Positionierung

Nac

hte

ile

Schrittverlust Keine Absolutposition Hoher Kostenaufwand Aufwendige

Ansteuerung

Wartungsintensiv Ungenaue

Positionierung Verschleiß Bürstenfeuer

Maximal 180° Drehung Langsam

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

19

10.7 Teilfunktion X*: Verknüpfung der Einzelbewegung zur

Gesamtbewegung

Roboterarm Portalroboter Delta Roboter

Abbildung 29 Roboterarm

Abbildung 30 Portalroboter

Abbildung 31 Delta Roboter

Vo

rtei

le

Hohe Beweglichkeit

Geringer Platzbedarf

Sehr universell einsetzbar

Große Traglasten Einfache Steuerung Sehr großer

Arbeitsraum

Geringes Trägheitsmoment

Hohe Geschwindigkeiten/ Beschleunigungen

Kompakte Bauweise

Nac

hte

ile Geringe Tragekraft

Hohe Belastung durch Eigengewicht

Aufwendiges Portal Geringe Beweglichkeit Niedrige

Arbeitsgeschwindigkeit

Kleiner Arbeitsraum Geringe Tragkraft Hoher

Steuerungsaufwand

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

20

10.8 Teilfunktion Y*: Aufteilen des Steuersignals

Roboterarm mit Lageerkennung

Eingabefeld Joystick

Abbildung 32 Roboterarm mit Lageerkennung

Abbildung 33 Eingabefeld

Abbildung 34 Joystick

Vo

rtei

le

1 zu 1 Ansteuerung des Roboterarms

Intuitiv bedienbar Komplexe Bewegung

schnell umsetzbar

Exakte Eingabe der Koordinaten

Funktionen gut erweiterbar

Geringer Platzbedarf bei Bedienung

Leichte Ansteuerung des Roboterarms

Nac

hte

ile

Auf Dauer anstrengende Handhabung

Großer Platzbedarf Unbeabsichtigte

Eingabe möglich

Teuer Bedienkenntnisse

erforderlich

Nur relative Eingabe möglich

Bedienkenntnisse erforderlich

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

21

10.9 Teilfunktion AA, AB: Anzeigen von Statuswerten

LED Siebensegmentanzeige

LCD

Abbildung 35 LED

Abbildung 36

Siebensegmentanzeige

Abbildung 37 LCD

Vo

rtei

le

Geringer Energieverbrauch

hoher Wirkungsgrad (geringe Wärme-entwicklung)

Geringer Kostenaufwand

Sehr einfache Ansteuerung

Geringer Kostenaufwand

Gute Lesbarkeit Darstellung von 10

Dezimalziffern und einigen Sonderzeichen/ Buchstaben möglich

Vereinfachte Ansteuerung durch HD44780 Chip

Hohe Informationsdichte

Gute Lesbarkeit

Nac

hte

ile

Anzeige von nur zwei Zuständen möglich

Geringe Leuchtkraft

Komplizierte Ansteuerung

Erhöhter Bauteileaufwand

Nicht alle Buchstaben darstellbar

Erhöhter Platzverbrauch

Kosten

DCMM VOR- UND NACHTEILE DER KOMPONENTEN

22

10.10 Teilfunktion AD: Greifen des Reagenzglases

Unterdruckgreifer Kraftbegrenzter Greifer Wegbegrenzter Greifer

Abbildung 38 Unterdruckgreifer

Abbildung 39 Kraftbegrenzter Greifer

Abbildung 40 Wegbegrenzter

Greifer

Vo

rtei

le

Geringe mechanische Belastung für das Reagenzglas

Einstellbare Saugkraft über Luftdruck

Greift verschiedene Durchmesser mit gleicher Maximalkraft

Zerstörung des Reagenzglases ausgeschlossen

Stufenlos schließbarer Greifer

Universell einsetzbar – nicht nur bei Reagenz-gläsern

Nac

hte

ile

Erhöhter Platzbedarf Nicht für alle

Oberflächen geeignet Nicht für alle

Geometrien geeignet

Nur zwei Greifer Stellungen

Geringe maximale Traglast

Reagenzglas-durchmesser muss eingestellt werden

Zerstörungsgefahr bei Fehlbedienung

DCMM LÖSUNGSALTERNATIVEN

23

11. Lösungsalternativen

Tabelle 6 Morphologie mit Lösungsalternativen

DCMM RANKING

24

12. Ranking

12.1 Auswahl der Bewertungskriterien (aus der Anforderungsliste)

Die Anforderungen wurden in der Matrix vermischt, um eine objektivere Haltung

einzunehmen.

Folgende Kriterien wurden für die Matrix der Bewertungskriterien aus der Anforderungsliste

ausgewählt:

Aus Physikalisch-Technische Funktion:

Eigengewicht

Arbeitsraum des Armes

Leistungsaufnahme

Aus Technologie:

Freiheitsgrade

Programmiersprache

Aus Wirtschaftlichkeit:

Entwicklungskosten

Garantiezeit

Verkaufspreis

Aus Mensch-Produkt-Beziehungen:

Betriebsstunden bis Wartung

Geräuschentwicklung

DCMM RANKING

25

12. 2 Matrix der ausgewählten Bewertungskriterien

Bei der Matrix der ausgewählten Bewertungskriterien werden die

Anforderungen einzeln miteinander verglichen. Dabei wurde jeweils das

wichtigere Kriterium mit einem „+“ versehen. Durch den Vergleich aller

Anforderungen kann für jedes Kriterium ein Gewichtungsfaktor zugeordnet

werden. Der Gewichtungsfaktor ist maßgebend für die Bestimmung des

Nutzwertes.

DCMM RANKING

26

Tabelle 7 Bewertungskriterien

DCMM NUTZWERTANALYSE

27

13. Nutzwertanalyse

Bei der Nutzwertanalyse werden die unterschiedlichen Lösungsalternativen bewertet. Durch

die unabhängige Bewertung der einzelnen Kriterien kann für jede Alternative eine

Punktsumme ermittelt werden. Um eine zielführende Bewertung zu erhalten, wird zusätzlich

jedes Kriterium mit der zugeordneten Gewichtung multipliziert, woraus der Nutzwert jeder

Alternative resultiert. Wird die Punktsumme der alternativen Lösung durch die Punktsumme

der idealen Lösung dividiert, erhält man die Wertigkeit. Die gleiche Berechnung gilt für den

Nutzwert, jedoch resultiert hieraus die gewichtete Wertigkeit. Durch die gewichtete

Wertigkeit können die Alternativen gut bewertet werden, jedoch stellt sie keine hinreichende

Bedingung zur Auswahl dar.

13.1 Verfahrensmatrix Nutzwertanalyse

Tabelle 8 Verfahrensmatrix der Nutzwertanalyse

DCMM NUTZWERTANALYSE

28

13.2 Ergebnis und Auswertung der Nutzwertanalyse

Tabelle 9 Ergebnis der Nutzwertanalyse

Nach den Richtzahlen für den Grad der Wertigkeit (nach Hansen) gilt:

Tabelle 10 Grad der Wertigkeit (nach Hansen)

Laut Hansen sind die Lösungen „1 zu 1 Roboterarm“ und „Joystick-Roboterarm“ mit einer

gewichteten Wertigkeit 𝑤𝑔 ≥ 0,7 günstig und sinnvoll in der Umsetzung.

Aus der Nutzwertanalyse geht hervor, dass die 2. Lösungsalternative mit einer gewichteten

Wertigkeit von 0,73 den höchsten Wert hat.

DCMM AUSGEWÄHLTE LÖSUNG

29

14. Ausgewählte Lösung

Abbildung 41 1 zu 1 Roboterarm

Als Lösung wurde die zweite Lösungsalternative „1 zu 1 Roboterarm“ gewählt. Diese weist

zum einen die beste Wertigkeit auf und bietet aufgrund der gewählten Steuerung eine einfach

zu erlernende Bedienung. Das gewählte Konzept ermöglicht eine effiziente Bedienung, ohne

eine lange Einarbeitungsphase voraus zu setzen.

Mit der Unterstützung von Herrn Jürgen Walter wurde der mechanische Aufbau erst in diesem

Umfang möglich und dafür wollten wir uns an dieser Stelle nochmals bedanken.

DCMM FAZIT

30

15. Fazit

Im Rahmen der Vorlesung Produktentstehungsprozess und Mikrocomputertechnik Labor

konnten wir praktische Eindrücke in industrielle Entwicklungsmethodik gewinnen und

gleichzeitig unsere wichtigen Soft Skills verbessern. Viele Themen der Vorlesung wurden damit

intensiv wiederholt und zum ersten Mal umgesetzt, was uns nicht nur Spaß gemacht hat,

sondern uns auch ideal auf unseren späteren Werdegang vorbereitet hat.

Der zeitliche Ablauf musste wegen des großen Hardwareaufwandes klar definiert sein. Durch

Setzen der richtigen Ziele am Anfang und einer guten Teamkoordination konnten wir viel Zeit

sparen und effektiv arbeiten.

Uns hat sehr gefallen, dass das Projekt ein gut funktionierendes Team aus uns gemacht hat,

bei dem jeder seine Fähigkeiten einbringen konnte. Die Aufgaben wurden gleichmäßig verteilt

und dennoch haben wir die wichtigen Entscheidungen zusammen diskutiert und zusammen

getroffen.

Abschließend wünschen wir unserem Dozenten Herrn Prof. Dr.- Ing. Peter Weber weiterhin

viel Erfolg, das stets hohe Niveau der Vorlesung trotz enorm ansteigender Anzahl an

Studenten beizubehalten, wobei wir diesbezüglich bester Dinge sind. Mit der richtigen

Einstellung können aus der Veranstaltung Produktentstehungsprozess sehr viele wertvolle

Erfahrungen in Theorie, Praxis und Zwischenmenschlichem gesammelt werden.

DCMM LITERATURVERZEICHNIS

31

16. Literaturverzeichnis

Um den tatsächlichen Umfang des Projektes hinzüglich der Umsetzung mittels eines

Mikrocontrollers abschätzen zu können, war es erforderlich sich wesentliche Grundkenntnisse

der Mikrocontrollerprogrammierung anzueignen. Dabei halfen uns folgende Werke, die wir

jederzeit weiterempfehlen können.

Walter, Jürgen (2007): „Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller-Familie: Hardware,

Assembler, C 3. Auflage“

Wiegelmann, Jörg (2004): „Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren und

Mikrocontroller“

DCMM ABBILDUNGSVERZEICHNIS

32

17. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Gruppenfoto Team DCMM ................................................................................... IV

Abbildung 2 Mechanische Manipulatoren ................................................................................ 2

Abbildung 3 Portalroboter ......................................................................................................... 2

Abbildung 4 Scara-Roboter ........................................................................................................ 3

Abbildung 5 7-Achs Roboter ...................................................................................................... 3

Abbildung 6 Mindmap ............................................................................................................... 5

Abbildung 7 Blackbox ................................................................................................................. 9

Abbildung 8 Funktionsstrukturplan .......................................................................................... 11

Abbildung 9 Kühlkörper-IC ....................................................................................................... 13

Abbildung 10 Lüfter .................................................................................................................. 13

Abbildung 11 IC-Gehäuse ......................................................................................................... 13

Abbildung 12 Kühlkörper-Motor .............................................................................................. 13

Abbildung 13 Motorgehäuse .................................................................................................... 13

Abbildung 14 Geätzte Platine ................................................................................................... 14

Abbildung 15 Kupferkabel ........................................................................................................ 14

Abbildung 16 Steckbrett ........................................................................................................... 14

Abbildung 17 Potentiometer .................................................................................................... 15

Abbildung 18 Gabellichtschranke mit Drehscheibe ................................................................. 15

Abbildung 19 Inkrementaldrehgeber ....................................................................................... 15

Abbildung 20 Kippschalter ....................................................................................................... 16

Abbildung 21 Taster ................................................................................................................. 16

Abbildung 22 Touchpad ........................................................................................................... 16

Abbildung 23 VC2 Controller .................................................................................................... 17

Abbildung 24 Arduino-Board .................................................................................................... 17

Abbildung 25 Raspberry Pi-Board ............................................................................................ 17

Abbildung 26 Schrittmotor ....................................................................................................... 18

Abbildung 27 DC-Motor ........................................................................................................... 18

Abbildung 28 Servomotor ........................................................................................................ 18

Abbildung 29 Roboterarm ........................................................................................................ 19

Abbildung 30 Portalroboter ..................................................................................................... 19

Abbildung 31 Delta Roboter ..................................................................................................... 19

Abbildung 32 Roboterarm mit Lageerkennung ........................................................................ 20

Abbildung 33 Eingabefeld ........................................................................................................ 20

Abbildung 34 Joystick ............................................................................................................... 20

Abbildung 35 LED ..................................................................................................................... 21

Abbildung 36 Siebensegmentanzeige ...................................................................................... 21

Abbildung 37 LCD ..................................................................................................................... 21

Abbildung 38 Unterdruckgreifer .............................................................................................. 22

DCMM ABBILDUNGSVERZEICHNIS

33

Abbildung 39 Kraftbegrenzter Greifer ..................................................................................... 22

Abbildung 40 Wegbegrenzter Greifer ...................................................................................... 22

Abbildung 41 1 zu 1 Roboterarm ............................................................................................. 29

DCMM TABELLENVERZEICHNIS

34

18. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Gantt-Diagramm ........................................................................................................ 6

Tabelle 2 Anforderungsliste Blatt 1 ........................................................................................... 7

Tabelle 3 Anforderungsliste Blatt 2 ........................................................................................... 8

Tabelle 4 Legende zur Funktionsstruktur nach Roth .............................................................. 10

Tabelle 5 Morphologie ............................................................................................................ 12

Tabelle 6 Morphologie mit Lösungsalternativen .................................................................... 23

Tabelle 7 Bewertungskriterien ............................................................................................... 26

Tabelle 8 Verfahrensmatrix der Nutzwertanalyse .................................................................. 27

Tabelle 9 Ergebnis der Nutzwertanalyse ................................................................................. 28

Tabelle 10 Grad der Wertigkeit (nach Hansen) ....................................................................... 28

DCMM QUELLEN

35

19. Quellen

Abbildung 2 Mechanische Manipulatoren:

http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/hotcell_kernspaltufusion_aus.jpg

(22.05.2014 17:19)

Abbildung 3 Portalroboter:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/2_komponenten_einfachdosierer_a

uf_portal.jpg

(22.05.2014 17:21)

Abbildung 4 Scara-Roboter:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/KUKA_Industrial_Robot_KR10_SCAR

A.jpg

(22.05.2014 17:24)

Abbildung 5 7-Achs Roboter: http://weltderfertigung.de/images/k1024_800yaskawa_7-

achs-roboter_va1400_510.jpg

(22.05.2014 17:25)

Abbildung 8 Kühlkörper-1: http://www.fischerelektronik.de/uploads/pics/PM_ICK_SMD.jpg

(22.05.2014 17:26)

Abbildung 9 Lüfter:

http://www.conrad.de/medias/global/ce/8000_8999/8700/8710/8710/871058_RB_00_FB.E

PS_1000.jpg

(22.05.2014 17:28)

Abbildung 10 IC-Gehäuse: http://cdn-reichelt.de/bilder/web/xxl_ws/A200/SO-16.png

(22.05.2014 17:34)

Abbildung 11 Kühlkörper-2: http://www.kotte-zeller.de/$WS/kotte-zeller-

shop/websale8_shop-kotte-zeller-shop/produkte/medien/bilder/gross/900487.jpg

(25.05.2014 18:10)

Abbildung 12 Motorgehäuse:

http://www.conrad.de/medias/global/ce/2000_2999/2300/2360/2368/236867_LB_00_FB.E

PS_1000.jpg

(25.05.2014 18:13)

Abbildung 13 Geätzte Platine: http://bienonline.magix.net/public/undsonst-pcb/geaetzt.png

(25.05.2014 18:19)

DCMM QUELLEN

36

Abbildung 14 Kupferkabel: http://www.nbf-powercable.com/photo/pl7390-

kupferleiter_pvc_xlpe_isolierte_pvc_ummantelte_geflecht_geschirmt_flexible_steuerkabel.j

pg

(25.05.2014 18:21)

Abbildung 15 Steckbrett: https://www.projektlabor.tu-

berlin.de/fileadmin/fg52/onlinekurs/fehlersuche/steckbrett.jpg

(25.05.2014 18:22)

Abbildung 16 Potentiometer:

http://www.conrad.de/medias/global/ce/4000_4999/4500/4500/4500/450034_BB_00_FB.E

PS_1000.jpg

(25.05.2014 18:30)

Abbildung 17 Gabellichtschranke mit Drehscheibe: http://www.rn-

wissen.de/images/5/5f/Gp1a30.jpg

(25.05.2014 18:33)

Abbildung 18 Inkrementaler Drehgeber:

http://images.fotocommunity.com/photos/special/product/drehgeber-inkremental-

343f88cb-6e1f-4876-8cb9-45425b5bb581.jpg

(25.05.2014 18:40)

Abbildung 19 Kippschalter:

http://www.conrad.de/medias/global/ce/7000_7999/7000/7010/7010/701011_LB_00_FB.E

PS_1000.jpg

(25.05.2014 18:45)

Abbildung 20 Taster: http://www.shop-

014.de/shop_cfg/michawi/drucktasterrotrunderkopf.JPG

(25.05.2014 18:50)

Abbildung 21 Touchpad: http://img.edilportale.com/product-thumbs/b_prodotti-48616-

rel7fa000b6-b9df-455a-92e9-7253606ec291.jpg

(25.05.2014 18:53)

Abbildung 23 Arduino-Board: http://ecx.images-

amazon.com/images/I/81AZSyPZIvL._SL1500_.jpg

(25.05.2014 18:56)

Abbildung 24 Raspberry Pi-Board:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/RaspberryPiModelBRev2.by.Philipp.

Bohk.jpg

(25.05.2014 18:59)

DCMM QUELLEN

37

Abbildung 25 Schrittmotor:

http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/images/stepp5010.jpg

(25.05.2014 19:03)

Abbildung 26 DC-Motor:

http://www.mind.ilstu.edu/curriculum/medical_robotics/dcmotor.jpg

(25.05.2014 19:08)

Abbildung 27 Servomotor: http://www.robotshop.com/media/files/images/hitec-hs-

5585mh-servo-motor-large.jpg

(25.05.2014 19:10)

Abbildung 28 Roboterarm:

http://www.ikhds.com/media/catalog/product/cache/1/image/800x/9df78eab33525d08d6e

5fb8d27136e95/a/r/arexx_roboterarm-pro_72dpi.jpg

(25.05.2014 19:13)

Abbildung 29 Portalroboter: http://www.hiwin.de/temp/images/1338/610-500-1-

jpg/Portalroboter_KM_R_3.jpg

(25.05.2014 19:20)

Abbildung 30 Delta Roboter:

http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQyBnG262lWxe7yTWPvJJlueTl16OT0oJpMETSLl

N7-sTnnfIQ4BikwY_M

(25.05.2014 19:24)

Abbildung 31 Roboterarm mit Lageerkennung:

http://www.hoegg.ch/newsletter/2011_01/media/Messarm.jpg

(25.05.2014 19:31)

Abbildung 32 Eingabefeld: http://www.kulttempel.de/images/produkte/i65/6500-

P1130382.JPG

(25.05.2014 19:33)

Abbildung 33 Joystick: http://yudamasputra.files.wordpress.com/2011/10/joystick-

yayayayayayayyayaaya2.jpg

(25.05.2014 19:41)

Abbildung 34 LED:

http://www.conrad.de/medias/global/ce/1000_1999/1800/1850/1857/185787_BB_00_FB.E

PS_1000.jpg

(25.05.2014 19:45)

DCMM QUELLEN

38

Abbildung 35 Siebensegmentanzeige: http://www.elv-

downloads.de/bilder/artikel/Produkte/13/1306/130621/Internet/normalneu/130621_w02_

7segmentanzeige.jpg

(25.05.2014 19:52)

Abbildung 36 LCD:

http://www.amateurfunk.de/__we_thumbs__/1658_4_rtc_ds1307_lcd.jpg

(25.05.2014 19:58)

Abbildung 37 Unterdruckgreifer:

http://www.festo.com/rep/de_de/assets/esG_1504u_150px.jpg

(25.05.2014 20:01)

Abbildung 38 Kraftbegrenzter Greifer: http://www.monolitix.com/115-0-

Greifer.html?rex_img_type=bild_text&rex_img_file=zweifingegreiferretortenglas.jpg

(25.05.2014 20:06)

Abbildung 39 Wegbegrenzter Greifer: http://www.ulrichc.de/product/robotic/mechanic.jpg

(25.05.2014 20:10)