The European Robot Initiative for SMEs in Manufacturing · The European Robot Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing SMErobot Abschlussworkshop

The European Robot Initiative for Strengthening the Competitiveness of

SMEs in Manufacturing

SMErobot Abschlussworkshop

Stuttgart, 07.-08.05.2009

Schnelle und intuitive Roboterprogrammierungam Beispiel Schweißen

Rainer Bischoff, KUKA Roboter GmbH

2SMErobot Abschlussworkshop

Stuttgart, 07.-08.05.2009

Übersicht

• Einleitung– D3 Demonstratoren und Versuchsstände

– Ziele, Partner und Rollen

• Arbeitsumfeld und –prozesse– Ist-Zustand

• Entwickelte Demonstratoren und Versuchsstände– allgemeine Vorgehensweise

– Besonderheiten

• Bewertung

• Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

3SMErobot Abschlussworkshop

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Einleitung – Ziele, Partner und Rollen

• Prozessexperten befähigen, Roboter zu programmieren

• kürzere Programmierzeiten• einfachere Bedienung• Roboter als universelles Werkzeug für Kleinserienfertigung

• verbesserte Arbeitsbedingungen & Ergonomie

Ziele der Demonstratoren/Versuchsstände

KUKA

Zeitler, IPA

Treffler

Roboterhersteller

Systemintegrator

Endanwender

Demonstratoren/VersuchsständeSchweißen in

kleinenLosgrößen

Struktur derLieferkette(Hauptdemonstratoren)

4SMErobot Abschlussworkshop

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Einleitung – Demonstratoren/Versuchsstände

Heftschweißen

Anforderungenvon K.MET

Standard-Schweißroboter(bei Treffler)

Demonstrator 3C:bildbasierte Progr.,

Widerstands-schweißen für

Drahtgitterprodukte

Demonstrator 3B:Montage und Heftschweißen,

Manuelles Führen, Ablaufunterstützung

Demonstrator 3A: Bahnschweißen, manuelles Führen,

graphische Nachbearbeitung

Bahnschweißen

Anforderungenvon Treffler

Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA

Offline-Programming

Versuchsstand für On- u.Offline-Programmierung

5SMErobot Abschlussworkshop

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Überblick heutiges Arbeitsumfeld (Video)

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Heutiges Arbeitsumfeld – Umgebung

• Beispiel: metallverarbeitender Betrieb Fa. Stahl-und Maschinenbau Treffler, Pöttmes (bei Augsburg)

7SMErobot Abschlussworkshop

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Heutiges Arbeitsumfeld – Produkte

• ca. 800 verschiedene Produkte

• Losgröße ca. 10-100

• einige Werkstücke mit 2D CAD

• Anpassung an Kundenwünsche,besonders in der Landwirtschaft

Präzisionshackstriegelzur mechanischen Unkrautbekämpfung

8SMErobot Abschlussworkshop

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Heutiges Arbeitsumfeld – Prozesse

• Spektrum typischer Aufgaben– Schneiden, Bohren, Fräsen

– Schweißen

– Polieren von Schweißnähten

– Lackieren, Sprühen

– Montage

PolierenSchweißen

Schneiden

9SMErobot Abschlussworkshop

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Heutiges Arbeitsumfeld – Werkzeuge

• Typische Geräte und Werkzeuge

Demmeler Tisch und Anschläge

heftgeschweißte undgeklemmte Bauteile

Klemmen

Anschlägestationäre Maschinen

Schweißapparat

10SMErobot Abschlussworkshop

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Heutiges Arbeitsumfeld – Daten

• Zeitbedarf für die Produktion– in Notfällen: wenige Stunden

– bei kleinen Werkstücken: 1 - 2 Tage

– bei großen Werkstücken: bis zu mehreren Wochen(wegen der Materialbestellungen)

• Losgrößen– typisch: 10-50 (in einer Charge), bis zu 20 Chargen pro Jahr

– Ausnahme: sehr kleine Serien von 1-10 Stück• Landmaschinen: Losgröße 1

• Aufteilung manuelle und maschinelle Arbeit– 80 % manuelle Arbeit mit Werkzeugen (Schweißen, Entgraten, …)

– 20 % Arbeit an Maschinen (Schneiden, Fräsen, …)

11SMErobot Abschlussworkshop

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Heutiges Arbeitsumfeld – Kritik und Bedarfe

ZielHeuteKriterium

• Motivation und Gesundheit verbessern

• herausfordernde Arbeit mit High-Tech-Maschinen (Roboter, PCs)

• niedrig: schmutzig, ungesund, langweilig, wiederholend

• Schwierigkeiten erfahrene Schweißer zu finden

Attraktivität der Arbeit

• keine Zäune, nur Blendschutz

• Arbeiter sollen Schutzmechanismen nicht aushebeln können

• Schutz für Augen, Mund und Ohren erforderlich, aber nicht immer getragen

Sicherheit

• bessere Ergonomie zur Verbesserung des Gesundheitszustands

• (sehr) schlecht, z.B.: Heben und Handhaben von schweren und sperrigen Bauteilen, ungesunde Körperhaltungen, giftige Dämpfe

Ergonomie

• Verkürzen der Lieferz. ab Bestellung

• kundenangepasste Produktion

• begrenzt durch manuelle Prozesse

• ausreichend für Profit

Produktivität

• weitere Steigerung der Qualität

• Nachbearbeitungszeiten reduzieren

• hohe Qualität, Genauigkeit, Liefertreue

• Ehrgeiz der Arbeiter, gute Qualität zu liefern

Qualität

• noch größere Kundenorientierung

• im Wettbewerb bestehen

• Kundenorientierung

• Wettbewerb mit Niedriglohnländern

sozio-ökonomisch

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Inkrementeller Lösungsansatz

• Inkrementeller Ansatz– zuerst: Aufsetzen auf dem verfügbarer Stand der Technik

– danach: Verbesserung des Stands der Technik durch gezielte Hinzunahmevon Forschungsergebnissen, die in separaten Versuchsträgern heranreifen

• Vorteil des inkrementellen Ansatzes:– Fa. Treffler konnte sofort Produktionsprobleme lösen

– Erfahrungen über Probleme bei KMUs und kleinen Losgrößen aus erster Hand und Lösungsvorschläge aus der Praxis

– stufenweise Erhöhung des Wert des Demonstrators (technisch und wirtschaftlich)

– bessere Rückmeldung über Versuchsstände durch reale Anwendungen und Bauteile

• Nachteil:– hohes ökonomisches Risiko für den Fall, dass der Standardroboter völlig

ungeeignet ist (was aber nicht der Fall war)

13SMErobot Abschlussworkshop

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Area 1:DemmelerTisch

Bereich 2:Drehkipptisch

KR 16 L6 arc

FroniusTPS 4000

Komponenten der Treffler-Roboterzelle

14SMErobot Abschlussworkshop

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Aufbau und Inbetriebnahme der Roboterzelle (Dezember 2006)

Aufbau (bei ZSA) Tag 1 (Treffler) Tag 2 (Treffler)

Tag 3 (Treffler) Tag 4 (Treffler)

15SMErobot Abschlussworkshop

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Erste Erfahrungen mit Roboterschweißen

16SMErobot Abschlussworkshop

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• Akteure (in D3)– Planer (ZSA)– Inbetriebnehmer / Einrichter (ZSA)– Programmierer (= Prozessexperte)– Bediener (= eingewiesener Arbeiter)– Servicemitarbeiter (ZSA)– Ausbilder (KUKA / ZSA)

• Akteure und ihre Tätigkeiten im Lebenszyklus einer typischen Roboterzelle– Planen– Installieren / Inbetriebnehmen– Einrichten

– Programmieren / Anschläge positionieren

– Anschläge ändern

– Bedienen / Programm anpassen

– Warten– Trainieren

planner

commissioner

workeroperator

servicepersonnel

trainer

plan

install

set-up

program

operate

maintain

educate

Actors Life Cycle

Use Case Analyse

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Entwickelte Demonstratoren und Versuchstände

• Demonstrator 3A:Bahnschweißen, manuelles Führen, graphische Nachbearbeitung

• Demonstrator 3B(„Werkers dritte Hand“):Montage und Heftschweißen, manuelles Führen, Ablaufunterstützung

• Demonstrator 3C:Bildbasierte Programmierung

• Online-Programmierung mit Brenner-Dummy + PDA

• halb- und vollautomatische Offline-Programmierung

18SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A: Überblick

Fronius MAG

Schweißquelle

Fronius MAG

Schweißquelle

Sicherheitssystem:

KUKA SafeRobot

Technologie, Notaus,

Laserscanner

Sicherheitssystem:

KUKA SafeRobot

Technologie, Notaus,

Laserscanner

KR16, manuelle Führung über KMS

und RSI-Schnittstelle

KR16, manuelle Führung über KMS

und RSI-Schnittstelle

Handgriff mit KMS,

Zustimmschalter,

Touchup-Taste

Handgriff mit KMS,

Zustimmschalter,

Touchup-Taste

Berührungsbildschirm

mit Bedienoberfläche

Berührungsbildschirm

mit Bedienoberfläche

Drehkipptisch,

angebunden an

Programmierumgebung

Drehkipptisch,

angebunden an

Programmierumgebung

19SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A: Sicherheitskonzept

• Sicherheitskonzept nach ISO 10218

• umgesetzt mittels KUKA Sicherheitssteuerung in Kombination mit sicherer SPS

• kollaborativer Betrieb:– durch Signallampe angezeigt

– Notaustaster am Handgriff

– Zustimmschalter am Handgriff

– sicherer Betriebshalt

– sicher überwachte Geschwindigkeit < 250 mm/s

• automatischer Betrieb:– Zugangsüberwachung mit SICK Laserscanner �automatischer Nothalt beim Betreten des Arbeitsraums

Handgriff mit Zustimm-schalter und Notaus

20SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A: Programmieren

• Programmieren der Schweißbahn durch Vormachen

• Roboter wird mittels Kraft-Momentensensor (KMS) auf dem gewünschten Weg geführt

• Aufnahme von Schweißpunkten und -bahnen durch Tastendruck

• Drehkipptisch wird ebenfalls mittels KMS bewegt

� leicht zu erlernen, schnell zu programmieren

� direkte Kontrolle der Roboterpose

� Erreichbarkeit direkt sichtbar

21SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A: Pfad-Nachbearbeitung

• Nachbearbeitung über eine graphische Programmieroberfläche mit 3-D Ansicht, um z.B. Punkte, Geschwindigkeiten, Jobs zu ändern� keine Texteingaben wie beim “richtigen Programmieren”erforderlich

• aufgezeichnete und editierte Punkte werden automatisch in KRL (KUKA Robot Language) übersetzt� Stabilität des Systems und Nachbearbeitung garantiert

• KUKA ArcTech Schweißtechnologie-paket integriert� Prozessnachbearbeitung möglich

22SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A – Video

23SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3A: Testwochen bei Treffler

• Test und Optimierung bei Treffler– Zelle für zwei Wochen im Dezember und

März vor Ort aufgebaut

– Programmieren und Schweißen von Testobjekten und „richtigen“ Bauteilen durch Werker von Treffler (mit Roboterprogrammiererfahrung)

• Ergebnisse– Schweißen in guter Qualität: “Die Bauteile

können verkauft werden.”

– Schneller Lernerfolg: in <2h ist man in der Lage, Bauteile zu programmieren; auch Mitarbeiter ohne Programmiererfahrung

– bis zu 60% Zeitvorteil, abhängig von der Vorbildung des Werkers

– Nachbearbeitung braucht Zeit

24SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand –basierend auf dem KUKA Leichtbauroboter

• Schlüsseleigenschaften:– Momentensensoren und –regelung jeder Achse

– programmierbare Nachgiebigkeit,achsspezifisch und kartesisch

– aktive Dämpfung von Vibrationenbasierend auf Momentenregelung

– Redundanz (7 Achsen)

– geringes Gewicht (14 kg)

– geringe Leistungsaufnahme(funktionsbereit ab 80 W)

Typischer Industrieroboter:

Nutzlast: 14 kg

Eigengewicht: 140 kg

Leichtbauroboter:

Nutzlast: 14 kg

Eigengewicht: 14 kg

KUKA KR CDLR basic controller

25SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand –Plug and Play - Ortsflexibilität

Arbeiten vom Handwagen aus Ortsveränderung in Arbeitszelle

Hierfür realisierte Eigenschaften:

„Plug-and-Play“-Adapter und Kommunikation für Robotfuß, -hand und -werkzeuge

26SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand – Konzept

• einfache Installation des Roboters am Arbeitsplatz

• Arbeitsprozesse werden durch Vormachen programmiert

• virtuelle Führungshilfen erleichtern das präzise Anfahren von Posen

• intelligente Unterstützung des Werkers während der Produktion durch gelenkte Abläufe

27SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3B: Des Werkers 3. Hand – Video

28SMErobot Abschlussworkshop

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Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA

• Motivation– schnelles und intuitives Programmieren kleiner Losgrößen

• Lösungsansatz– Programmieren durch Vormachen mittels Dummy-Werkzeug

– übersichtliche Programmieroberfläche mit ausgewählten Funktionen zur Bewegungs- und Prozessprogrammierung

– wenig Nutzerinteraktion erforderlich, um Programme erzeugen und testen zu können

– kompaktes, tragbares Gerät

29SMErobot Abschlussworkshop

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Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA

Video:Online-Programmieren

mittels Zeigegerät und PDA

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• Erste Bewertung (nur Bewegungsprogrammierung, keine Prozessparameter, aber ein Testlauf):

7470Anzahl Punkte gesamt

49120Dauer gesamt [min]

2320Dauer Abfahren+Korrigieren [min]

26100Dauer Teachen [min]

29402940Länge Nähte [mm]

1313Anzahl Schweißnähte

4642Anzahl Schweißpunkte

2828Anzahl Luftpunkte

Zeige-gerät

KCPKriterium

Dauer teachen [min] Dauer abfahren [min] Dauer gesamt [min]

0

20

40

60

80

100

120

140

100

20

120

26 23

49

Programmierzeit [min]

���� Zeitersparnis bis zu 60%!

Versuchsstand: Online-Programmieren mittels Zeigegerät und PDA

31SMErobot Abschlussworkshop

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• graphisches Programmieren einer Schweißanwendung

• Auswahl der Schweißnähte durch Anklicken der Grenzflächen

• automatische Bahngenerierung einschließlich der optimalen Positionierung von Schweißbrenner und externer Achsen(um beispielsweise das Werkstück in Wannenlage zu bringen)

Versuchsstand: Halbautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD

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• vollautomatisches Roboterprogrammgenerierung für eine Schweißanwendung basierend auf– automatische Nahterkennung und -klassifizierung

– Bahnerzeugung auf Basis vordefinierter Regeln und Makros

– Prozessparameter- und Regeldatenbank

Versuchsstand: Vollautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD

33SMErobot Abschlussworkshop

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Versuchsstand: Halbautomatisches Offline-Programmieren mittels 3D CAD

34SMErobot Abschlussworkshop

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Demonstrator 3C: Partner & Rollen

KUKA

ZSA, IPA KINE

Treffler K.MET

Robothersteller

Systemintegrator

Endanwender

Demonstratoren

3A +3B:Schweißen in

kleinen Losgrößen

3C: Schweißen von

Drahtgitterprodukten

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Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten

Ziel

Vision

Heutiger

Prozess

Produkt

Roboter ersetzt Vorrichtungen und manuelles Zusammensetzen; autom. Punktschweißen

� nicht in SMErobot

Erhöhen der Produktionskapazität durch Reduktion der manuellen Arbeit und die Anzahl der Vorrichtungen (großer Aufwand bei der Herstellung der Vorrichtungen, erfahrenen Werker nicht einfach zu finden)

Automatisiertes Drahtgitterhandling und –biegen

manuelles Schweißen mit Vorrichtungenhalbautom. Schweißen und Biegemaschinen

Drahtgitter-Produkte, z.B., Postkartenhalter oder andere Regalständer für Waren und andere Kleinteile

Drahtgitter, z.B., Grillrost, Kühlschrank-Regale, Kleiderboxen

Analyse:

36SMErobot Abschlussworkshop

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Lösung:

• bildbasiertes Programmieren eines Robotsystems

• Werkzeug kombiniert Greifer und Schweißgerät

Demonstrator 3C: Schweißen von Drahtgitterprodukten

37SMErobot Abschlussworkshop

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• Demonstratoren / Versuchsstände(jeweils 30 Minuten + Fragebogen):– Demonstrator 3A � Vergleich des Standard- mit neuem Roboter– Leichtbauroboter � Präsentation der Schlüsseleigenschaften– Demonstrator 3B („Des Werkers dritte Hand“) � PdV– Zeigegerät + PDA � Online-Programmieren mit Dummy-Werkzeug– Halb- und vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren

Präsentations- und BewertungsworkshopKUKA / Treffler, 26. März, 2009

38SMErobot Abschlussworkshop

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• 19 Teilnehmer

• >12 ausgefüllte Fragebögen pro Exponat

• Roboter werden bereits in 5 Firmen eingesetzt

Evaluierungsworkshop – Ergebnisse

K + S Schweißfachhandel GmbH

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• überwiegend >100 verschiedene Produkte pro Betrieb

• Losgröße von 1 - >1000

• Bauteiltoleranzen 0,5 – 3,0 mm

• Warum werden bisher keine Roboter eingesetzt?– Roboter lassen sich schwer in Arbeitsprozess integrieren (5)

– Sonstiges (4): zu schwierig zu programmieren, kleine Losgrößen, bisher nicht daran gedacht

– Aufgaben können nicht automatisiert werden (3)

• Vorteile, die sich durch den Einsatz von Robotern ergeben:– erhöhte Produktivität (12) - verbesserte Arbeitsbeding. (7)

– erhöhte Qualität (9) - erhöhte Flexibilität (6)

– kürzere Lieferzeiten (8) - Einsparung von Personalkosten (4)

Evaluierungsworkshop – Ergebnisse

40SMErobot Abschlussworkshop

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• Durchschnittsnoten für Demonstratoren und Versuchsstände Skale: sehr gut (1) – ungenügend (6)

• kein Demonstrator / Teststand ist durchgefallen

• hohe Standardabweichung: Noten 1-4 bei allen Demonstratoren und Versuchsständen

� es gibt keine Universallösung zur Minimierung der Programmier und Bedienzeiten

Evaluierungsworkshop – Ergebnisse

2,2halbautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren

2,2vollautomatisches 3D-CAD-basiertes Programmieren

3,0Zeigegerät + PDA basiertes Online-Programmieren

2,3Demonstrator 3B (“Des Werkers dritte Hand”)

2,5Demonstrator 3A (manuelles Führen, graphische Nachbearb.)

41SMErobot Abschlussworkshop

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Gegenüberstellung der präsentierten Online-Offline Programmierverfahren

++

voll

+

nein

nein

ja

KMS-basiert

manuelles Führen

jateilweiseneinneinProzessdaten-bank benötigt

+++++-Programmier-geschwindigkeit

RinasVisual Components

KUKA Zeigegerät

Bedien-handgerät

Beispiel

neinneinja / neinjaRoboterzelle belegt

jajaneinnein3D CAD benötigt

neinteilweisevollvollInteraktivität

---+++Einfachheit

explizitesTeach-in

Zeigegerät voll-automatisch

halb-automatisch

Verfahren

42SMErobot Abschlussworkshop

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Zusammenfassung

• Roboterprogrammierung kann einfach sein und lohnt sich auch bei kleinen Losgrößen – normale Werker können es!

• Bauteile können in wenigen Minuten programmiert und hergestellt werden.

• Nutzen für SMEs– reduzierte Produktionskosten

– Prozessqualität von Robotern steht jetzt auch SMEs zur Verfügung

• Nutzen für Endkunden– Produkte mit höherer Qualität zu geringeren Kosten

43SMErobot Abschlussworkshop

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fragen?

RainerBischoff@kuka-roboter.de

d3@smerobot.org