Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

Beitrag zur Steigerung der Flexibilität automatisierter Montagesysteme durch Sensorintegration und erweiterte Steuerungskonzepte

Die aktuelle Problemstellung in der Montage ist vom Spannungsverhältnis zwischen weitreichenden Automatisierungsbestrebungen und wachsender Variantenvielfalt gekennzeichnet. Verstärkt durch den Einfluß abnehmender Produktlebensdauer werden steigende Flexibilitätsforderungen an automatisierte Montagesysteme gestellt, die zu erfüllen es in jedem Fall einer Vielzahl aufeinander abgestimmter Maßnahmen bedarf. In der vorliegenden Arbeit wurde daraus der Aspekt der steuerungstechnischen Maßnahmen aufgegriffen. Es wurde eine Methode zur Sensorauswahl entworfen, die den Planer von Montagesystemen unterstützen soll. Sie geht von den Aufgaben und Funktionen der gesuchten Sensoren im Montagesystem aus und schränkt auf systematische Art und Weise das Spektrum fraglicher Sensoren ein. Die Frage der erforderlichen Sensorausstattung ist bereits in einem relativ frühen Stadium der Planung relevant, weil unter Umständen der mechanische Aufbau durch Einbeziehung von Sensoren vereinfacht und die Systemverfügbarkeit erhöht werden kann. Zur Berücksichtigung eines möglichst breiten Marktangebotes wurde besonderer Wert auf durchgängige Herstellerneutralität gelegt. Für den Planer stellt ein darauf basierendes, rechnergestütztes Auswahlsystem mit Zugriff auf eine Sensordatenbank ein wertvolles Hilfsmittel dar, um den jeweils neuesten Entwicklungsstand im Sensorbereich berücksichtigen zu können. Über den automatischen Anlagenbetrieb hinaus lassen sich Sensoren sehr wirkungsvoll zur Erleichterung von Anpassungsarbeiten an Montagesystemen verwenden, die in der Folge von Produktänderungen nötig werden. Neben Vermessungs- und Kontrollarbeiten eignen sich Sensoren unter Einbeziehung geeigneter Steuerungs- und Regelungsmechanismen auch für die Bewegungsprogrammerstellung der Roboter. Ein neues sensorgestütztes Programmierverfahren wurde entwickelt, das mit minimalem Vorbereitungsaufwand auskommt und prinzipiell ohne manuelle Eingriffe betrieben werden kann. Praktische Untersuchungen zeigen in Übereinstimmung mit den Ergebnissen einer Simulationsstudie, daß der Programmiervorgang auch unter dem Einfluß von Störungen beherrschbar bleibt. Steuerungsmaßnahmen zur Kompensation bekannter Störungen können allerdings sowohl das Abtastverhalten als auch insgesamt die Qualität des Programmierergebnisses spürbar verbessern. Im Allgemeinen wird die Programmiermethode erst durch die Reduktion der aufgenommenen Meßdaten praktisch verwendbar. Der geringe Umfang der verbleibenden Datensätze begünstigt die Verwaltung der Bewegungsprogramme in den Steuerungen und ist Voraussetzung für ihre effiziente Archivierung. Die Datenreduktion muß in der Art erfolgen, daß später mit Hilfe des steuerungsinternen Interpolators die Meßkurve ausreichend gut wiederhergestellt werden kann. Bei einem Vergleich verschiedener Interpolationsverfahren hat sich dabei die HERMITEsche Spline-Interpolation als die universellste erwiesen. Die übliche Montagezellengrundausstattung mit einem Roboter und mehreren Peripheriegeräten eignet sich nicht für alle Montageaufgaben. In bestimmten Fällen erscheint ein neuer Losungsansatz vielversprechend, der in Anlehnung an die manuelle Arbeitsweise zwei Roboterarme vorsieht, deren Bewegungen nach den Forderungen der Montageaufgabe miteinander koordiniert werden. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes konnte bestätigt werden anhand einer Problemgruppe der automatischen Montage, den forminstabilen Werkstücken und Baugruppen, für die bisher kaum Automatisierungslösungen bekannt geworden sind. Für dieses Aufgabenspektrum wurden einige Typen koordinierter Bewegungen zusammengestellt und geeignete Algorithmen zur steuerungstechnischen Umsetzung abgeleitet. Da die Beschreibung derart aufeinander abgestimmter Armbewegungen mit konventionellen Programmiersprachen sehr umständlich ist und zu langen Programmerstellungszeiten führt, wurde ein einfaches Sprachkonzept für die Duplexmontage entworfen, das sich bei Versuchen an Beispielaufgaben bewährt hat. Als möglicher Realisierungsweg wurde die Struktur des Steuerungssystems vorgestellt, das eigens für den praktischen Test der Algorithmen erstellt wurde. Mit der vorliegenden Arbeit konnte verdeutlicht werden, daß Sensoren und spezifische Steuerungsfunktionen maßgeblich die Flexibilität automatisierter Montagesysteme erhöhen können. Die Weiterentwicklung beider Elemente erscheint als notwendige Voraussetzung dafür, daß auch bei hoher Produkt- und Variantenvielfalt künftige Montagesysteme wirtschaftlich betreibbar sein können.The current problem in assembly is characterized by the tension between far-reaching automation efforts and growing variety of variants. Increased by the influence of decreasing product life, increasing flexibility demands are placed on automated assembly systems, which in any case require a large number of coordinated measures. In this work, the aspect of control measures was taken up. A sensor selection method was designed to support the planner of assembly systems. It is based on the tasks and functions of the sensors sought in the assembly system and systematically limits the range of sensors in question. The question of the required sensor equipment is relevant at a relatively early stage of planning, because under certain circumstances the mechanical structure can be simplified by including sensors and the system availability can be increased. In order to take into account, the broadest possible market offer, special emphasis was placed on consistent manufacturer neutrality. For the planner, a computer-based selection system based on this and with access to a sensor database is a valuable tool in order to be able to take into account the latest developments in the field of sensors. In addition to the automatic system operation, sensors can be used very effectively to facilitate adjustment work on assembly systems that are necessary as a result of product changes. In addition to measurement and control work, sensors, including suitable control mechanisms, are also suitable for the movement program creation of the robots. A new sensor-based programming process was developed that requires minimal preparation and can in principle be operated without manual intervention. Practical investigations, in accordance with the results of a simulation study, show that the programming process can still be controlled under the influence of disturbances. Control measures to compensate for known disturbances can, however, noticeably improve both the scanning behavior and the overall quality of the programming result. In general, the programming method can only be used practically by reducing the recorded measurement data. The small volume of the remaining data sets favors the management of the movement programs in the controls and is a prerequisite for their efficient archiving. The data must be reduced in such a way that the measurement curve can be restored sufficiently well later with the help of the control interpolator. When comparing different interpolation methods, HERMITE spline interpolation has proven to be the most universal. The usual assembly cell basic equipment with a robot and several peripheral devices is not suitable for all assembly tasks. In certain cases, a new solution approach appears promising, which, based on the manual mode of operation, provides for two robot arms, the movements of which are coordinated with one another according to the requirements of the assembly task. The effectiveness of this approach could be confirmed on the basis of a problem group of automatic assembly, the dimensionally unstable workpieces and assemblies, for which hardly any automation solutions have been known so far. For this range of tasks, several types of coordinated movements were compiled and suitable algorithms for control technology implementation were derived. Since the description of arm movements coordinated in this way with conventional programming languages is very cumbersome and leads to long program creation times, a simple language concept for duplex assembly was designed, which has proven itself in tests on sample tasks. The structure of the control system, which was created especially for the practical test of the algorithms, was presented as a possible implementation path. The present work made it clear that sensors and specific control functions can significantly increase the flexibility of automated assembly systems. The further development of both elements appears to be a necessary prerequisite for future assembly systems to be economically operable, even with a large variety of products and variants

Robotereinsatz in der werkstattorientierten Fertigung

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Integration von 3D-"Time of Flight"-Kameras in Applikationen zur sicheren Steuerung autonomer Roboter

Optische Sensoren sind heutzutage aus den Bereichen mobile Robotik und Industrierobotik nicht mehr wegzudenken. Laserscanner und Stereovisionsysteme dienen hauptsächlich zur Erfassung des Roboterumfelds. Hierbei werden diese Sensoren größtenteils in Kombination verwendet, um die Schwächen der einzelnen Systeme zu kompensieren. Dies hat einen nicht unerheblichen Aufwand zur Sensorfusion und zur Integration in die Robotersysteme zur Folge. Die PMD-Technik, welche in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung bezüglich der erreichbaren Messgenauigkeit vollzogen hat, verspricht in diesem Umfeld eine hervorragende, kostengünstige und leicht zu integrierende Alternative zu sein. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Leistungsfähigkeit der PMD-Kameratechnik in dem Gebiet der Kollisionsvermeidung durch Überwachung des Roboterumfeldes bei Handhabungsrobotern und für mobile Robotersysteme. Diese wird anhand von zwei verschiedenen Beispielapplikationen untersucht. Im Bereich der mobilen Robotik wird ein fahrerloses Transportsystem aufgebaut, welches allein auf Grundlage der 3D PMD-Bilder die autonome Navigation in einer nur teilweise bekannten Umgebung beherrscht. Hierzu wurden PMD basierte Algorithmen zur Selbstlokalisierung, Hinderniserkennung sowie reaktiven Bahnplanung entworfen. Die zweite Applikation befasst sich mit der Überwachung von Roboterarbeitsräumen im Gebiet der Handhabungsrobotik. Spezielle auf die PMD-Kamera angepasste Algorithmen gewährleisten das Erkennen von Fremdobjekten und Personen in der Roboterzelle. Dies ermöglicht dem Roboter entsprechend zu reagieren und alternative kollisionsfreie Trajektorien zu finden. Auf die Installation von Sicherheitszäunen, die heutzutage im industriellen Umfeld noch Standard sind, kann aufgrund dessen verzichtet werden, so dass zum Beispiel die Option zu einer Mensch-Roboter-Kooperation geschaffen wird. Zudem bietet die PMD basierte Bahnplanung von Robotertrajektorien den Vorteil, dass zeitintensive Teach-In-Prozesse zum Einlernen von Trajektorien entfallen und Roboterzellen schneller in Betrieb genommen werden können

Entwicklung einer intuitiven Mensch-Maschine-Schnittstelle für die automatisierte Kleinserienmontage

Sinkende Losgrößen in der industriellen Montage erfordern neue Konzepte, um flexible Robotersysteme schnell, einfach und robust für neue Aufgaben einzurichten. Der Beitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, mit der Nicht-Experten diese Systeme innerhalb weniger Stunden für komplexe, bildgeführte Applikationen in Betrieb nehmen. Die Robustheit wird durch eine autonome Störungsbehandlung mit selbstständiger Optimierung über einen POMDP erreicht