Strategien zur On-Line Bahnplanung bei Robotern mit 3D-Konturfolgesensoren

Die Automatisierung in der Produktion nahm ihren Anfang bei den Fertigungsmaschinen, da man hier das größte Potential sah. Daher konzentrierten sich die Arbeiten in Forschungseinrichtungen und Unternehmen auf die mechanische Automatisierung bei der Werkstückbearbeitung. Die Bereiche der Handhabung, Prüfung und Montage blieben zunächst weitgehend unberücksichtigt und daher dem Menschen überlassen. Man erkannte jedoch schnell, daß für ein tragfähiges Automatisierungskonzept auch diese Aufgaben integriert werden mußten. Insbesondere die Handhabung von Werkstücken ist vielfach charakterisiert durch einfache, monotone, in gleicher Abfolge wiederkehrende Bewegungen. Daher wurde in den fünfziger und sechziger Jahren dieses Jahrhunderts begonnen, Automaten zu entwickeln, die Funktionen menschlicher Arme nachbilden konnten. 1961 kam es schließlich zur Einführung des ersten Industrieroboters von Unimation an einer Druckgießmaschine (Kreuzer 1994, S. 2–3).

Systeme zur sensorgeführten Bahnbewegung mit Robotern bestehen im wesentlichen aus fünf Komponenten, die in Abb. 3.1 dargestellt sind. Neben der Standardroboterkonfiguration mit Roboter, Robotersteuerung und Werkzeug wird zusätzlich das Sensorsystem benötigt, welches aus Sensorkopf und Sensorrechner besteht. Den einzelnen Komponenten sind unterschiedliche Aufgaben zugeordnet.

Alle bis ca. 1992 am Markt erhältlichen Sensoren zur Bahnverfolgung waren für vergleichsweise geringe Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit ausgelegt, da sie für das Schutzgasschweißen oder für Prozesse mit ähnlichen Anforderungsquotienten wie beispielsweise das Autogenbrennschneiden entlang von Kanten (Krorh 1991) konzipiert waren. Um die Technologie des Konturverfolgens auch für Aufgaben nutzbar zu machen, die Anforderungsquotienten von deutlich über 1000 ¹/ s erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Sensorsystem konzipiert und industriell umgesetzt.

Ein Sensorsystem zur Konturverfolgung hat zwei Hauptaufgaben zu lösen. Zum einen muß die Kontur den Anforderungen hinsichtlich Abtastfrequenz und Meßgenauigkeit (siehe Kap. 3.3.1.2) entsprechend erfaßt werden, zum anderen müssen die Meßwerte in einer Form aufbereitet werden, die die angeschlossene Robotersteuerung in die geforderten Bewegungen umsetzen kann. Die Bahnplanung stellt somit das Bindeglied zwischen der Konturerfassung im Sensorsystem und der Bewegungsgenerierung im Handhabungssystem dar.

Die Anforderungen an ein Konturfolgesystem der neuesten Generation führten über die Konzeption zur Realisierung des Sensorsystems SCOUT. Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Systems wurden umfangreiche Messungen bezüglich der Störungsunempfindlichkeit, der Meßgenauigkeit und der Bahnführungsgenauigkeit durchgeführt. Hierbei sind die beiden erstgenannten Punkte ausschließlich den Sensoreigenschaften zuzuordnen, der letzte Punkt spiegelt das komplexe Zusammenspiel zwischen Sensorsystem mit Sensorkopf und Sensorrechner sowie dem Handhabungssystem mit Steuerung und Manipulator wider.

Im vorangegangenen Kapitel wurden Untersuchungen an Musterbauteilen durchgeführt, die Strukturelemente realer Bauteile enthielten. In diesem Kapitel soll ein Überblick über eine begrenzte Anzahl von möglichen Anwendungen gegeben werden, deren wirtschaftliches Potential sich bereits klar abzeichnet.

„Unter den Blinden ist der Einäugige König“. Dieses Sprichwort charakterisiert in treffender Weise den innerhalb dieser Arbeit erreichten Stand der 3D-Konturverfolgung. Betrachtet man die Systemlösungen der heutigen Automatisierungstechnik, so zeigt sich schnell, daß diese Anlagen vielfach lediglich eine geringe Flexibilität besitzen. Sie sind nur bedingt in der Lage, selbst auf einfache Veränderungen ihres Umfeldes oder ihrer Aufgabenstellung eigenständig zu reagieren.