Multiprozessorsteuerung für kooperierende Industrieroboter in Montagezellen

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 21

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-08-10
Issue Year
1991
Authors
Sommer, Egon
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Carl Hanser
ISBN
3-446-17062-6
Abstract

The required flexibility of modern production systems can only be achieved through extensive and consistent use of computers. The performance of the devices used - or the controls - and the possibilities of sensor integration are decisive for success. A seamless information technology connection of all elements of an assembly cell is also a prerequisite for production-related quality assurance. Therefore, the possibility of treating a cell as a distributed control system and the associated transparency of information are of great importance. Tools from three different areas have to be combined in order to successfully modularize the overall complex of 'control tasks in assembly cells'. On the side of formulating assembly tasks, it was necessary to draft an abstract functional description still in the device control, can be divided into manageable sections, and last but not least, the variability in the expansion of the components of a control system could be achieved through the use of appropriate bus systems and multiprocessor computers. This was preceded by considerations about real-time operating systems. These form the approaches to dealing with the fundamental issues of managing multi-program systems (multitasking). In particular, questions regarding the allocation of processor power and the possibilities of communication between programs had to be analyzed. The presentation of current developments in this area round off the presentation. In a second step, the systematic organization of assembly tasks was carried out. The functional hierarchy presented describes the separation of assembly-related information into different abstraction levels. The result is a separation of the data according to product, system and assembly process information and forms the basis for an increased universality of the control system of a cell. The task fields for device controls in an organizational-planning direction can be derived directly. Aspects of predictability were integrated into the creation of a list of requirements for future device controls. A high level of modularity in hardware and software was therefore required. From the application, or the required integration into the manufacturing cell, questions of sensor integration or the coordination and cooperation of several devices are essential considerations. The considerations culminate in a concept for flexible and universal device control. The key point is the design of a hybrid computer concept for connecting standard functions with real-time capability. The scalability of the system is ensured by the modular structure of the basic system and multi-processor support. An object-oriented approach to the management of the individual programs was designed to improve the handling of a fine-grained software system for device controls. This is specially optimized for the needs within a control system and also allows the modeling of application-dependent system states. In connection with a multiprocessor system, fault tolerance aspects can also be realized. The expanded control concepts allow the design of new fields of activity, such as the dynamic cooperation of two robots. A corresponding structure of the controls allows not only the processing of common assembly tasks, but also the establishment of synchronization with moving robots. The concepts were implemented in the form of a multiprocessor control for the double robots of a model system. The computing power required for complex applications can be achieved by the multiprocessor arrangement in connection with the distribution of the intelligence in the cell. New forms of coordination and complicated forms of movement control can be realized even when using a standard language. Further applications show the possibilities of sensor integration. Rapid data acquisition using a fieldbus for contour acquisition was implemented, as was workpiece identification with a multi-sensor arrangement. The clear structuring of the control elements and the resulting overall system of an assembly cell makes it possible to meet the demands for performance, flexibility, transparency and portability. Against the background of constantly increasing software costs for automation solutions, the use of high-level languages and extensive system independence of the software down to the device controls is an important economic factor. Another decisive advantage of the concepts presented is the modularity of the overall system, which allows the devices and cells to be flexibly adapted to changing requirements. The performance of the multiprocessor system, in conjunction with the software components created, allowed a practical application of new control methods for double robots and also the implementation of complex interpolation methods (cubic spline function) with high clock rates. By using a specific operating system, modularity and universality can be guaranteed even in close proximity to the process. The implemented system proves that the structuring of a software system created in a high-level language for assembly tasks and its use in time-critical applications (robot control) with a multiprocessor system no longer have to be opposites.

Abstract

Die geforderte Flexibilität moderner Fertigungsanlagen läßt sich nur durch umfassenden und durchgängigen Rechnereinsatz realisieren. Entscheidend für den Erfolg sind die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Geräte - respektive der Steuerungen - und ebenso die Möglichkeiten der Sensorintegration. Eine lückenlose informationstechnische Verknüpfung aller Elemente einer Montagezelle ist zudem auch Voraussetzung für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung. Deshalb ist die Möglichkeit der Behandlung einer Zelle als ein verteiltes Steuerungssystem und die damit verbundene Informationstransparenz von großer Bedeutung. Für eine erfolgreiche Modularisierung des Gesamtkomplexes ‘Steuerungsaufgaben in Montagezellen müssen Werkzeuge aus drei verschiedenen Bereichen kombiniert werden. Auf der Seite der Formulierung von Montageaufgaben war der Entwurf einer abstrakten Funktionsbeschreibung notwendig. Das in der konkreten Umsetzung entstehende Softwaresystem sollte sich durch ein leistungsfähiges Betriebssystem, selbst noch in der Gerätesteuerung, in überschaubare Abschnitte gliedern lassen. Und nicht zuletzt ließ sich die Variabiltät im Ausbau der Komponenten eines Steuerungssystems durch den Einsatz von entsprechenden Bussystemen und Multiprozessorrechnern erreichen. Vorangestellt waren Betrachtungen über Echtzeit-Betriebssysteme. Diese bilden die Ansätze zur Behandlung von prinzipiellen Fragen der Verwaltung von Mehrprogramm-Systemen (Multitasking). Es galt insbesondere Fragen der Vergabe von Prozessorleistung und die Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Programmen zu analysieren. Die Präsentation von aktuellen Entwicklungen auf diesem Gebiet runden die Darstellung ab. In einem zweiten Schritt wurde die systematische Gliederung von Montageaufgaben durchgeführt. Die vorgestellte Funktionshierarchie beschreibt die Trennung von montagerelevanter Information in unterschiedliche Abstraktionsebenen. Es resultiert eine Separation der Daten nach Produkt-, Anlagen- und Montageprozeß-Information und bildet die Basis für eine erhöhte Universalität des Steuerungssystems einer Zelle. Die Aufgabenfelder für Gerätesteuerungen in organisatorisch-dispositiver Richtung können direkt abgeleitet werden. Bei der Erstellung einer Anforderungsliste für künftige Gerätesteuerungen wurden Aspekte der Planbarkeit integriert. Es mußte deshalb eine hohe Modularität in Hard- und Software verlangt werden. Aus der Anwendung heraus, beziehungsweise der geforderten Integration in die Fertigungszelle, sind Fragen der Sensorintegration oder auch der Koordination und Kooperation von mehreren Geräten wesentliche Gesichtspunkte. Die Überlegungen münden in ein Konzept für eine flexible und universelle Gerätesteuerung. Kernpunkt ist der Entwurf eines hybriden Rechnerkonzepts zur Verbindung von Standardfunktionen mit Echtzeitfähigkeit. Die Skalierbarkeit des Systems wird durch modularen Aufbau des Grundsystems und Multiprozessorunterstützung gesichert. Zur besseren Handhabung eines feingranularen Softwaresystems für Gerätesteuerungen wurde ein objektorientierter Ansatz zur Verwaltung der einzelnen Programme konzipiert. Dieser ist speziell auf die Belange innerhalb einer Steuerung optimiert und erlaubt zudem die Modellierung von anwendungsabhängigen Systemzuständen. In Verbindung mit einem Multiprozessorsystem lassen sich auch Fehlertoleranzaspekte realisieren. Die erweiterten Steuerungskonzepte erlauben den Entwurf von neuen Aufgabenfeldern, wie zum Beispiel die dynamische Kooperation von zwei Robotern. Eine entsprechende Struktur der Steuerungen gestattet nicht nur die Bearbeitung von gemeinsamen Montageaufgaben, sondern zudem die Herstellung der Synchronisation bei fahrenden Robotern. Eine Umsetzung der Konzepte erfolgte in Form einer Multiprozessorsteuerung für die Doppelroboter einer Modellanlage. Die für aufwendige Anwendungen notwendige Rechenleistung läßt sich durch die Mehrprozessoranordnung in Verbindung mit der Verteilung der Intelligenz in der Zelle erreichen. Neue Formen der Koordination und komplizierte Formen der Bewegungsführung lassen sich sogar bei Einsatz einer Hochsprache realisieren. Weitere Anwendungen zeigen die Möglichkeiten der Sensorintegration. Es wurde eine schnelle Datenerfassung mittels Feldbus zur Konturerfassung realisiert, ebenso eine Werkstückidentifikation mit einer Multisensoranordnung. Die klare Strukturierung der Steuerungselemente und das resultierende Gesamtsystem einer Montagezelle macht es möglich, die Forderung nach Leistungsfähigkeit, Flexibilität, Transparenz und Portabilität zu erfüllen. Gerade vor dem Hintergrund ständig steigender Softwarekosten von Automatisierungslösungen ist der Einsatz von Hochsprachen und eine weitgehende Anlagenunabhängigkeit der Software bis hinab in die Gerätesteuerungen ein bedeutender Wirtschaftlichkeitsfaktor. Entscheidender Vorteil der vorgestellten Konzepte ist zudem noch die erreichte Modularität des Gesamtsystems, die eine flexible Anpassung von Geräten und Zelle an wechselnde Anforderungen gestattet. Die Leistungsfähigkeit des Multiprozessorsystems, in Verbindung mit den erstellten Softwarekomponenten, erlaubte eine praktische Anwendung von neuen Steuerungsverfahren für Doppelroboter und auch die Realisierung von aufwendigen Interpolationsverfahren (Kubische Splinefunktion) mit hohen Taktraten. Durch den Einsatz eines spezifischen Betriebssystems können sogar in direkter Prozeßnähe Modularität und Universalität garantiert werden. Das realisierte System erbringt den Nachweis, daß die Strukturierung eines in einer Hochsprache erstellten Softwaresystems für Montageaufgaben und die Anwendung auch in zeitkritischen Applikationen (Robotersteuerung) mit einem Multiprozessorsystem keine Gegensätze mehr sein müssen.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
21
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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