Sensorplanung und schnelle Sensorregelung für Industrieroboter

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 51

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-08-25
Issue Year
1995
Authors
Zeller, Franz-Josef
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Carl Hanser
ISBN
3-446-18601-8
Abstract

The situation of manufacturing companies in the Federal Republic of Germany is currently characterized by an often large variety of variants, short product lifetimes and high product quality. Against the background of high labor costs, there are no alternatives to further, flexible automation in order to achieve quality and productivity increases. Industrial robots in particular, which enable flexible adaptation to changing production conditions and also have a high level of automation, can make an important contribution to this. Ultimately, however, it is not only the capabilities of the industrial robot that decide whether or not automation efforts succeed, but the robot peripherals and programming tools make a significant contribution. In particular, there are far-reaching deficits when it comes to integrating external sensors into robot systems, which limit, if not completely prevent, the use of industrial robots in some areas. So far, there are only limited possibilities for flexible and fast integration of external sensor data in order to adapt the movement path of industrial robots to the current shape and position tolerances of the workpiece. In the context of the present work, a concept is therefore developed and implemented that consistently supports both the selection of qualified sensors and their quick and configurable integration into a robot controller. The main goal is the design of an integrated overall system that supports the user extensively and efficiently, especially when designing and implementing a fast sensor control for an industrial robot. Various sensor control and integration concepts are examined with regard to their dynamic system behavior in order to obtain information on the performance of sensor controls in machining processes. First, the situation of sensor integration in today's robot-assisted production systems is analyzed and the necessity and its technological-economic benefits are examined. The known strategies for sensor integration and sensor control can be systematically structured and evaluated. A discussion of the deficits of existing solutions round off the presentation. In a second step, the requirements for a configurable, integrated overall system are derived. It is particularly important to analyze and structure questions about technological requirements. The technological target definitions can be projected onto the corresponding components of an overall system and form the basis for the definition of the requirement profile. These considerations lead to the concept of the integrated overall system ISRS, which supports exporters to a large extent with the creation of programs, the design of sensor controls and the testing of sensor integration solutions. The core of the overall ISRS system is the SC sensor controller, which can be configured flexibly, which is responsible for sensor processing, the transmission of sensor data to the robot controller and the communication controller, and which can largely be operated from the robot controller. A transfer system that has been specially optimized for the needs of fast sensor control is used for the optional expansion of the SC sensor control in the event of rapid sensor integration in the position control cycle of the robot control. The RC-SIM robot simulator, another component of the integrated overall ISRS system, also allows the robot controller and its communication functionality to be emulated in order to test sensor programs off-line without the risk of damaging the system. On the basis of the integrated overall system, investigations are carried out that aim to adapt the robot's trajectory with the aid of different sensor control and integration concepts. Various sensor controllers can improve the dynamic system behavior of the sensor control in the interpolation cycle, but the dynamic behavior is characterized by a control system that is dominated by dead time. In contrast, very good dynamic behavior can be achieved with simple controllers in sensor control in the position control cycle, which is now only limited by the remaining dynamics of the robot drive. The resulting following errors with different control and integration strategies are determined analytically and practically and a relation to the corresponding requirements of the processing technologies is established. The overall system is also expanded to include the ability to integrate and fuse multisensory data. An analysis of the deficits of existing systems leads to a concept that allows flexible and freely configurable integration of multisensor data within the integrated overall system depending on the existing requirements. Using an exemplary application, it can be demonstrated that the concept is also suitable for sensor-controlled applications. Before the actual integration of sensors into a robot system, qualified sensors must first be selected in a laborious and time-consuming process. An analysis of the selection process and the existing deficits lead to a concept for a structured selection system. On the basis of the selection system, a computer-aided planning system is designed that supports the operator when selecting a suitable sensor.

Abstract

Eine oftmals hohe Variantenvielfalt, geringe Produktlebenszeiten und eine hohe Produktqualität kennzeichnen gegenwärtig die Situation der produzierenden Unternehmen in der Bundesrepublik Deutschland. Vor dem Hintergrund der hohen Lohnkosten bestehen keinerlei Alternativen zu einer weiteren, flexiblen Automatisierung, um Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen zu erzielen. Gerade Industrieroboter, die eine flexible Anpassung an wechselnde Fertigungsbedingungen ermöglichen und außerdem ein hohes Automatisierungspotential besitzen, können dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Letztendlich entscheiden aber nicht alleine die Fähigkeiten des Industrieroboters über den Erfolg oder Mißerfolg von Automatisierungsbestrebungen, sondern die Roboterperipherie und Programmierwerkzeuge tragen wesentlich dazu bei. Insbesondere bei der Integration von externen Sensoren an Roboteranlagen bestehen weitreichende Defizite, die den Einsatz von Industrierobotern in einigen Bereichen einschränken, wenn nicht ganz verhindern. So existieren bisher nur eingeschränkte Möglichkeiten zur flexiblen und schnellen Integration externer Sensordaten, um die Bewegungsbahn von Industrierobotern an die aktuellen Form- und Lagetoleranzen des Werkstück anzupassen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein Konzept entwickelt und realisiert, daß eine konsequente Unterstützung sowohl bei der Auswahl von qualifizierten Sensoren als auch deren schnelle und konfigurierbare Integration in eine Robotersteuerung beinhaltet. Hauptziel ist der Entwurf eines integrierten Gesamtsystems, das den Anwender insbesondere beim Entwurf und der Durchführung einer schnellen Sensorregelung eines Industrieroboters weitreichend und effizient unterstützt. Verschiedene Sensorregelungs- und Integrationskonzepte werden hinsichtlich ihres dynamischen Systemverhaltens untersucht, um Aussagen zur Leistungsfähigkeit von Sensorregelungen bei Bearbeitungsverfahren zu erlangen. Zunächst wird die Situation der Sensorintegration an heutigen, robotergestützten Fertigungsanlagen analysiert und die Notwendigkeit und deren technologisch-ökonomischer Nutzen beleuchtet. Die bekannten Strategien zur Sensorintegration und Sensorregelung lassen sich systematisch strukturieren und bewerten. Eine Diskussion der Defizite bestehender Lösungen runden die Darstellung ab. In einem 2. Schritt werden die Anforderungen an ein konfigurierbares, integriertes Gesamtsystem abgeleitet. Es gilt dabei insbesondere Fragen zu technologischen Anforderungen zu analysieren und zu strukturieren. Die technologischen Zieldefinitionen lassen sich auf die entsprechenden Komponenten eines Gesamtsystems projizieren und bilden die Basis zur Definition des Anforderungsprofils. Diese Überlegungen münden in das Konzept des integrierten Gesamtsystems ISRS, das den Ausfuhrenden bei der Programmerstellung, dem Entwurf von Sensorregelungen und dem Test von Sensorintegrationslösungen weitgehend unterstützt. Der Kern des Gesamtsystems ISRS stellt die flexibel parametrierbare Sensorsteuerung SC dar, die maßgeblich die Sensor Wertverarbeitung, die Übertragung von Sensordaten zur Robotersteuerung und die Kommunikationssteuerung ausfuhrt, sowie weitgehend von der Robotersteuerung aus bedienbar ist. Ein speziell auf die Belange der schnellen Sensorregelung optimiertes Transputersystem dient zur optionalen Erweiterung der Sensorsteuerung SC für den Fall der schnellen Sensorintegration im Lageregeltakt der Robotersteuerung. Der Robotersimulator RC-SIM, eine weitere Komponente des integrierten Gesamtsystems ISRS, erlaubt zudem eine Emulation der Robotersteuerung und deren Kommunikationsfunktionalität, um Sensorprogramme offline ohne die Gefahr einer Beschädigung der Anlage zu testen. Auf der Basis des integrierten Gesamtsystems werden Untersuchungen, die eine Adaption der Bewegungsbahn des Roboters mit Hilfe unterschiedlicher Sensorregelungs- und Integrationskonzepte zum Ziel haben, durchgeführt. Verschiedene Sensorregler können dabei das dynamische Systemverhalten der Sensorregelung im Interpolationstakt verbessern, jedoch wird das dynamische Verhalten von einer totzeitdominanten Regelstrecke geprägt. Im Gegensatz dazu läßt sich mit einfachen Reglern bei der Sensorregelung im Lageregeltakt ein sehr gutes dynamisches Verhalten erzielen, das nur mehr durch die verbleibende Dynamik des Roboterantriebs begrenzt ist. Die resultierenden Schleppfehler bei unterschiedlichen Regelungs- und Integrationsstrategien werden analytisch wie praktisch ermittelt und ein Bezug zu den entsprechenden Anforderungen der Bearbeitungstechnologien hergestellt. Das Gesamtsystem wird zudem um die Fähigkeit zur Integration und Fusion multisensorieller Daten erweitert. Eine Analyse der Defizite bestehender Systeme mündet in ein Konzept, daß eine flexible und je nach den bestehenden Erfordernissen frei konfigurierbare Integration von multisensoriellen Daten innerhalb des integrierten Gesamtsystems erlaubt. An Hand einer exemplarischen Anwendung kann der Nachweis erbracht werden, daß sich das Konzept auch für sensorgeregelte Applikationen eignet. Vor der eigentlichen Integration von Sensoren in eine Roboteranlage müssen zunächst in einem mühsamen und zeitaufwendigen Prozeß qualifizierte Sensoren ausgewählt werden. Eine Analyse des Auswahlvorgangs und der bestehenden Defizite münden in ein Konzept für eine strukturierte Auswahlsystematik. Auf der Basis der Auswahlsystematik wird ein rechnergestütztes Planungssystem entworfen, das den Ausführenden bei Auswahl eines geeigneten Sensors unterstützt.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
51
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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