3D/6D-Visionsysteme und Lasermessverfahren in der Robotik und ...

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J. Wollnack – 3D/6D-Visionsysteme und Lasermessverfahren in der Robotik und Fertigungstechnik der Luftfahrtindustrie Abb. 9: Videometrie und Robotik (Systemkalibration) Abb. 10: 3D-Videoemetrie mit Multi-Kamera und Projektor bestimmung lässt sich über die Epipolare des kalibrierten Multikameramodells im Zusammenhang mit der Sehstrahlenabstandsberechnung sowohl evident beschleunigen als auch eindeutig lösen. Derartige Technologien werden mit hoher Wahrscheinlichkeit in den nächsten Jahren sowohl generell für die Automatisierung als auch speziell für die Weiterentwicklung des roboterunterstützten Laser-Remote-Schweißens bis hin zur Remote Schweißnahtverfolgung bedeutsam sein (siehe Abb. 11). Hiervon wird nicht zuletzt auch die Automobil- und Luftfahrtindustrie profitieren können. Iteration und Lernvorgänge sind auf einer abstrakten Ebene äquivalent, weshalb man vermutlich sowohl in der belebten Natur als auch beim Menschen für das Lernen das Prinzip der Wiederholung genutzt wird. Erinnern wir uns daran, wie oft wir einen Ball fangen mussten, bis unsere Hand-Augen-Koordination einigermaßen gut trainiert war. Letztlich machen wir dies bei der Systemkalibration in gewisser Weise auch. Es liegt daher der Einsatz eines neuronalen Netzes als Systemmodell nahe. Dies macht in der Technik in der Regel jedoch nur dann Sinn, wenn zudem ein Struktur-Identifikationsproblem vorliegt. 7 Empirisches Genauigkeitsverhalten Die Genauigkeitskontrolle des Gesamtsystems bestehend aus Industrieroboter und 3D-Sensor kann durch einen Vergleich mit einem Referenzmesssystem, Referenznormalen oder Prüfkörpern erfolgen. Dabei lassen sich (äquidistant) im Messvolumen verteilte Messpunkte oder im Messvolumen definierte Messlinien oder -ebenen heranziehen an bzw. auf denen das Verhalten des Systems charakterisiert wird. Durch den Vergleich von Ist- und Sollwerten können dann die das System beschreibenden Genauigkeitskenngrößen ermittelt werden. Abb. 11: Roboterunterstütztes Remote-Laser-Schweißen 184 AVN 5/2009
J. Wollnack – 3D/6D-Visionsysteme und Lasermessverfahren in der Robotik und Fertigungstechnik der Luftfahrtindustrie Abb. 12: Positionierfehler D der Kugelradien (Sensorund Roboterkalibration bzw. Systemkalibration mittels Referenzmarken) Für die Charakterisierung des Positionierverhaltens des unkalibrierten Industrieroboters wurde als Referenzsystem ein Laser-Tracker von Leica herangezogen. Da dessen Unsicherheiten um eine Größenordnung geringer als die Genauigkeit des zu bewertenden Systems ausfallen, können diese in erster Näherung als sicher betrachtet werden (Unsicherheiten Kugelradien um Messpunkt: L 0 ¼ 5 l=m; r ¼ 5 lm; ca. 10 %-tigen Fehleranteil hat die Referenz). Die Posemessung erfolgte mittels dreier am Tool Center Point applizierten Tripelspiegeln. Zur Charakterisierung des absoluten Positionierverhaltens wurden im Raum liegende Diagonalen, die sich in der vorderen Sphäre des Arbeitsraumes des Industrieroboters befinden, gewählt. Für die Berechnung des Fehlerverhaltens müssen die Soll- und gemessenen Ist-werte in einem gemeinsamen Koordinatensystem beschrieben werden. Die hierfür zu bestimmende Koordinatentranformation wurde über ein Minimierungsansatz, der sämtliche Fehler zwischen den Ist- und Sollkoordinaten der Messpunkte minimiert, ermittelt. Der mittlere systematische Positionsfehler der Kugelradien des ab Werk ausgelieferten Industrie- roboters lag je nach Lage der Geraden in der Größenordnung von 3–5 mm. Die Wiederholgenauigkeit des Industrieroboters wurde mit in der vorderen Sphäre des Arbeitsraumes liegenden 55 Posen, die jeweils in Maschinenkoordinaten mit positiver und negativer Anfahrrichtung 10 mal angefahren wurden, über insgesamt 550 Messungen ermittelt. Die Streuung der Kugelradien ergab sich zu r ¼ 77 lm und entspricht von der Größenordnung der Spezifikation des Herstellers. Zur Charakterisierung des Positionierverhaltens des mit einem Multikamerasystem ausgestatten Industrieroboters wurde ein Messvolumen von ca. 1 m 3 herangezogen (siehe auch Abb. 9). Die Systemkalibration erfolgte über 56 im Messvolumen verteilte Aktuatorposen. Eine Kontrolle des Positionerverhaltens wurde zwischen diesen Posen vollzogen. Die Ergebnisse in Abb. 12 zeigen, dass die absoluten Positionerfehler um mehr als eine Größenordnung abnehmen. Der mittlere systematische Positionsfehler der Kugelradien liegt bei ca. 300 lm. Dieses Verhalten gilt analog auch für die Winkelfehler des TCP, die insbesondere bei größeren Greifergeometrien bzw. größeren zu handhabenden Objekten bedeutsam werden. Bei dem eingesetzten LED-Beleuchtungssystem (Light Emitting Diode) besteht ein nicht zu vernachlässigendes Optimierungspotenzial im Hinblick auf eine verbesserte (homogenere) Ausleuchtung insbesondere auch in den Randbereichen der Kamerasichtfelder (LED-Beleuchtungs- auf Objektivöffnungswinkel abstimmen). Es lässt sich absehen, dass man dann mit hoher Wahrscheinlichkeit bis in den Genauigkeitsbereich von ca. 200 lm vorstoßen kann. 8 Zusammenfassung und Ausblick Die Videometrie, Robotik, Fertigungs- und Montagetechnik hat und wird von der Entwicklung der Elektronik und deren Bausteinen auch in Zukunft profitieren. Neben den hochauflösenden videometrischen Messsystemen ließen sich aber auch bei nicht zu hohen Anforderungen an Abb. 13: Positionierfehler D in der Ebene (Roboter-Kalibration mittels Laser-Tracker) AVN 5/2009 185
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