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 weitere Verbreitung der Robotertechnologien als eine Gefahr gesehen werden. Für die Roboterhersteller wichtiges System-Know-how muss damit nicht preisgegeben werden. Im diesem Sinne kann die Initiative von Bill Gates auf dem Gebiet der Robotik einen signifikanten Entwicklungsschub induzieren [9], den etablierte Roboterhersteller rechtzeitig mit in ihre Überlegungen und Entwicklungen einbeziehen sollten. Bedenkt man, dass vermutlich in ca. 5 bis 10 Jahren auf einem Chip preiswert Rechnerleistungen zur Verfügung stehen [5], die heutigen Großrechnern vorbehalten sind, so wird die Systemkalibration selbst hochkomplexer Systeme, iterative Inversenberechnung der kinematischen Transformation des mit Achswinkelfehlern behafteten kinematischen Modells im Zusammenhang mit der Echtzeitbahninterpolation bis hin zur Berechnung der kinematischen Inversen an praxisrelevanten Singularitäten der Maschinenkoordinaten, um nur einiges zu nennen, unter den jeweils spezifischen Echtzeitanforderungen umgesetzt werden können. 6 Technisch und wirtschaftliche Potenziale Nach Ausführung der o.g. Prozessschritte können sämtliche Modellparameter und Koordinatentransformationen des stationären Systemmodells als hinreichend genau bekannt betrachtet werden, womit das Robotersystem sensoriell in 6D bzw. der Pose exakt zu führen ist. Mit einem derart kalibrierten System lassen sich sowohl globale als auch lokale Objektposen messen und in Bezug auf ein Objekt definierte Bewegungsaufgaben mit der für die Praxis erforderlichen Genauigkeit in das Roboter- Steuerungs-KOS überführen. Somit können entweder aufwendige Teach-Vorgänge entfallen, was zu einer hohen Produktflexibilität führt oder bereits „ge-teachte“ Prozesse auf einfache Weise auf andere Roboter oder roboterunterstützte Fertigungssysteme übertragen werden. Zudem können individuelle Fertigungstoleranzen der Objekte erfasst und im Sinne eines Pose-Regelkreises ausgeglichen werden, womit ein adaptives Positionierverhalten erschlossen wird. Letztlich können auch temperatur-, schwerkraft- bzw. kraft- und momentenbedingte Verfor- Abb. 5: Integrationsszenario mungen sowohl der Objekte als auch der Roboterkinematik erfasst und ausgeglichen werden. Dies gilt bis hin zu Veränderungen der Geometrierelationen zwischen den Anlagenteilen, wodurch eine preiswerte Fundamentierung und Leichtbauweise im Bereich des Möglichen liegt [34, 35, 36, 38, 39, 40]. Die flexible, automatisierte Montage von Großbauteilen in der Luftfahrindustrie erfordert sowohl eine Bauteilform- und Lagekorrektur als auch individuelle Erfassung der Bauteilgeometrien [35, 38]. Dies wird bei einem zunehmenden Einsatz von CFK-Bauteilen mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Zur Informationsbeschaffung werden verschiedene lokale und globale Sensoren eingesetzt (siehe Abb. 6). Mit Hilfe dieser Sensoren wird eine Form- und Lagekorrektur verwirklicht, wobei für die Formkorrektur überwiegend das globale Messsystem (Laser-Tracker) herangezogen wird. Lokale Sensoren (videometrische Messsysteme) werden in der letzten Phase der Posebahnführung eingesetzt, Abb. 6: Flexible Flugzeugmontagezelle (Bauteilform- und Lagekorrektur) 182 AVN 5/2009
J. Wollnack – 3D/6D-Visionsysteme und Lasermessverfahren in der Robotik und Fertigungstechnik der Luftfahrtindustrie Abb. 7: Großbauteilhandling mit kooperierenden seriellen Robotern (Fotos: Roman Jupitz) um einen Best-Fit-Ausgleich zwischen benachbarten Bauteilen bzw. deren Schnittstellen herstellen zu können. Um lokale Messmerkmale in ein gemeinsames Koordinatensystem überführen zu können, müssen die Posebeziehungen der lokalen Sensoren zum Referenz-KOS bekannt sein. Diese Beziehungen können gezielt eingemessen oder durch bekannte Bewegungen der Messmerkmale ermittelt werden. Die Messmerkmale repräsentieren hierbei geometrisch dreidimensionale Objekte, an dieser Stelle überwiegend 3D-Raumpunkte bzw. deren Ortsvektoren. Obwohl kalibrierte Aktuatoren oder Roboter für iterativ lernende Ansätze keineswegs zwingend sind, führen diese zu einer Beschleunigung iterativer Verfahren. Diese können durch Messung realer Bewegungen, wie oben gezeigt, kalibriert werden. Es können dabei serielle, parallele oder serielle kartesische Kinematiken auch in hybrider Form zum Einsatz kommen. Je nach Genauigkeitsanforderungen und Umweltbedingungen müssen Eigenschaften verwendeter Systemmodelle als stark oder schwach zeitvariant betrachtet werden. Man denke hier z.B. an Temperaturschwankungen, lastbedingte Verformungen der Anlagenteile oder auch tidenhubabhängige Bewegungen von Hallenfundamenten. Deshalb kann entweder eine Einmessung der Systemmodelle nach dem Aufbau einer Anlage vor dem Eintakten eines zu montierenden Bauteils oder online während des Montageprozesses notwendig sein. In diesem Zusammenhang ist insbesondere eine gezielte Kalibration ausschließlich sich verändernder Parameter von wirtschaftlichem Interesse. Mit diesen Ansätzen wurde eine flexible Großbauteilmontagezelle zusammen mit KUKA im Rahmen eines 2004 veranstalteten Symposiums demonstriert (siehe Abb. 7), ein Versuchstand zur Bauteilform- und Lagekorrektur (siehe Abb. 8), eine Roboterkalibration und eine sensoriell geführte Roboterzelle umgesetzt (siehe Abb. 9). Insgesamt liegen dezidierte Erfahrungen vor, die eine Umsetzung in wirtschaftlich attraktive Produkte und Systemlösungen zulassen. Die oben erörterten Ansätze können sowohl für Sensoren am TCP als auch für im Raum stehende Sensorsysteme herangezogen werden. Lediglich die Messpose des Sensorsystems ist dann als inverse Transformation heranzuziehen. Letzteres ist mehr für die Luftfahrtindustrie von Interesse. Insgesamt können die systematischen Posefehler typischerweise um eine Größenordnung reduziert werden. Im Zusammenhang mit dem Pose-Regelkreis werden die systematischen Posefehler in die Größenordnung der Wiederholgenauigkeit streben [33, 40]. Das Konvergenzverhalten hinsichtlich der systematischen und zufälligen Fehler kommt den Anforderungen der Praxis entgegen [39]. Dies gilt in analoger Weise für die systematischen bzw. absoluten Posefehler des kalibrierten Robotermodells bzw. Gesamtsystems. Damit können bei nicht zu extremen Genauigkeitsanforderungen die Einsatzbereiche von Industrierobotern sowohl zu Lasten der Sonder- als auch Werkzeugmaschinen erweitert werden. Ebenso kann der Montageautomatisierung im Kontext mit einer montagegerechten Konstruktion sowie dem zumeist bewusst eingeplanten Greiferspiel bzw. den Greiferelastizitäten eine gewisse Konkurrenz durch sensoriell ergänzte Robotersysteme erwachsen. Diese Systemkalibration löst ebenso die Problematik, die bei „Walking Machines“ auftritt, da auch bei ihnen der Zusammenhang zwischen Bewegung, Sensor und Werkzeug hergestellt werden muss. Eine Erweiterung des videometrischen 3D-Positionsmesssystems um Laser-Pointer-, Laser-Linien- (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) und Muster-Projektoren lässt sich leicht bewerkstelligen, wenn man die Projektionseinheit nicht als inverse Kamera heranzieht (siehe Abb. 10). Man kann so auf einfache und preiswerte Weise robuste topographische Geometriemessungen an Objekten vollziehen. Optische Verzerrungen der Projektionseinheit sind dabei ohne Belang und eine Kalibration des Projektormodells ist so nicht erforderlich. Die Korrespondenz- Abb. 8: Versuchsstand Bauteilform- und Lagekorrektur (Fotos: Roman Jupitz) AVN 5/2009 183
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