Intelligente Sensorsysteme in der Fertigungstechnik

297 Pages·1989·15.878 MB·German

by  J. Rogos (auth.), Dr.-Ing. Jürgen Rogos (eds.)

Fachberichte
Messen · Steuem · Regeln
Herausgegeben von M. Syrbe und M. Thoma
21
Jiirgen Rogos
(Hrsg.)
Intelligente Sensorsysteme
in der Fertigungstechnik
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo HongKong 1989
Wissenschaftlicher Beirat:
G. Eifert, D. Ernst, E. D. Gilles, E. Kollmann, B. Will
Herausgeber:
Dr.-Ing. Jiirgen Rogos
Innovationsgesellschaft fUr Fortgeschrittene Produktionssysteme
der Fahrzeugindustrie mbH (IN PRO)
NUrnberger StraGe 68-69
1000 Berlin 30
ISBN-13 978-3-540-51488-6 e-ISBN-13: 978-3-642-83878-1
001: 10.1007/978-3-642-83878-1
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1989
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2160/3020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort des Herausgebers
Die Herausforderungen des ktinftigen europaischen Binnenmarktes und der verscharfte in
temationale Wettbewerb, ausgelost durch eine Vielzahl heranwachsender Industrienationen,
erfordem am Produktionsstandort Bundesrepublik Deutschland neue Strukturen in der
Fabrik. Neben der Produktivitat werden vor aHem die Flexibilitat der Fertigung und die
Qualitat der Produkte ein Gradmesser fUr den Erfolg der Arbeit. Um dieses Ziel zu errei
chen, mtissen die einzelnen Abteilungen der Fabrik ktinftig noch starker untereinander und
mit den tibrigen Bereichen des Untemehmens verbunden werden. Dazu ist eine immer star
kere Verkettung der Material-, Energie- und Informationsstrome durch Rechnersysteme im
Sinne von CIM (Computer Integrated Manufacturing) erforderlich. Dartiber hinaus ist eine
Anbindung der Produktionssysteme an die physikalische Umwelt notwendig. Dabei werden
Sensoren, beginnend bei einfachen Signalgebem bis hin zu intelligenten Sensorsystemen,
eingesetzt .
Der Praxiseinsatz intelligenter Sensorsysteme unter rauhen Betriebsbedingungen und
ihre Integration in tibergeordnete Automatisierungssysteme konnte trotz zahlreicher am
Markt angebotener Systeme nicht in dem MaBe realisiert werden, wie es nach den optimi
stischen Prognosen der Marktforscher zu erwarten war. Zur Verbesserung dieser Situation
erschienen aufeinander abgestimmte Untersuchungen und Entwicklungen im Verbund von
Forschungsinstituten, HersteHem und Anwendem als dringend geboten. Wegen der allge
meinen Bedeutung der Problematik und der nicht unerheblichen Entwicklungsrisiken im
Vorfeld der Produktentwicklung, griff der Bundesminister fUr Forschung und Technologie
diese Thematik im Rahmen des Forderschwerpunkts "Fertigungstechnik" auf.
Das vorliegende Buch unterrichtet tiber wesentliche Arbeitsergebnisse, die im Rahmen
des BMFT- Verbundvorhabens "Intelligente Sensorsysteme flir die Handhabungstechnik" in
den verschiedenen Teilprojekten erzielt wurden. Damit wird der interessierten FachOffent
lichkeit Gelegenheit gegeben, aus den Erkenntnissen und Ergebnissen des Verbundvorha
bens Nutzen fUr die eigene Anwendung der Sensortechnik zu ziehen. Es ist zu hoffen, daB
dadurch in der Folge ftir die SensorhersteHer eine breitere Marktbasis geschaffen wird.
Partner im Vorhaben waren die Bundesanstalt flir Materialforschung und -prlifung
(BAM), die Deutsche Forschungsanstalt flir Luft- und Raumfahrt (DLR), das Fraunhofer
Institut fur Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), die Steinbeis-Stiftung flir
Wirtschaftsforderung, Transferzentrum Aalen (StW), die Universitat-Gesamthochschule
Siegen, die KUKA SchweiBanlagen + Roboter GmbH, die Siemens AG und als Projektko
ordinator die InnovationsgeseHschaft flir fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahr
zeugindustrie mbH (INPRO).
Mein Dank als Projektkoordinator gilt in erster Linie dem Bundesminister fur Forschung
und Technologie fUr die groBztigige Bereitstellung von Fordermittein sowie dem Projekttra
ger Fertigungstechnik im Kemforschungszentrum Karlsruhe flir die hervorragende tech
nische und organisatorische Betreuung des Verbundvorhabens. Weiterhin sei der
IV
Innovationsgesellschaft flir fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie
mbH, der KUKA SchweiBanlagen + Roboter GmbH und der Siemens AG gedankt, die den
verbleibenden Kostenanteil der Institute abgedeckt haben.
Dariiber hinaus wurden von den Firmen Bayerische Motoren Werke AG, Daimler-Benz
AG, KUKA SchweiBanlagen + Roboter GmbH, Siemens AG und Volkswagen AG zahlrei
che Gerate, Vorrichtungen und Werkstiicke flir das Sensorversuchsfeld kostenlos bereitge
stellt. Auf den dadurch hergestellten engen Praxisbezug sei besonders dankbar
hingewiesen. Ebenso hervorzuheben ist das Engagement verschiedener SensorhersteIler,
die ihre Sensorsysteme kostenlos flir Untersuchungen und prototypische Anwendungen zur
Verfiigung gestellt haben.
Die Basis flir den Arbeitserfolg war der engagierte Arbeitseinsatz aller Mitarbeiter an
diesem Verbundvorhaben und ihre Kooperationsbereitschaft, durch die aIle schwierigen
Phasen in der Projektarbeit gemeistert werden konnten. Zum AbschluB sei dem Springer
Verlag gedankt, der es in unkonventioneller Weise ermoglichte, die wichtigen Arbeitser
gebnisse des Ende 1988 abgeschlossenen Verbundvorhabens in der vorliegenden Form
kurzfristig zu veroffentlichen.
Berlin, im Januar 1989 Jiirgen Rogos
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Ziele und Ergebnisse des Verbundvorhabens Intelligente
Sensorsysteme fUr die Handhabungstechnik . 1
1 Eignung der Sensoren, Strategien, Einsatzbedingungen
1.1 Sensoren fUr den industriellen Einsatz . 6
1.2 Sensoreinsatz beim GuBputzen 47
1.3 Aufgabenorientierte Planung und Integration einer
sensorgestiitzten GuBputzzelle 58
1.4 Untersuchung von Systemen zur mehrdimensionalen Kraft- und
Momentenmessung 74
1.5 Eignung von beriihrungslos messenden Sensoren fiir das
SchweiBen mit Robotem 87
1.6 Die Sekantenmethode - Ein Verfahren zur Erweiterung der
Einsatzmoglichkeiten intelligenter Sensoren bei unidirektionalem
Datentransfer 107
1.7 Robotersteuerungsfunktionen und Schnittstellen zur Ankopplung
vorlaufender Sensoren 117
1.8 Konturfolgen durch vorlaufende Sensoren 125
1.9 Autonomes Konturfolgen beim Bearbeiten mit Industrieroboter 136
1.10 Untersuchung des Verhaltens von Bildwandlem fUr den
industriellen Einsatz 144
1.11 Einsatz bildverarbeitender Verfahren zur Objekterkennung 156
2 Neuartige Sensorsysteme
2.1 Laserradar mit Impulslaufzeitmessung 172
2.2 Taktile Sensorarrays fiir multisensorielle Greifsysteme 195
2.3 Eine neue Generation von Robotersensoren und ihre Integration
in multisensorielle Greifsysteme 203
VI
3 Dynamik sensorgefiihrter Roboter
3.1 Dynamische Eigenschaften von Industrierobotem 220
3.2 Schnelle Sensordatenriickkopplung mit Hilfe linearisierter
Transformationsrechnung 234
3.3 Hybride Kraft/Weg-Regelung von Industrierobotem 241
3.4 Hochdynamische Zusatzachsen zur Sensorftihrung von Robotem 265
4 Standardisierung der Sensorschnittstelle
4.1 Standardisierung der Sensorschnittstelle, Anforderungen
und LOsungen 275
4.2 Bedeutung der deutschen Vomorm DIN V 66 311 "Sensorschnitt-
stelle fUr Roboter und Fertigungssysteme und Zukunftsaspekte" 281
Autorenverzeichnis . 284
Ziele nnd Ergebnisse des Verbnndvorhabens InteIIigente
Sensorsysteme fur die Handhabnngstechnik
J. Rogos, Berlin
Ausgangssituation
In den siebziger Jahren war ein zunehmender Einsatz von Rechnersystemen zur Fuhrung
und Uberwachung von Produktionsprozessen sowie von frei programmierbaren Industriero
botern fur flexible Fertigungsabliiufe zu beobachten. Damit war die Basis gegeben, um die
manuelle Eingabe von ProzeB- und Umweltinformationen durch eine Online-Signalverar
beitung mittels Sensoren zu ersetzen. Fur prozeBtechnische GraBen standen eine Vielzahl
von Sensoren zur Verfligung, z.B. flir Temperaturen, Drucke, Kriifte, Wege, Winkel, Ge
schwindigkeiten und Leistungen. Ausgehend von den Fortschritten der Fernseh-und Rech
nertechnik wurden in diesem Zeitraum zahlreiche Firmen flir bildverarbeitende Sensoren
gegrlindet. Marktanalysen sagten einen Durchbruch der Sensorik flir produktionstechnische
Anwendungen in den achtziger Jahren voraus.
1m Verlauf der achtziger Jahre wurde die optimistische Grundeinstellung vieler Herstel
ler und Anwender mehr und mehr gediimpft. Es zeigte sich, daB Sensoren, die flir verfah
renstechnische Anwendungen entwickelt waren, von der Signalverarbeitungsge
schwindigkeit und den StOreinflussen in den Produktionsbetrieben her nicht flir die ferti
gungstechnischen Anforderungen geeignet waren. Laborentwicklungen waren teilweise
nicht robust genug flir den Produktionsbetrieb. Neue Sensoren kamen auf den Markt, ohne
daB der Stlickzahlbedarf hinreichend genau abgeschiitzt war. Durch die Umlage der Ent
wicklungskosten auf relativ geringe Seriensruckzahlen ergaben sich hohe Verkaufspreise,
die keinen wirtschaftlichen Einsatz in der Produktion ermaglichten. Die Sensorintegration
in die ubergeordneten Automatisierungssysteme scheiterte aufgrund fehlender Schnittstel
lenstandards. Ebenso fehlten zum groBen Teil Verfahrensstrategien ftir sensorgefiihrte In
dustrieroboter. Dabei war die nicht ausreichende Dynamik der Roboter-Sensorsysteme ein
weiteres Hindemis.
Vor diesem Hintergrund flihrten die Diskussionen mit Fachleuten zu dem Ergebnis, daB
ein Fortschritt auf dem Gebiet der produktionstechnischen Sensoren durch das Beschreiten
neuer Wege bei der Entwicklung von Sensoren und der Erprobung von Prototypen in der
Industrie erreicht werden kann. Ein Grundgedanke bestand darin, einen Forschungsverbund
zwischen Forschungsinstituten, Sensorherstellern und industriellen Anwendem herbeizu
flihren. Zu diesem Zweck sollte ein Sensorversuchsfeld errichtet werden, in dem Sensoren
unter praxisnahen Randbedingungen im Rahmen konkreter industrieller Aufgabenstellun
gen und unter Verwendung von Vorrichtungen und Werksrucken der Serienfertigung unter-
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sucht werden konnen. Die Untersuchungsergebnisse soIlten dann gezielt zur Verbesserung
der Produkte verwendet werden, die unter anderem den Einsatz unter rauhen Produktions
bedingungen gestatten.
Eine weitere grundsatzliche Uberlegung ging davon aus, die Sensoren als Komponenten
eines libergeordneten Produktionssystems zu betrachten. Dazu gehOrt die systemgeeignete
Sensorschnittstelle, die Berlicksichtigung der Dynamik aIler Systemkomponenten ein
schlieBlich der daraus resultierenden Signalabtastraten sowie Verfahrensstrategien, die
starker auf den physikalischen Moglichkeiten des technischen Systems aufbauen und nicht
versuchen, manuelle Arbeitsablaufe durch Sensoreinsatz zu kopieren. Nach intensiven Vor
gesprachen mit dem Projekttrager Fertigungstechnik im Kernforschungszentrum Karlsruhe,
der flir das Forderprogramm Fertigungstechnik zusmndig ist, bildete sich dann das Konzept
eines BMFf-gefOrderten Verbundvorhabens heraus.
Ziele des Verbundvorhabens
Das Verbundvorhaben setzte sich folgende Ziele:
Die am Markt vorhandenen Sensoren flir Aufgaben der Fertigungstechnik an Hand von
Praxisaufgaben auf ihre Eignung zu prtifen, den industriellen Anforderungen anzupas
sen und so den Durchbruch fliT den Praxiseinsatz zu schaffen,
neue Konzepte flir Verfahrensstrategien unter Einbindung intelligenter Sensorsysteme
und Kombination unterschiedlicher Sensoren zu erarbeiten,
zukunftstrachtige LOsungsprinzipien zu konkreten technischen LOsungen weiterzuent
wickeln.
Zu diesem Zweck wurden 5 Teilprojekte (TP) defmiert:
TP 1: Sensorversuchsfeld
Erprobung und beschleunigte Weiterentwicklung von technischen
LOsungen ftir die Mustererkennung, Handhabung und Konturverfolgung,
TP 2: Entwicklung neuartiger Sensorsysteme
Entwicklung von neuartigen Prototypen auf dem Gebiet der
LasermeBtechnik und der taktilen Sensoren,
TP 3: Dynamik sensorgeflihrter Roboter
Untersuchung und Verbessserung des dynamischen Verhaltens
von sensorgeflihrten Industrierobotern unter Einbeziehung aIler
Robotersystemkomponent,
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TP 4: Standardisierung der Sensorschnittstelle
Ausarbeitung eines Vorschlags zur Bearbeitung in den zustandigen
Gremien des NAM,
TP 5: Koordination des Verbundvorhabens
Sicherstellung der notwendigen Infonnationsfllisse, Definition
praxisnaher Aufgaben, Beschaffung von Werkstlicken und Sensoren.
Ergebnisse des Verbundvorhabens
Wichtige Ergebnisse der vier fachlichen Teilprojekte werden in Fonn von Einzelbeitragen
der beteiligten Institute und Industrieunternehrnen in den folgenden vier Kapiteln im einzel
nen erlautert. Deshalb solI hier nur eine kurze Zusammenfassung der Arbeitsergebnisse
gegeben werden.
Die Arbeit in den Teilprojekten flihrte zu konkreten Praxisumsetzungen in den Berei
chen der Mustererkennung und des sensorgeflihrten NahtschweiBens flir Aufgaben der Au
tomobilindustrie. Zum Beispiel wurden in Zusammenarbeit mit Sensorherstellern und
-anwendern im Sensorversuchsfeld Vision-Systeme untersucht und spezielle Verfahrens
strategien flir die Karosseriemontage, Radmontage (Kap. 1.1) und die Felgensortierung
(Kap. 1.11) entwiekelt. Die in der Serienproduktion eingesetzten Systeme arbeiten zur Zu
friedenheit der Anwender. Weitere Produktionseinsatze von Lasersensorsystemen beziehen
sieh in Kapitel 1.1 und 1.5 auf das NahtschweiBen von Fahrgestellteilen mit dreidimensio
nalen, toleranzbehafteten Uberlappst6Ben von Dlinnblechen (Kap. 1.1 und 1.5).
An mehrere Sensorhersteller wurden Hinweise zur Produktverbesserung gegeben, siehe
Kapitel1.4,1.5,1.6, 1.10, 1.11. In verschiedenen FaIlen konnten die durchgeflihrten Verbes
serungen im Sensorversuchsfeld auf ihre Tauglichkeit untersucht werden.
Eigene Produktentwieklungen der Verbundpartner wurden bis zur Prototypreife reali
siert. Dazu gehOren unter anderem die in Kapitel 2.2 beschriebenen taktilen Matten flir den
Einsatz in Robotergreifern sowie die in Kapitel2.3 behandelten Kraft-Momenten-Sensoren
nach dem Bausteinprinzip. Die Vennarktung erfolgt dabei auch durch mittelstandige Unter
nehmen.
Flir den Einsatz von Robotern wurde ein Konzept zum autonomen Konturfolgen entwik
kelt, siehe Kapitel 1.9. Ein neuartiges hybrides Regelungskonzept, das in eine Experimen
talsteuerung implementiert wurde, wird in Kapitel 3.3 beschrieben. Dieses Konzept der
entkoppelten Kraft/Weg-Regelung der Roboterbewegung stellt eine mit handelsUblichen
Robotern im internationalen Vergleich bisher nieht erreiehte Leistungsfiihigkeit dar. In den
Kapiteln 1.7 und 1.8 wird ausflihrlich auf die Messung mit vorlaufenden Sensoren einge
gangen.
Kapitel 2.1 stellt Fortschritte auf dem Gebiet der LasenneBtechnik mit direkter Laufzeit-
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messung im Picosekundenbereich (10-12s) dar, durch die eine international fUhrende Stel
lung bezuglich der MeBwertauflasung und Stabilitat erreicht wurde.
Die fUr die Sensorfuhrung von Robotern wichtige Systemdynamik ist Gegenstand der
Kapitel 3.1 und 3.2. Dariiber hinaus wurden die Ausweichstrategien in Bezug auf zu
geringe Systemdynamik in Kapitel 3.4 vorgestellt
Das im Verbundvorhaben ausgearbeitete Konzept zur Standardisierung der Sensor
schnittstelle wurde dem NormenausschuB Maschinenbau (NAM) vorgelegt und nach Bear
beitung im AusschuB im Januar 1988 als Deutsche Vomorm DIN V 66311 veraffentlicht
Die Kapitel 4.1 und 4.2 bringen eine kurzgefaBte Ubersicht zu dieser Thematik.
Aus den Ergebnissen der Teilprojekte kann geschlossen werden, daB viele Automatisie
rungsaufgaben heute mit vorhandenen Sensorkomponenten gelOst werden kannen. Beim
Entwurf einer sensorintegrierten Lasung sind jedoch die spezifischen Randbedingungen der
Aufgabe zu berucksichtigen.
Die Wirtschaftlichkeit der technisch realisierbaren LOsungen wird lediglich in bestimm
ten Hillen erreicht. Beispiel dafur ist das in den Kapiteln 1.2 und 1.3 beschriebene automati
sche GuBputzen mit Sensorfuhrung.
Fur die Zukunft muB deshalb versucht werden, aufbauend auf den bisherigen inkremen
tellen Schritten bei den Teilsystemen, zu einem verbesserten Gesamtsystem zu kommen. Es
kann durch einen gesamtsystemorientierten Ansatz auf der Basis von aufeinander abge
stimmten strukturierten Systemmodulen und durch definierte Schnitttstellen erreicht
werden. Diese Zielsetzung kannte Gegenstand weiterfuhrender BMFT-gefarderter Vorha
ben sein.
An den Teilprojekten haben in unterschiedlicher Kombination folgende Verbundpartner
mitgearbeitet:
Bundesanstalt fUr Materialforschung und -priifung (BAM), Berlin,
Fachgruppe 6.4 Fugetechnik
Deutsche Forschungsanstalt fUr Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Oberpfaffenhofen
Fraunhofer-Institut ffir Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Berlin
Innovationsgesellschaft fUr fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindu
strie mbH (INPRO), Berlin
KUKA SchweiBanlagen und Roboter GmbH, Augsburg
Siemens AG, E STE 3 Erlangen IE STE 2 Karlsruhe