Aufnahme und Nachbearbeitung von Bahnen bei der Programmierung durch Vormachen von Industrierobotern

Abstract

Industrieroboter werden vornehmlich in der Großindustrie eingesetzt, dort stehen sie seit Jahrzehnten für flexible Automatisierung auf höchstem Niveau. Kleine und mittlere Unternehmen aber haben Probleme, Industrieroboter einzusetzen, da sie in anderen Losgrößen arbeiten und andere Infrastrukturmöglichkeiten haben. Sie stecken häufig in einer Automatisierungszwickmühle, sie müssen rationalisieren, können die in Großbetrieben etablierten Methoden aber nicht anwenden.

Um dieses Defizit zu mindern, wurde ein Verfahren zur schnellen und intuitiven Programmierung von Industrierobotern entwickelt. Das Verfahren wurde an der Beispielanwendung MAG-Schweißen verifiziert.

Die Interaktion mit der Schweißroboterzelle wird dabei multimodal vom Prozessexperten, dem Schweißer, vorgenommen. Mittels Programmierung durch Vormachen kann der Schweißer den Roboter entlang der zu schweißenden Nähte verfahren, eine Kraftregelung führt den Roboter dahin, wo der Bediener ihn hindrückt. Ein besonderer Fokus der Arbeit liegt auf der dann folgenden Nachbearbeitung der Bahn.

So wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, die aufgenommenen Bahndaten zu komprimieren und Geometrieprimitive zuzuweisen. Die Kompression nutzt den Douglas-Peucker-Algorithmus, für das Mapping der Daten werden entsprechende Kriterien erstellt. Verschiedene Kombinationen von Algorithmen wurden implementiert und verglichen.

Der zweite Entwicklungsschwerpunkt lag in der Verbesserung der manuell aufgenommenen Bahn auf der Basis lokaler Werkstückgeometrie. Diese Geometriedaten bestehen aus einer Punktewolke, die mit einem Laserscanner aufgenommen werden kann. Zwei Verfahren zur Auswertung wurden entwickelt, ein auf den einzelnen Scanlinien basierendes Verfahren zur Optimierung der Bahn, sowie ein Verfahren zur Flächenrückführung, basierend auf einem Region Growth Ansatz.

Die entwickelten Verfahren und Algorithmen bei einem KMU getestet. Dort wurde einerseits sichergestellt, dass das Robotersystem reale Bauteile fertigen kann, andererseits wurden Programmiertests mit Mitarbeitern der Firma durchgeführt.

Die Testläufe zeigten, dass die Referenzbauteile mit dem entwickelten Programmierverfahren gefertigt werden können und die Ziele der Arbeit, die Vereinfachung der Programmierung und die Verkürzung der Programmierzeit, erreicht wurden.

Since nearly 60 years industrial robots are a building block to increase productivity through automation. Solutions for set up, programming and maintenance are well developed. But these procedures cannot be transferred without problems to small and medium companies (SMEs). Industrial robots are only viable in these use cases, if the programming can be conducted in an intuitive and fast way, preferably by the process expert.

The concept followed is set up accordingly: The guidance of the robot was realized using a force torque sensor. Haptic, graphic and verbal interactions allow the user to combine different modalities. The safety concept follows of the ISO 10218-1. The recorded trajectory is stored and processed in segments. A laser triangulation sensor allows to use local geometry information to optimize the recorded path.

Trajectory Post Processing: Several algorithms to enable the graphical trajectory post processing have been developed and compared. Necessary steps are the data compression, the segmentation and the mapping into line and spline elements.

Trajectory Optimization: A higher precision can be reached when incorporating local work piece data. The scan data from a laser triangulation sensor is filtered and processed using two approaches. The scanline based approach can be used to generate programs for simple seams. The region growth based approach enables the worker to scan the work piece and to adapt the programmed points.

Realization: The developed programming environment has been realized and tested in a welding scenario at the facilities of Fraunhofer IPA and in the shop floor of a SME welding contract manufacturer. The programming environment and the realized robot cell allowed producing common parts out of the production. Experienced welders without robot programming knowledge have been able to program simple parts with an introduction time of only few hours. Robot programmers could decrease the necessary programming time.