Positions- und Pose-Sensoren für Maschinen

Transkript

1 PS.1 Positions- und Pose-Sensoren für Maschinen Kuka Schaublin

2 PS.2 Physikalische Messmethoden

3 PS.3 Schweigert Meßsysteme Abstandssensoren, z.b. induktiv Reflexlichttaster Fotosensoren PSD-Vier- quadranten- Sensor Licht Videometrie, z.b. Grauwert Binärbild CCD Laser PSD Lasermeßsysteme (Triangulation) Lasermeßsysteme (Schattenbildung) PSD B A Bewertungskriterium Gestalt der Meßobjekte Meßunsicherheit ebene Flächen bis 0,2% vom Meßbereich Bohrungen ( Basisteile ) 0,001 mm beliebig 0 0,1 / 00 bis 0,1% (Meßbereich) Vol lkörper ( Fügeteile ) 0,001 mm bis 0,05 mm Meßabstand 1 bis 2 mm beliebig beliebig beliebig (Objektivwahl) Vollkörper ( Fügeteile ) 0,002 mm bis 0,05 mm Meßbereich bis 1x1 mm 2 bis 24x24 mm 2 beliebig beliebig bis 0,5 x 0,5 m 2 Installationsart beliebig bewegt beliebig beliebig stationär Anzahl Basisteilbohrungen Anzahl nötiger Meßsysteme 2 Mögliche Störeinflüsse Verunreinigungen, Magnetfelder C Streulicht veränderliches Licht, Streulicht Abschattung, Oberflächen Laserstrahl beliebig (typ. 500 mm) Verunreinigungen Bauvolumen klein sehr klein groß sehr groß groß Technischer Aufwand gering mittel groß sehr groß sehr groß D Physikalische Messmethoden

4 PS.4 TS : Trippelspiegel ST : Strahlteiler L : Lichtquelle Ob : Objektiv BL : Blende t : Zeitdifferenz E : Empfänger Meßbereich Zufällige Fehler (Auflösung) Störgrößen Bemerkungen Interferenz Echo/Laufzeit Echo/Phase Fokus Triangulation Systematische Fehler 0,1 µm 0,1 0,5 % 0,8 mm/km 0,1 % Meßparameter Prinzipskizze L ST TS E < 30 m TS λ/2... λ/4 cm m vorw. Vermessungswesen eingesetzt Hell-Dunkel- Streifen Laserfreq., Atmosphäre spiegelnde Oberfl. erf. rel. Messung E L t TS 1 bis km Laufzeit Atmosphäre, Strahlöffn. Rauschen kurze Pulsdauer => hohe Pulsenergie L E ST TS 1 m bis 3 km 0,1 mm 1 µm Atmosphäre L ST E Ob BL + - 0,2 mm 0,1 1 µm Phasenverschiebung Lichtintensität Schwingungen mech. Fehler Oberfl. Stör. E Ob L 0,1 % Meßbereich Ort des Lichtes Abschattung Oberfl. Stör. Laser Messverfahren

5 PS.5 Positioniergenauigkeit Bahngenauigkeit Erfassungsbereich ein Raumpunkt mehrere Raumpunkte beliebige Bahnkurven spezielle Bahnkurven Realisierung 3-D-Taster Würfel Kugel Koordinatenmeßgeräte Theodoliten Seilzugsystem Lasertriangulation Optische Triangulation Nachgeführte Interferometrie Stahllineal Laser als Referenzgerade Meßvolumen Würfel mit ca. 10 mm Würfel mit 0,5. bis einige Meter Kantenlänge bis einige Meter Kantenlänge stabförmig 10x10x2000 mm Externe Sensorsysteme zur Maschinenkalibration

6 PS.6 3-D-Taster Kreis/Kugel Würfel Meßvorrichtung Referenzkörper Externe Sensorsysteme und Kalibrierkörper

7 PS.7 Videometrische Verfahren CCD-Sensorsystem TCP - Flansch Theodoliten- Meßverfahren Tradt 91, Beyer 95, Geuens 97 Judd 87, Berg 90, Meyer 91, Tradt 91 Interferometrische Laser-Tracking-Verfahren Watson 85, Lau 85, Mayer 86, Prenninger 92 Meßkopf-Verfahren Pose- und Positionssensoren LED- Panel Kalibrierkörper induktiv, tastend: Warnecke 86, Schiele 87, Gossel 96 ultraschall: Stone 86, Berg 90 videometrisch: Dainis 85, Zhuang 96, Roos 96, Wollnack 96 Externe 3D-Positionssensoren

8 PS.8 Pose Sensor

9 PS.9 TCPKS K MGKS Taster 1 Taster 3 MPKS Taster 2 Taster 6 M Taster 5 Taster 4 Justierstift Pose-Sensor mit sechs 1D-Distanzsensoren I

10 PS.10 Induktiver Position- sensor Gossel Pose-Sensor mit sechs 1D-Distanzsensoren II

11 PS.11 Krypton Optischer Pose-Sensor mit sechs 1D-Distanzsensoren

12 PS.12 α z S 2 S 3 D s D s S 1 s 01,02,03 D s s 05,06 S 6 D s α x s 04 S 4 S 5 α y Pose-Sensor mit sechs 1D-Distanzsensoren I

13 PS.13 ys = TS K0 s, y t S = ( xs, ys, zs, αx, αy, αz), s = t ( s1, s2, s3, s4, s5, s6,1), T /2 1/2 1/3 1/3 1/ = D sin 60 D sin 60 D sin / DS 0 1/ DS / DS 1/ DS S S 2 S 2 S, t [ ], ( s, s, s, s, s, s ) K = E S S = Pose-Sensor mit sechs 1D-Distanzsensoren II

14 PS.14 y S s T S S 0 D S := Posevektor := Vektor der von den Sensoren gemessenen Abstände := Sensor-Transformationsmatrix := Abstandsvektor zwischen den Sensornullpunkten und Koordinatennullpunkten des Sensorkoordinatensystems := Abstand zwischen den Sensoren Posesensor mit sechs 1D-Abstandssensoren III

15 PS.15 Optische Sensoren

16 PS.16 Photonen die in einen Halbleiterkristall eindringen, können Elektronen-Lochpaare erzeugen. Die Energie des Photons wird dabei an das Elektron abgegeben. Das Elektron gelangt durch diesen Prozeß vom Valenz- ins Leitungsband. Photosensoren I

17 PS.17 E h f E L h f E g E D + E S E A h f E V + reiner Halbleiter Donatoren + Akzeptoren E S Photosensoren II

18 PS.18 Die durch Photonen freigesetzten Elektronen-Lochpaare können zum Stromfluß (CMOS-Sensor) beitragen oder eine freigesetzte Ladungsmenge definieren (CCD-Sensor). Auf der Messung des Stromflusses oder der Ladung basieren Photosensoren. Photosensoren III

19 PS.19 Vierquadranten- Photodiode i 1 i 2 i1+ i4-( i2+ i3) D x Σi x/ r L S 1 S 2 y r... y/ r x S 3 S 4 L i 3 i 4 i1+ i2-( i3+ i4) D y Σi Vierquadranten-Photodiode

20 PS.20 PSD i x1 i x2 -ix 1 i x2 D x 2 x/ L L y x i y D y Σi x 2 yl / L i y2 i -i y2 y1 Σi y PSD-Sensor

21 PS.21 K-Jist Anwendungsbeispiele PSD-Sensor

22 PS.22 hf Gate SiO 2 Ausgabeelektronik - u Bulk Ladungsmessung CCD-Sensor I

23 PS.23 Horizontales Schieberegister y Vertikales Schieberegister Videoausgang Photosensitive CCD- Zelle x CCD-Sensor II

24 PS.24 Nach der Quantentheorie ist der Strahlungs- oder Photonenfluß das Produkt der pro Zeiteinheit durch den Wirkungsquerschnitt übertragenden Photonenzahl N mit der Photonenenergie W : Φ = N h f = N h c / λ q e 0 Photonenflußdichte Φ = dφ dω e e Φ e := Photonenenergie Φ e := Photonenenergie N := Photonenzahl Ω := Raumwinkel Photonenenergie und Photonenflußdichte

25 PS.25 = Φ Φ 0 =Φ (1 R( λ)) 2 T / 0 (1 i τ dq eτ n n ηq e ) da, a Φ η q = e β z τ n T i S 1 := Photonenflußdichte := Quantenwirkungsgrad := Elektronenlebensdauer := Integrationsdauer Bei konstanter Wellenlänge liegt Proportionalität zwischen der Photonenflußdichte und der flächenbezogenen Ladung vor. Kontinuitätsgleichung im stromlosen Zustand

26 PS.26 Die Wellenlängenabhängigkeit der Generationsrate wird durch die relative spektrale Empfindlichkeitskurve S rel des CCD-Sensors in Abbildung zum Ausdruck gebracht. 1 S rel 0, λ/nm Spektrale Empfindlichkeit

27 PS.27 * G = α ( λ) Φ (1 R( λ)) e α λ * ( ) z a R(λ) := wellenlängenabhängiger Reflexionsfaktor des Materials z := Tiefe, gemessen von der Oberfläche des CCD-Sensors α* := wellenlängen- und materialabhängiger Absorptionskoeffizient Generationsrate der Ladungsträger

28 PS.28 Die Energie des Photons muß größer als der Energieabstand zwischen dem Valenz- und Leitungsband sein, wenn das Photon zur Ladungsmenge oder zum Stromfluß beitragen soll. λ Min = c 0 E h B E B c 0 h := Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband := Lichtgeschwindigkeit im Vakuum := Planksches Wirkungsquantum Grenzwellenlänge der Ladungsträgergeneration

29 PS.29 optische Vergütung blau rot IR Kontakt SiO p+ n Raumladungszone Metallkontakt n+ Innerer photoelektrischer Effekt am PN-Übergang I

30 PS.30 Legt man an den PN-Übergang einer Photodiode eine in Sperrichtung wirkende Spannung, dann bildet sich im relativ niedrig dotierten N-Gebiet eine breite, im hochdotierten P-Gebiet hingegen eine vernachlässigbar schmale ladungsträger verarmte Raumladungszone aus. Beide Raumladungszonen zusammen bezeichnet man als Sperrschicht. Ohne Bestrahlung der Diode fließt nur der sehr kleine Dunkelstrom durch die Sperrschicht. Setzt man die Diode jedoch einer Strahlung aus, dann werden die in den Kristall eindringenden Photonen (Strahlungsquanten) absorbiert und Ladungsträgerpaare (Elektronen-Löcher-Paare) erzeugt. Innerer photoelektrischer Effekt am PN-Übergang II

31 PS.31 Dieser Vorgang läuft fast vollständig in der Sperrschicht ab, wenn die einfallende Strahlung im Spektralbereich der Diode liegt Unter dem Einfluß des in der Sperrschicht herrschenden elektrischen Feldes tritt eine sofortige Trennung der Ladungsträgerpaare ein. Die Elektronen werden zur N-, die Löcher zur P-Seite bewegt. Es fließt ein zusätzlicher Strom, der Photostrom. Innerer photoelektrischer Effekt am PN-Übergang III

32 PS.32 Photodioden, A/D-Wandler, Prozessor-Units usw. auf einem Chip Graupner CMOS-Sensoren

33 PS.33 Videometrische Messsysteme

34 PS.34 Objektiv Analoges BAS-Signal Rechner und Software Systembus A/D- Wandler Sensor Bildspeicher Bildverarbeitungskarte Videometrisches Messsystem

35 PS.35 Geometrisches und videometrisches Kameramodell lassen sich streng genommen nicht voneinander trennen. Geometrie- und Signalverarbeitungsmodell

36 Keppler Altschuler Zumbrunn Boyer Breukmann Wahl Malz Videometrie / Triangulation Kamera-Modellbildung PS astronomische Messungen 1979 Topograpiemessungen mit Laser-Punkt-Matrix 1987 periodische analoge und digitale Helligkeitsmuster 1987 Farbcodierung 1990 strukturierte Lichtquellen (Binärcodierung) 1992 strukturierte Lichtquelle mit LCD-Matrix 1992 informationstheoretische Betrachtungen der 3D-Messtechnik Tsai 1986 geometrisches Kamera- Kalibration nur Maßstabsfaktor modell und Hauptachse Lenz 1988 geometrisches und (vollständig) lineare Abhängigvideometrisches Modell keiten Gräßner, Gossel 1996 Konstruktion mini- nicht identifizier- keine Lösungsmaler Modelle bare Parameter und Maschinengenauigkeit Wollnack 1998 numerische Kon- identifizierbare struktion minimaler Parameter, mit Lösungs- Modelle geordnet nach und Maschinen- Signifikanz genauigkeit Entwicklung videometrischer Messsysteme

37 PS.37 3D-Videometrie

38 Korrespondenzproblem p" p' S 1 z diffuse Beleuchtung passiv Basis b x β P 2 S Objekt Projektor = inverse Kamera Sehstrahlen Projektionsstrahl Objekt retroreflektierende oder aktiv leuchtende Marken Kamera Sehstrahl aktiv Projektor t = t 0 t t P t = 1 : = t 5 t t PS.38 Projektionsebene Triangulation

39 PS.39 Mehrere Kamerasysteme mit zueinander bekannten Posen Mehrere Kamera- und Projektorsysteme mit zueinan- der bekannten Posen Bewegung der Kamera mit zur ersten Aufnahme bekannter Pose Bewegung des Objekt mit zur ersten Aufnahme bekannter Pose 3D-Videometrie

40 PS.40 Bewegung des Lichtstrahls oder der Lichtebene durch bewegte Spiegelsysteme (Servoregelkreise mit Lagemessung) Bewegung des Objekts bei Punktprojektoren in zwei Freiheitsgraden und bei Lichtebenenprojektoren in einem Freiheitsgrad (x/y-meßtisch bzw. Förderband mit Lagemessung) Musterprojektoren mit Muster-,, Grauwert-,, Farbwert- Codierung der Lichtebenen-Nummer (Fein-Interpolation bei Helligkeitssprüngen durch optische Tiefpaßfilterung möglich) Formerfassung durch 3D-Triangulation

41 PS.41 Objekt Basis x S y S v u z S P S B θ x y z B u f u v f F H G G I K J J = + F H G G I K J J S tan tan, θ θ u v d m d n x y F HG I K J = F HG I KJ, Projektionsebene Sehstrahlen z ax by z S S S S = + + x y z c au bv f u v f F H G G I K J J = + + F H G G I K J J S, g b b f >> d d d d d d S CCD x y z z f u v z f z B u F H G G I K J J = F H G I K J F H G G G I K J J J , d d u v f z M q P M q P x x x y y y F HG I K J = F H G G G I K J J J 0, Basisgleichungen der Triangulation Grobe Näherung

42 PS.42 Beispiele und Anwendungen videometrischer Messsysteme

43 PS.43 1D-Triangulation

44 PS.44 Keyence Anwendungsbeispiele 1D-Triangulation I

45 PS.45 Keyence Anwendungsbeispiele 1D-Triangulation II

46 PS.46 aktive optischen Marken OPTOTRACK 3D-Triangulation mit drei Kamerasystemen

47 PS.47 Leica Beispiele für passive retroreflektierende Messmarken

48 PS.48 Leica V-STARS-Photogrammetrie-Software

49 PS.49 Vitronic Tricam Triangulation von Freiformflächen

50 PS.50 Beim Lichtschnittverfahren werden Lichtlinien unter einem Winkel auf das Werkstück projiziert. Aus dem mit einer CCD Kamera aufgenommenen Videobild kann die Lage der Naht durch die Auswertung des Linienversatzes ermittelt werden, die an der Nahtposition auftritt. Dachkanal Lichtbild Bildverarbeitung Sensorik Steuerung CPU Interface zur Steuerung Soll-Position Ethernet Ist-Position Taktzeit: 10-20ms ROBOTER Roboter Steuerung (x,y,z,r,p,y) Encoder Fein- Interpolation SENSOR Quelle: Dr. Barthel Sensorsysteme TCP x (0,0,0) y z Basissystem Prof. Emmelmann Triangulation beim Laserschweißen

51 PS.51 Percepton Triangulation in der Automobilmontage

52 PS.52 Beispiele optisch aktiver Messmerkmale

53 PS.53 konvexe Linse Lochblende Leuchtstofflampen LED d L d S d B d B x g Lochblende a) Streuglas b) Streuglas Optisch aktive Messmerkmale Hochfrequenzbetrieb (ansonsten Helligkeitsmodulationen)

54 PS.54 z M y M n A LED T M I P 1 P 3 P 2 P 2 Posemeßmerkmal x M T I O Objekt- mechanisches koordinaten- system Interface (zum Bauteil) Optisch aktives Posemessmerkmal

55 PS.55 kostengünstige Verfügbarkeit von CCD/CMOS-Bildsensoren sowie leistungsfähige Rechnersysteme und Algorithmen Anwendungsfelder der Videometrie nicht voll ausgeschöpft präzises, zweidimensionales Sensorgitter sowie Subpixelbildverarbeitung und Kamerakalibration relativ preiswert hohe Messgenauigkeit erreichbar piezoaktuatorische Translation des Sensors kleinen abtastenden Aperturen um Bruchteile des Rasterabstandes höchstauflösende videometrische Messsysteme Potential der Videometrie I

56 PS.56 Kalibration von Low-Cost-CCD/CMOS-Kamera-Systemen (z.b. Internet-Kamera) essentielle Genauigkeitssteigerung videometrische Meßsysteme mit mittlerer Genauigkeit Videometrie hat und wird weiterhin von der Entwicklung der Mikroelektronik profitieren Potential der Videometrie II

57 PS.57 Topographievermessung Sensor-, Maschinen- und Roboter- Kalibration Laser Messtechnik, Videometrie und Systemintegration

58 PS.58 Messsysteme erweitern unsere Sinnesorgane und objektivieren die Wahrnehmung Messdaten dokumentieren und objektivieren Sachverhalte Messdaten dienen zur Qualitätssicherung und Produktions- steuerung und -regelung Messkosten machen in der CFK-Fertigung Fertigung der Luftfahrt- industrie bis zu 40% der Produktionskosten aus Problemstellung

59 PS.59 Erst weitgehend automatisierte Mess- und Fertigungs- prozesse können die teilweise drastischen Mess- und Fertigungskosten signifikant reduzieren Dies erfordert sowohl eine mechanische und datentechnische Integration als auch eine Automatisierung der Messprozesse Lösungsansatz

60 PS.60 lokal global Automatisierung und lokal Systemintegration! VideometrieSystemintegration Laser Tracker! Laser Radar Globale und lokale Messsysteme

61 PS.61 EEW FhG Prozesskette

62 3D-Videometrie PS.62 Auf 10m Toleranzen von 0,5 bis 2 mm gefordert! Walking-Rivet-Robot S TCP S M 3D-Messmarke S R S G Tool-Grabber-Sensor Laser- Tracker Montagebauteil Temperaturdehnung von 15 bis 30 µm/ C/m! Roboter steifer Bauteilbeschlag Master- Roboter Elastische elastischer Verformungen Bauteilbeschlag im Schwerkraftfeld von Slavemehreren Roboter mm! kooperierende Multi-Robotersysteme Großbauteilmontage

63 / 100 µm Kalibriertes Modell PS.63 RMS EEW x / m y / m SHW / 1 mm Nicht kalibriertes Modell Kuka Ahlers x / m y / m Maschinenkalibration

64 PS.64 Nicht kalibriertes 3D Kamerasystem Mess- tu TCP-KOS unbekannt EEW Greifer- zu TCP-KOS unbekannt Objekt zu Robot/Maschinen-KOS unbekannt Pose von lokalen Objektmerkmalen unbekannt (Fertigungstoleranzen) Nicht kalibrierte Roboter/Maschinensteuerungen KOS :=Koordinatensystem Problemdefinition in Montage und Produktion

65 PS.65? EEW 3D camera system Escher Gripper changing system Object Robot Bootstrapping Problem Münchhausen

66 PS.66 EEW Bewegung Messung Iterative Modellkalibration Adaptives Systemverhalten Hand-Augen-Kalibration

67 PS.67 Flexible Großbauteil- fertigung und -montage

68 PS.68 Von der Vorrichtung zur flexiblen Montagezelle

69 PS.69 Translations well rotating motion problematic Cost-pregnant precise construction unit fittings High-rigid special purpose machines and Foundations Flexible Wide Body Assembly with Special Machines

70 Inexpensive gripper, Preiswerte Greifer, Standard- robots and Industrieroboter und preiswerte hall Hallenfundamente foundations PS.70 Fotos: Roman Jupitz Symposium 2004 Absolute positioning Absolute Positionierfehler der Großbauteile errors 0,1 0,2 mm 0,1 bis 0,2 mm (after typically 2-4 iterations) (nach typisch 2-4 Iterationen) Wide Body handling with Cooperating Robots

71 PS.71 Fotos: Roman Jupitz Preiswerte Inexpensive Greifer, Standard-Industrie Industrie- gripper, roboter und preis- robots werte Hallen- and fundamente hall foundations Absolute Absolute Positionier- fehler der Groß- bauteile 0,05 0,05 bis 0,1 0,1 mm mm (after typically 2-4 iterations) positioning errors (nach typisch 2-4 Iterationen) Experimental Field for Wide Body Shape and Pose Automatic Control Loop

72 PS.72 Sensor- und Roboter- Kalibration

73 PS.73 S r0 S r1 S C f CI0 f CI1 T TCP0 C η S K r i T C0 C1 S TCP p η S K r i S TCP 0 η T K TCP T K TCP T TCP0 p η Fully Automatic Sensor Calibration (2003)

74 PS.74 3D 2D Measurement markers Calibration Body (1990)

75 PS.75 Measurement markers 3D/6D Sensor System Fully Automatic Sensor Calibration (2006)

76 3D Measurement Markers Industrial Robots PS.76 3D Sensor System Robot Calibration (2004)

77 PS.77 CFK Produktionszellen

78 PS.78 IFB/EADS Materials for Aeroplane Construction (A380)

79 PS.79 Robotics and CFK I

80 PS.80 EADS CFK Place Robots

81 PS.81 EADS Tons Production with Cartesian Robots