AWA-Dienstleistungen. F&E-Historie in der Robotik. Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Transkript

1 1 AWA-Dienstleistungen F&E-Historie in der Robotik 2002

2 2 Arbeitsbereich Werkzeugmaschinen und Automatisierungstechnik Werkzeugmaschinen - Konfiguration von Fertiganlagen - Optimierung des thermischen und dynamischen Verhaltens - Spanntechnik allgemeiner Maschinenbau : - Schw achstellenanalyse - FEM-Berechnungen - Optimierung von Maschinenkomponenten Automatisierungstechnik Robotik : - Montageroboter - Kom plexe Sensorik - Bildverarbeitung Montagetechnik : - Konfiguration von Montagesystem en - Prä zisionsmontage - Montagegerechte Konstruktion - Qualitätssicherung in der Montage Steuerungstechnik Steuerungen : - Fü r Industrieroboter - Fü r Werkzeugmaschinen - Programmierverfahren CIM : - lokale Netzwerke - Zellenrechnerkonfiguration - Planung und Realisation von CIM-Strukturen - W irtschaftlichkeitsnachweis Struktur des AWA

3 Entwicklung eines direkt angetriebenen hochgenauen SCARA Robotik am AWA I

4 1992 Daten-Array CCD-Sensor ab H b KKS optische Achse WKS... A/D Bildspeicher Entwicklung eines direkt angetriebenen hochgenauen SCARA Entwicklung hochgenauer videometrischer 3D-Meßprinzipien Robotik am AWA I

5 1992 Daten-Array CCD-Sensor ab H b KKS optische Achse WKS... A/D Bildspeicher Entwicklung eines direkt angetriebenen hochgenauen SCARA Entwicklung hochgenauer videometrischer 3D-Meßprinzipien ab 1996 Kuka Statische on- - und off-line Kalibrierung von Robotern Robotik am AWA I

6 1992 Daten-Array CCD-Sensor ab H b KKS optische Achse WKS... A/D Bildspeicher Entwicklung eines direkt angetriebenen hochgenauen SCARA Kuka Entwicklung hochgenauer videometrischer 3D-Meßprinzipien ab 1996 Statische on- - und off-line Kalibrierung von Robotern Dynamische Kalibrierung von Robotern Robotik am AWA I Kuka ab 1996

7 4 Flexible Montagezelle

8 CCD-Kamera 5 Laser 3D-Positionssensor SCARA-On-Line Kalibration auf der NORTEC

9 6 ab 2000 Kraft-, momenten- - und positionsgeführte sowie temperaturkompensierte Roboter Robotik am AWA II

10 6 ab 2000 ab 2001 t N Kraft-, momenten- - und positionsgeführte sowie temperaturkompensierte Roboter t 1 Entwurf optimierter Roboter- bahnen mit minimaler Taktzeit unter Berücksichtigen von Achs- und Genauigkeitsrestriktionen sowie dem dynamischen Systemverhalten Robotik am AWA II

11 ab Kalibrierte Roboter 7 1 Robotik am AWA III

12 ab Kalibrierte Roboter 2. Kalibrierte videometrische Meßsysteme 7 1 Robotik am AWA III

13 ab Kalibrierte Roboter 2. Kalibrierte videometrische Meßsysteme 3. Werkzeugvermessung 7 1 Robotik am AWA III

14 7 ab Kalibrierte Roboter 2. Kalibrierte videometrische Meßsysteme 3 3. Werkzeugvermessung 4. OP-Planung und Simulation unter Nutzung der bildgeben- den Meßdaten sowie Programmerzeugung für OP- Roboter 1 Robotik am AWA III

15 7 5a ab Kalibrierte Roboter 2. Kalibrierte videometrische Meßsysteme 3 5b 3. Werkzeugvermessung 4. OP-Planung und Simulation unter Nutzung der bildgeben- den Meßdaten sowie Programmerzeugung für OP- Roboter 1 5. Bestimmung von Relationen a) Meßgeräte-KS <=> Patienten-KS b) Patienten-KS <=> Roboter-KS Robotik am AWA III

16 ab 2000 Kugelgelenk Stellschraube Videometrie zur Posemessung von Röntgenquelle und Bildplatte 8 Distraktor Ilisarow-Ring Röntgenquelle Röntgengerät schematisch Strahlenkegel Zentralstrahl Bildplatte Fixateur Externe / Robotik a Medizinische 3D-Bildverarbeitung b 3D-Röntgentechnik Robotik und Bildverarbeitung (Fixateur Externe)

17 9 ab 2000 Dental-Roboter

18 10 ab 2001 Linear-Aktuatoren Alternative Großbauteilmontage

19 10 ab Linear-Aktuatoren 3 x 6-Achsroboter (kooperierende, Pose- und kraftgeführte Roboter) Alternative Großbauteilmontage

20 11 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern 2002

21 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Gliederung

22 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Lösungsansätze Gliederung

23 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Lösungsansätze Praxisanforderungen und Nutzen Gliederung

24 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Lösungsansätze Praxisanforderungen und Nutzen Positionierfehler und Kalibration und weitere Potentiale der Kalibration Gliederung

25 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Lösungsansätze Praxisanforderungen und Nutzen Positionierfehler und Kalibration und weitere Potentiale der Kalibration New Robot Generation und Vision einer Systemlösung Gliederung

26 12 Genauigkeitssteigerung von Maschinen und Robotern (Vision New Robots) Problemstellung und Teachkosten Teachkosten Lösungsansätze Praxisanforderungen und Nutzen Positionierfehler und Kalibration und weitere Potentiale der Kalibration New Robot Generation und Vision einer Systemlösung Zusammenfassung Gliederung

27 13 Wiederholgenauigkeit µm Problemstellung KS:= Koordinatensystem

28 13 Wiederholgenauigkeit µm absolute Genauigkeit 5-10 mm Problemstellung KS:= Koordinatensystem

29 13 Wiederholgenauigkeit µm absolute Genauigkeit 5-10 mm Koordinatensystem vom Hersteller grob oder gar nicht angegeben Problemstellung KS:= Koordinatensystem

30 13 Wiederholgenauigkeit µm absolute Genauigkeit 5-10 mm Koordinatensystem vom Hersteller grob oder gar nicht angegeben Winkelfehler 0,1 auf 1 m Achslänge ergibt Bogenlänge von ca. 1,7 mm => Problem: Nullagenfehler Sensoren und Winkelfehler Maschinen- zu Welt-KS Problemstellung KS:= Koordinatensystem

31 13 Wiederholgenauigkeit µm absolute Genauigkeit 5-10 mm Koordinatensystem vom Hersteller grob oder gar nicht angegeben Winkelfehler 0,1 auf 1 m Achslänge ergibt Bogenlänge von ca. 1,7 mm => Problem: Nullagenfehler Sensoren und Winkelfehler Maschinen- zu Welt-KS Verringerung der Fertigungstoleranzen der Bauteile sind technisch und wirtschaftlich Grenzen gesetzt Problemstellung KS:= Koordinatensystem

32 14 Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

33 14 Kuka Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

34 14 Kuka Panasonic Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

35 14 Kuka Fanuc Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

36 14 Kuka Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

37 Investitionskosten = ca.. 1,5 Mill.. EUR 14 Kuka Maschinenstundensatz = ca EUR/h Elektro-/Laser-Roboter Fertigungszellen

38 15 Trennung von Anlagenbetrieb und Programmierung Blume Roboter-Off-Line-Programmierung

39 15 Trennung von Anlagenbetrieb und Programmierung Blume Absolute Posefehler bedingen dennoch zeitaufwendiges Teachen Roboter-Off-Line-Programmierung

40 16 Teach-Prozedur Roboter einschalten Referenzpose anfahren => interne Zähler null Posen mit Handbedienpult anfahren Pose <=> Pulse interner Lagesensoren Kuka Teachen

41 16 Teach-Prozedur Roboter einschalten Referenzpose anfahren => interne Zähler null Posen mit Handbedienpult anfahren Pose <=> Pulse interner Lagesensoren Vorteile kein explizites Modell einfache Steuerung Kuka Teachen

42 16 Teach-Prozedur Roboter einschalten Referenzpose anfahren => interne Zähler null Posen mit Handbedienpult anfahren Pose <=> Pulse interner Lagesensoren Vorteile kein explizites Modell einfache Steuerung Kuka Nachteile manuelles Anfahren individuelle Referenzstellung Reparaturen/Umbau/Roboterwechsel Roboterwechsel => neu teachen geringe Flexibilität hohe Stillstandskosten Teachen

43 17 mittlere Anzahl der Teachvorgänge pro Produkt 25 mittlere Anzahl der Lösgrößen pro Jahr 24 mittlere Teachdauer pro Pose 90 sek mittlere Produktlebensdauer 3 Jahre Teach-Kosten

44 17 mittlere Anzahl der Teachvorgänge pro Produkt 25 mittlere Anzahl der Lösgrößen pro Jahr 24 mittlere Teachdauer pro Pose 90 sek mittlere Produktlebensdauer 3 Jahre mittlere Teachstunden pro Jahr 15 h mittlere Anzahl der Teachposen pro Roboter 600 Teach-Kosten

45 17 mittlere Anzahl der Teachvorgänge pro Produkt 25 mittlere Anzahl der Lösgrößen pro Jahr 24 mittlere Teachdauer pro Pose 90 sek mittlere Produktlebensdauer 3 Jahre mittlere Teachstunden pro Jahr 15 h mittlere Anzahl der Teachposen pro Roboter 600 mittlere Teachkosten pro Roboter (Reparatur) mittlere Teachkosten pro Jahr ca EUR ca EUR Teach-Kosten

46 18 Kuka y z x w Modellparameter aus gemessenem Positionierverhalten berechnen klassisch : 3D-Modell global genau Stunden teure und empfindliche Meßgeräte Kalibration

47 18 Kuka y z x w Modellparameter aus gemessenem Positionierverhalten berechnen klassisch : 3D-Modell global genau Stunden teure und empfindliche Meßgeräte neu : 3D und 2D-Modell Sekunden bis Minuten kostengünstiges und robustes videometrisches Meßsystem Sensor werkzeugwechselfähig subpixelmessende Algorithmen Kalibration

48 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder Praxisanforderungen On-line-Kalibration

49 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder defekten Roboter ersetzen oder Kuka Praxisanforderungen On-line-Kalibration

50 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder defekten Roboter ersetzen oder Kuka Produktwechel vornehmen oder... Praxisanforderungen On-line-Kalibration

51 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder defekten Roboter ersetzen oder Kuka Produktwechel vornehmen oder... Kalibrationstaste betätigen (für Werker geeignet) Praxisanforderungen On-line-Kalibration

52 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder defekten Roboter ersetzen oder Kuka Produktwechel vornehmen oder... Kalibrationstaste betätigen (für Werker geeignet) Montage- / Fertigungszelle kalibriert Praxisanforderungen On-line-Kalibration

53 19 Maschine / Roboter und Zellenperipherie mit Zollstockgenauigkeit aufstellen oder defekten Roboter ersetzen oder Kuka Produktwechel vornehmen oder... Kalibrationstaste betätigen (für Werker geeignet) Montage- / Fertigungszelle kalibriert Fertigung oder Montage ohne Teachen Teachen starten (vollautomatische Ur- und Nachkalibration z.b. Temperaturkomensation, Lastkompensation usw.) Praxisanforderungen On-line-Kalibration

54 20 kurze Amortisationsdauer, kurze Rüstzeiten, hohe Prozeßsicherheit, hohe Produktflexibilität, hohe Anlagenverfügbarkeit, hohe Anlagenproduktivität usw. Nutzen der On-line-Kalibration

55 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) Kuka y z x w Absolute Positionierfehler und Kalibration

56 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka y z x w Absolute Positionierfehler und Kalibration

57 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen y z w x Absolute Positionierfehler und Kalibration

58 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen y z x w 4. Gelenk- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

59 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen y z x w 4. Gelenk- elastizitäten 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

60 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen y z x w 4. Gelenk- elastizitäten 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

61 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen y z x w 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

62 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS Kuka 3. Temperatur- schwankungen 8. Weggeber y z x w 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

63 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS 9. Reibung 8. Weggeber Kuka y z x w 3. Temperatur- schwankungen 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

64 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 10. Steuerung: 10. Steuerung: (Rundungen und num. Verfahrensfehler) 9. Reibung 8. Weggeber Kuka y z x 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS 3. Temperatur- schwankungen w 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

65 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 10. Steuerung: (Rundungen und num. Verfahrensfehler) 9. Reibung 8. Weggeber Kuka y z x 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS 3. Temperatur- schwankungen w 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

66 21 1. Kinematische Parameter: (Nullage, Fluchtung und Länge) 10. Steuerung: (Rundungen und num. Verfahrensfehler) 9. Reibung 8. Weggeber Kuka y z x 2. Lage des Maschinen-KS zum Basis-KS 3. Temperatur- schwankungen w 4. Gelenk- elastizitäten 7. Lagerspiel 6. Getriebefehler 5. Element- elastizitäten Absolute Positionierfehler und Kalibration

67 22 1D - Laser 2D - CCD - Kamera Ur- und Nach- kalibration Kalibrierkörper und Sensorsysteme

68 22 1D - Laser 2D - CCD - Kamera Ur- und Nach- kalibration Maschinen- Kalibrierkörper Kalibrierkörper und Sensorsysteme

69 22 1D - Laser 2D - CCD - Kamera Ur- und Nach- kalibration Maschinen- Kalibrierkörper TCP-Sensor- Kalibrierkörper Kalibrierkörper und Sensorsysteme

70 22 1D - Laser 2D - CCD - Kamera TCP-Sensor- Kalibrierkörper Fertigungs- - / Montage- Kalibrierkörper Ur- und Nach- kalibration Maschinen- Kalibrierkörper Kalibrierkörper und Sensorsysteme

71 23 D xyz D xy PNr 3D-Modell mit Posemeßsystem Kalibrationsergebnisse

72 23 D xyz D xy PNr S K 3D-Modell mit Posemeßsystem S R S TCP Kalibrierebene ì Dxy ì z * 0,25 ó Dxy ó z S R S S S TCP 2D-Modell mit Positionsmeßsystem Kalibrationsergebnisse K K ( x, y ) [mm]

73 24 Statische und dynamische parametrische Modelle Steuerungs-, Regelungs- sowie Sensormodelle Weitere Potentiale der Kalibration

74 24 Statische und dynamische parametrische Modelle Steuerungs-, Regelungs- sowie Sensormodelle Genauigkeitssteigerung des stationären und dynamischen Verhaltens durch Modellkalibration (Positionier- und Bahnfehler, Regleroptimierung, Adaptive Regler usw.) Weitere Potentiale der Kalibration

75 24 Statische und dynamische parametrische Modelle Steuerungs-, Regelungs- sowie Sensormodelle Genauigkeitssteigerung des stationären und dynamischen Verhaltens durch Modellkalibration (Positionier- und Bahnfehler, Regleroptimierung, Adaptive Regler usw.) Kalibration,, Qualitätssicherung, Fehler-, Alterungs- - sowie Verschleißerkennung (In der Fertigung und beim Kunden im Service) Weitere Potentiale der Kalibration

76 24 Statische und dynamische parametrische Modelle Steuerungs-, Regelungs- sowie Sensormodelle Genauigkeitssteigerung des stationären und dynamischen Verhaltens durch Modellkalibration (Positionier- und Bahnfehler, Regleroptimierung, Adaptive Regler usw.) Kalibration,, Qualitätssicherung, Fehler-, Alterungs- - sowie Verschleißerkennung (In der Fertigung und beim Kunden im Service) Lineare Unabhängigkeit der Parameter ermöglicht hierarchische sowie Teilparameterkalibrationen (Vor- und Nachkalibration z.b. beim Hersteller und Kunden) Weitere Potentiale der Kalibration

77 25 New Robot Generation Kuka New Robots

78 25 New Robot Generation Kuka Steuerungsoder Roboter- hersteller New Robots

79 25 Steuerungsoder Roboter- hersteller Sensor- hersteller New Robot Generation Kuka New Robots

80 25 Steuerungsoder Roboter- hersteller Sensor- hersteller Hochschule New Robot Generation Kuka New Robots

81 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Vision einer Systemlösung

82 26 Computer Aided Design Maschinen y z x w Tool Greifer Vision einer Systemlösung

83 26 Computer Aided Design off-line line- Programmierung Maschinen y z x w Tool Greifer Vision einer Systemlösung

84 Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing off-line line- Programmierung 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Vision einer Systemlösung

85 Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing off-line line- Programmierung 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Option Vision einer Systemlösung

86 Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing off-line line- Programmierung 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Option Palettensystem mit Index Vision einer Systemlösung

87 Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing off-line line- Programmierung 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Option Palettensystem mit Index Sensor-TCP-Kalibrierkörper Vision einer Systemlösung

88 Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing off-line line- Programmierung 26 Maschinen y z x w Tool Greifer Option Sensoren Palettensystem mit Index Sensor-TCP-Kalibrierkörper Vision einer Systemlösung

89 27 Keba Integration der Kalibrationssoftware in die Robotersteuerungssoftware Lösungsvarianten

90 27 Keba Integration der Kalibrationssoftware in die Robotersteuerungssoftware Siemens Integration von Kalibrationssoftware und Robotermodell in externen Industrie-PC (Kalibrations-Master-PC) Lösungsvarianten

91 Maschinen- / Roboterinterface Sensorinterface 28 Robotersteuerung Kalibrations- Master-PC Interface / Standardisierung

92 29 Parameterfehler der Maschinenmodelle und die Pose zwischen Werkstück/Montage- und Maschinenkoordinatensystem => bestimmen signifikant die absoluten Posefehler Zusammenfassung I

93 29 Parameterfehler der Maschinenmodelle und die Pose zwischen Werkstück/Montage- und Maschinenkoordinatensystem => bestimmen signifikant die absoluten Posefehler Numerische Konstruktion vollständiger, minimaler und robuster Modelle => Anwendung der hinsichtlich der Rangdefekte günstigen RPY- Transformation sowie externe Sensorparameter kalibrieren => Ur - und Nachkalibration beim Hersteller und Anwender Zusammenfassung I

94 29 Parameterfehler der Maschinenmodelle und die Pose zwischen Werkstück/Montage- und Maschinenkoordinatensystem => bestimmen signifikant die absoluten Posefehler Numerische Konstruktion vollständiger, minimaler und robuster Modelle => Anwendung der hinsichtlich der Rangdefekte günstigen RPY- Transformation sowie externe Sensorparameter kalibrieren => Ur - und Nachkalibration beim Hersteller und Anwender Maschinen mit Linearachsen => können von nun an minimale Modelle genutzt werden Zusammenfassung I

95 30 S R IR BKS S S TCP S S M S M i S K MKS Zerlegung in Identifikationsgleichung, Werkstück/Montagemeßgleichung und Werkstück/Montageposengleichung => ermöglicht eine einfache und kostengünstige Roboter/Maschinen-Kalibration mittels Kalibrierkörpern Zusammenfassung II

96 30 S R IR BKS S S TCP S S M S M i S K MKS Zerlegung in Identifikationsgleichung, Werkstück/Montagemeßgleichung und Werkstück/Montageposengleichung => ermöglicht eine einfache und kostengünstige Roboter/Maschinen-Kalibration mittels Kalibrierkörpern Kalibration mit Low-Cost-CCD-Kamera-Systemen -CCD-Kamera-Systemen (z.b. Internet-Kamera) => essentielle Genauigkeitssteigerung => videometrische Meßsysteme mit mittlerer Genauigkeit Zusammenfassung II

97 30 S R IR BKS S S TCP S S M S M i S K MKS Zerlegung in Identifikationsgleichung, Werkstück/Montagemeßgleichung und Werkstück/Montageposengleichung => ermöglicht eine einfache und kostengünstige Roboter/Maschinen-Kalibration mittels Kalibrierkörpern Kalibration mit Low-Cost-CCD-Kamera-Systemen -CCD-Kamera-Systemen (z.b. Internet-Kamera) => essentielle Genauigkeitssteigerung => videometrische Meßsysteme mit mittlerer Genauigkeit Siemens Kurze Amortisationszeiten, hohe Flexibilität verbunden mit hoher Prozeßsicherheit => hohes wirtschaftliches Potential Zusammenfassung II