Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Automatisierte Planung und Ausführung von Montagevorgängen

Projektbeschreibung

In diesem Projekt werden Methoden zur automatisierten Roboterprogrammierung untersucht und Werkzeuge für die anwendernahe Roboterprogrammierung bereitgestellt. Bei einem sich immer schneller ändernden Markt und deren Produkte, nimmt das Anpassen von Fertigungseinrichtungen und die damit verbundene Programmierung von Robotern einen erheblichen Kostenanteil ein. Im Projekt sind daher Werkzeuge geschaffen worden, um aus einem einfach zu bedienenden graphisch-interaktiven Anwenderprogramm Roboterprogramme zu genieren.
Hiermit soll der Roboter in der Lage sein, komplexe Aggregate, wie beispielsweise einen Automobilscheinwerfer, siehe Abbildung 1, ohne kostspieliges Einlernen zu montieren. Die Beschreibungen der Bauteile von Montagebaugruppen liegen hierbei in Form von CAD-Daten vor. Eine Beschreibung des zur Verfügung stehenden Roboters ist außerdem vorhanden. Ausgehend von diesen Daten wurden Montagereihenfolgen für die zu fügenden Baugruppen generiert. Dabei erhält man Zuführtrajektorien, um schließlich Roboterprogramme generieren zu können.

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Abbildung1: Ein Beispielaggregat - Automobilscheinwerfer

Systemaufbau

Abbildung 2 beschreibt den Aufbau des Systems. Zunächst wird die Montagebaugruppe mit Hilfe von symbolisch-räumlichen Relationen graphisch-interaktiv spezifiziert (siehe Abbildung 3). Dafür braucht der Anwender nur an die entsprechenden Flächen der Bauteile in einem CAD-System zu klicken. Unterläuft dem Anwender während der Eingabe ein Fehler, so wird dies von dem System automatisch erkannt. Hierfür ist ein Algebrasystem sowie ein Graph-basiertes Verfahren entwickelt worden. Ist die Baugruppe als Endprodukt spezifiziert, werden Montagereihenfolgen generiert und bewertet. Dabei wird die bekannte Strategie "Assembly-by-Disassembly" angewendet. Eine aus n Bauteilen bestehende Baugruppe lässt sich auf 2^(n-1)-1 Arten in zwei Unterbaugruppen zerlegen. Die Anzahl der möglichen Montagereihenfolgen wächst somit exponentiell. Um das NP-vollständige Problem zu lösen, wurden verschiedene Heuristiken implementiert.
Nachdem verschiedene unter geometrischen Bedingungen sinnvolle Montagereihenfolgen generiert wurden, sind diese hinsichtlich mehrerer Kriterien bewertet worden. Die berücksichtigten Kriterien sind die geometrische Zugänglichkeit, die mögliche parallele Ausführung oder die Anzahl der benötigten Umorientierungen. Der günstigste Montageplan wird durch eine Optimierungsstrategie ausgewählt. Abbildung 4 zeigt einen automatisch berechneten Montageplan. Die Montagereihenfolge ergibt sich aus einer umgekehrten Reihenfolge (von unten nach oben). Dabei fügt eine Montageoperation zwei Unterbaugruppen zu einer neuen Teilbaugruppe zusammen.
Nachdem die Reihenfolge berechnet wurde, muss für Transferbewegungen eine kollisionsfreie Pfadplanung durchgeführt werden.
Anschließend sind die Montagaufgaben in so genannte Aktionsprimitivnetze umzusetzen. Ein Aktionsprimitivnetz besteht aus mehreren Aktionsprimitiven, die wiederum einzelne sensorbasierte Roboterbewegungen darstellen. Hierbei können verschiedene Sensoren (Kamera, Kraft/Momentenaufnehmer) gleichzeitig zum Einsatz kommen. Beispielsweise soll der Roboter in z-Richtung eine Kontaktkraft von 10 N halten und den Abstand zweier im Bild detektierte Kanten auf Null reduzieren. Durch die Verknüpfung solcher Aktionen lassen sich Roboteraufgaben, wie beispielsweise das Einstecken einer Lampe in eine Bajonettfassung realisieren. Die bei einer automatisierten Planung auftretenden Toleranzen zwischen der realen Welt und dem Modell können mit Hilfe von Aktionsprimitivnetzen behandelt werden. Damit ist eine durchgängige Kette von der automatischen Planung zur automatisierten Ausführung herstellbar.

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Abbildung 2: Aufbau des Systems; von der Spezifikation und Montageplanung bis zur Ausführung in der Arbeitszelle


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Abbildung 3: Spezifikationswerkzeug zur Eingabe von symbolisch-räumlichen Relationen; integriert in ein kommerzielles Simulationssystem

Ergebnisse (Fügerichtungen)

Für eine automatische Planung eines Montagevorgangs müssen zunächst gültige Fügerichtungen ermittelt werden. Folgende Abbildung beschreibt den Vorgang zum Generieren aller möglichen Fügerichtungen.

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Abbildung 4: (I) Aktives Bauteil (grün) und passives Bauteil (rot). Es handelt sich um eine Lampe und einen Teil des Projektionssystems des Scheinwerfers. (II) Die Bauteile; dargestellt in triangulierten Oberflächen. (III) Ein Zerlegung in konvexe Oberflächen-Patches. (IV) Das Konfigurationsraumhindernis mit berechneten Fügerichtungen

Auf Basis der Berechnung der Separierbarkeit werden anschließend gültige Montagereihenfolgen generiert und bewertet. Dabei werden als harte Bedingungen die Zusammenhängigkeit einer Baugruppe und die geometrische Zugänglichkeit betrachtet. Weiche Bedingungen sind beispielsweise die Parallelität oder die benötigten Umorientierungen während eines Montagevorgangs.

Ergebnisse (Montageplanung)


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Abbildung 5: Berechneter Montageplan für den Scheinwerfer und den Blinker. Die Gewichte betrugen für die Separierbarkeit 0.8 und für die Parallelität 0.2


Abbildung 6 zeigt einige Montagevorgänge. Hierbei wurden Aktionsprimitivnetze verwendet, um die Roboteraufgaben sensorbasiert durchzuführen.

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Abbildung 6: Sensorbasierte Ausführung von Montagevorgängen


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