Schnelle Roboterführung durch mitgeführten Sensorkopf

Flotte Augen für Roboter

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Immer schneller, immer genauer und das möglichst zu niedrigeren Kosten lauten die Forderungen in der Produktion beim Einsatz von Robotern, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Selbstverständlich steigen gleichzeitig die Anforderungen an die Qualität und die Lebensdauer der Produkte.

Diese zum Teil widerstrebenden Forderungen lassen sich wirtschaftlich kaum noch mit starren, mechanischen Automatisierungslösungen erfüllen. Eine Alternative sind flexible Lösungen, bei denen die Roboterführung mit Robot Vision Systemen erfolgt. Sie können mechanische Ungenauigkeiten ausgleichen, in Grenzen unbekannte Situationen beherrschen und trotzdem hochgenaue Messwerte liefern. Solche Systeme arbeiten entweder mit stationären oder – auf dem Roboterarm – mitgeführten Sensoren (Kameras). Beide Verfahren bieten Vor- und Nachteile.

Wenn es der Einbauraum zulässt, können beliebig viele stationäre Sensoren eingesetzt werden, die nahezu parallel mit kurzen Messzeiten arbeiten. Hochpräzise Positionsbestimmungen an großen Objekten erfordern allerdings mehrere Einzelmessungen an verschiedenen Orten, für die im allgemeinen jeweils ein Sensor vorgesehen wird. Dem Vorteil kurzer Messzeiten und damit kurzer Taktzyklen steht hier deshalb der Nachteil eines hohen Preises, der sich beim Typenmix durch zusätzliche Sensoren noch erhöht, sowie geringerer Flexibilität gegenüber.
Genau hier bieten auf dem Roboter mitgeführte Sensoren deutliche Vorteile. Mit einem einzigen Sensorkopf können beliebige Merkmale des Objekts angefahren werden. Das ergibt ein großes Spektrum möglicher Typen, deren Zahl nur durch die Reichweite des Roboters mit dem Sensorkopf begrenzt wird. Außer der Programmierung der Roboterbewegung müssen keine speziellen typspezifischen Koordinaten am Messsystem konfiguriert werden. Der Roboter überträgt die Messpositionen automatisch an das Robot Vision System, das die aktuelle Roboterposition auswertet und die Messung auf ein raumfestes Koordinatensystem bezieht. Das räumliche Modell des Messobjekts wird bei einer Konfigurationsfahrt, der sogenannten Nullmessung, automatisch im Robot Vision System angelegt.
Leider steht den großen Vorteilen der hohen Flexibilität und des minimalen Sensoreinsatzes bei mitgeführten Sensoren der Nachteil einer höheren Taktzeit entgegen. Beim Vermessen eines Objekts geht nämlich – zumindest bisher – die Dauer der Roboterbewegung zum Positionieren des Sensorkopfes komplett in die Messzeit ein. Anwendungen mit kurzen erforderlichen Taktzeiten ließen sich daher bis jetzt nur mit stationären Sensoranordnungen lösen.
Messzeit Null
Um das Einsatzgebiet für Robot Vision Systeme zu erweitern, versuchten die Spezialisten von Isra Vision Systems, die Messzeit bei am Roboter mitgeführten Sensoren zu reduzieren. Durch das Messen direkt aus der Roboterbewegung heraus konnte die Mess-zeit am jeweiligen Merkmal effektiv auf Null reduziert werden. Bei maximierter Roboterverfahrgeschwindigkeit bestimmt allein die Zeit zum kontinuierlichen Abfahren der Positionen über dem Objekt die Messzeit.
Um so schnell – während der Roboterbewegung – messen zu können, müssen die Bilder punktgenau erfasst werden. Dies erfordert mechanisch sehr robuste Sensorköpfe, eine hohe Geschwindigkeit der Bilderfassung mit einer oder mehreren Kameras sowie der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Roboterpositionen, an denen Bildaufnahmen stattfinden (Triggerung).
Viele interessanteAnwendungen
Mit diesem Verfahren konnten auch 3D-Lageerkennungen mit einem Stereo-Sensorkopf erfolgreich durchgeführt werden. Erschwerend kommt hier hinzu, dass die zwei digitalen Bilder des Stereo Kamerapaares zur exakt gleichen Zeit zu erfassen und auf einen Rechner zu übertragen sind. Hohe Bahngeschwindigkeiten erfordern dabei kurze Belichtungszeiten und mehr Lichtleistung zur Beleuchtung der Szene. Deshalb kann es sinnvoll sein, die Verfahrgeschwindigkeit an den Messpositionen herabzusetzen, um dann in vielen Fällen, ohne zusätzliche Beleuchtungskomponenten auszukommen.
In der Praxis bietet diese Methode des mitgeführten Sensors gravierende Verbesserungen beim Einsatz von Robotern in den unterschiedlichsten Anwendungen, weil die Bildverarbeitung die Roboter nicht mehr ausbremst.
Wirtschaftliche und schnelle Endkontrolle
Höhere Leistungen bei großer Genauigkeit bieten interessante Rationalisierungspotenziale. So benötigt die dreidimensionale Vermessung einer kompletten Bodenbaugruppe einer Kraftfahrzeug-Karosserie mit den Abmessungen von etwa 1,60 mal 3,50 Metern an sechs verschiedenen Messpunkten eine Messzeit von gerademal sieben Sekunden, die lediglich von der Verfahrzeit des Roboters bestimmt wird. Auch Messaufgaben in der Endkontrolle von Karosserien lassen sich nun mit einer Sensoreinheit, bestehend aus einer Kamera mit zwei Beleuchtungselementen, die an einem Roboter montiert ist, erheblich wirtschaftlicher durchführen.
Die Roboterführung über einen am Roboter mitgeführten bildverarbeitenden Sensor in Verbindung mit dem Messen aus der Bewegung erweitert die Flexibilität und vergrößert den Anwendungsbereich für kostengünstige 2D- und 3D-Robot-Vision-Systeme ganz erheblich. Dank des geringeren Hardwareaufwands und der großen Schnelligkeit lassen sich erst jetzt viele neue Anwendungen wirtschaftlich lösen.
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