Fachhochschule für Technik und Gestaltung Mannheim
Angefertigt im Institut für Produktionstechnik (Maschinenbau)
Fachbereich Elektrotechnik
Studienarbeit Automatisierungstechnik

Kamerageführte Greifvorgänge am
laufenden Transportband realisiert
mit einem DVT SMART VISION SENSOR und
einem Industrieroboter ABB IRB2400

eingereicht von:
Martin Pfrommer

Sommer 2005

Zusammenfassung

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit war, einen kamerageführten Greifprozess eines Roboters von einem laufenden Transportband weg zu realisieren. Aufbauend auf die Objekterkennungssoftware der Kamera, welche die Position eines Objektes in einem Bild in Koordinaten umwandelt, war es meine Aufgabe, nun über Zeitmessungen ein Signalkonzept zu erarbeiten, um zu verstehen, wie die Signale aussehen, weitergegeben werden und wie lange ihre Verarbeitung dauert. Somit konnte der Gesamtprozess vom Erkennen bis zum Greifen in Teilprozesse aufgeteilt werden, welche sich leichter untersuchen und programmieren ließen. Über die Dauer der Einzelprozesse konnte eine Totzeit zwischen Bildentstehung und dem Zeitpunkt, wenn dem Roboter die Zielkoordinaten der Greifbewegung zur Verfügung stehen, ermittelt werden. Dadurch kann man im Programm eine Positionskorrektur vornehmen, da sich das Objekt in dieser Totzeit auf dem Förderband unerkannt weiterbewegt.

Realisiert wurde diese Aufgabe mit einem DVT SmartImage Sensor und einem Industrieroboter ABB IRB 2400/10.

• Zu Beginn wurden die benötigten Zeitmessungen durchgeführt, welche zur Entwicklung eines Signalkonzeptes nötig waren. Am Ende stand dann ein autonomer Greifprozess. Gemessen wurden dabeidie Löschzeit der RS232-Schnittstelle
• die Auslesezeit des von der Kamera übertragenen Koordinatenstrings aus der seriellen Schnittstelle und Umrechnung in Koordinaten (x, y, Ψ)
• Messung der Bildverarbeitungszeit der Kamera

Der autonome Greifprozess, oder auch als „Dual Prozess“ bezeichnet, beinhaltet auch das Auftreten mehrerer Objekte auf dem Förderband. Ein besonderer Zusatz ist die automatische Prozessrücksetzung in einem Fehlerfall, der über Fehlerroutinen abgehandelt wird. Auf Grund der gewonnen Messwerte war meine Ergebnis eine sich ständig ändernde, in jedem Zyklus automatisch gemessene, Gesamtzykluszeit. Diese ist identisch mit der oben genannten Totzeit.

Vorwort

Die vorliegende Studienarbeit ist im Fachbereich Maschinenbau im Institut für Produktionstechnik der Fachhochschule Mannheim entstanden. Sie sollte eine gute Dokumentation der Arbeit mit dem Roboter enthalten. Mit dieser Dokumentation ist es möglich, den Prozessablauf so zu wiederholen und um Erweiterungen daran vorzunehmen.

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG ... 3
1.1 DER INDUSTRIEROBOTER  ... 3
1.1.1 Begriffsdefinition „Roboter“ ... 3
1.1.2 Die Geschichte der Industrieroboter  ... 3
1.1.3 Ihre Anwendungsgebiete und heutige Entwicklung  ... 4
1.2 DAS ZIEL DER ARBEIT ... 5
1.3 DER AUFBAU DER ARBEIT ... 5

2 DIE GRUNDLAGEN ... 6
2.1 DER INDUSTRIEROBOTER IRB 2400/10  ... 6
2.1.1 Mögliche Anwendungsbereiche ... 6
2.1.2 Die S4C-Steuerung  ... 7
2.1.3 Die Programmiersprache Rapid  ... 7
2.2 DIE KAMERA – DER SMART VISION SENSOR DVT 600 ... 8
2.2.1 Die Grundlagen ... 8
2.2.2 Die Technischen Daten des Systems im Überblick ... 8
2.2.3 Die Benutzeroberfläche „Framework“ ... 9
2.2.4 Die Kommunikation  ... 9
2.2.5 Das TCP/IP – Protokoll  ... 9
2.2.6 Beschaltung der I/O-Ports der Kamera ... 10
2.2.7 Der Inspektions-Modus ... 11
2.2.8 Die Herstellerangaben zu Zyklus– und Prozesszeiten während einer Inspektion ... 12

3 DER MESSAUFBAU  ... 13

4 VORÜBERLEGUNGEN ... 16
4.1 GRUNDLEGENDE ANFORDERUNGEN  ... 16
4.2 DER ZWECK DER MESSUNGEN  ... 16
4.3 DAS SIGNALKONZEPT  ... 16
4.4 DER KOORDINATENTRANSFER ZWISCHEN KAMERA UND ROBOTER ... 18

5 DIE MESSUNGEN  ... 19
5.1 DIE PROZESSZEITMESSUNGEN DER ROBOTERSTEUERUNG ... 19
5.1.1 Die Prozessdauer „Löschen der seriellen Schnittstelle“ ... 19
5.1.2 Die Auslesedauer eines Strings aus der seriellen Schnittstelle  ... 21
5.2 DIE PROZESSZEITMESSUNGEN DER KAMERA  ... 22
5.2.1 Die Messung der Inspektionszeit  ... 22
5.2.2 Die Signalabfolge in der Kamera ... 23
5.3 DIE MESSUNG DER FÖRDERBANDGESCHWINDIGKEIT ... 26

6 DIE UMSETZUNG ... 28
6.1 DIE IMPLEMENTIERUNG DER ZYKLUSZEIT ... 28
6.2 GREIFPROZESSREALISIERUNG AM LAUFENDEN TRANSPORTBAND  ... 28
6.3 DIE BILDDOKUMENTATION DES GREIFPROZESSES ... 34
6.4 DIE REALISIERUNG EINES ENDLOSPROZESSES  ... 35
6.4.1 Der Ablauf der Abstapelung  ... 37
6.4.2 Die Aufsplittung der Greifwinkel  ... 38
6.4.3 Der Test des Endlosprozesses ... 38
6.5 DIE BEWERTUNG DES ENDLOSPROZESSES  ... 39

7 DAS FAZIT ... 40
7.1 DIE REAKTION DER KAMERA BEI MEHREREN OBJEKTEN  ... 40
7.2 DIE I/O – PORTS DER ROBOTERSTEUERUNG ... 41
7.3 ANMERKUNGEN ZU BENUTZERHANDBÜCHERN  ... 41
7.4 EIN RESÜMEE  ... 42
7.5 EIN AUSBLICK ... 42

8 ANHANG ... 43
8.1 ENTFÄLLT  ... 43
8.2 KURZANLEITUNG FÜR DIE NEUINSTALLATION DES  ... 44
ROBOTERSYSTEMS ... 44
8.3 PROGRAMMMODUL FÜR DIE MESSUNG DER AUSLESEZEIT  ... 45
8.4 DIE KAMERAEINSTELLUNGEN  ... 48
8.5 DER GREIFPROZESS IN KOMMENTIERTER FORM ... 50
8.6 DER ENDLOSPROZESS AUSDOKUMENTIERT  ... 54
8.7 DER ROBOTER ALS „MASTER“, DIE KAMERA ALS „SLAVE“ ... 65

9 LITERATURVERZEICHNIS ... 69

1 Einleitung
1.1 Der Industrieroboter

Industrieroboter - ein Fluch für die Arbeitnehmer? Fakt ist, dass die moderne industrielle Fertigung von heute nicht mehr ohne Industrieroboter denkbar ist! Mit ihrer Hilfe können feststehende Routineaufgaben schneller und kostengünstiger durchgeführt werden und man setzt sie oft an Gesundheitsgefährdenden Arbeitsplätzen ein.

1.1.1 Begriffsdefinition „Roboter“

Was jedoch verstehen wir genau unter einem Industrieroboter? Der Roboter ist ein selbständiges, programmierbares, elektromechanisches Gerät und wird in der Industrie und wissenschaftlichen Forschung für spezielle, sich oft wiederholende Arbeitsvorgänge eingesetzt.

1.1.2 Die Geschichte der Industrieroboter

Im 18. Jahrhundert wurden einige Uhrmacher berühmt durch die von ihnen gebauten, komplizierten mechanischen Puppen. Heute bezeichnet der Begriff „Roboter“ oft mechanische Geräte, die rein darauf beschränkt sind, Bewegungen von Lebewesen nachzuahmen. Die ursprüngliche Idee bei der Konzeption von Robotern lag in dem Bestreben, einige oder alle Arbeitsschritte in der Fabrikation zu automatisieren. Die ersten Geräte dieser Art begann man im 18. Jahrhundert in der Textilindustrie zu bauen. Einzelne Webstühle aus jener Zeit wurden von gelochten Papierstreifen gesteuert. Mit dem Beginn der industriellen Revolution baute man Fabrikationsstätten, die einen höheren Automatisierungsgrad für wiederholte Arbeitsschritte am Fliessband vorweisen sollten. Bis zur Erfindung des Computers in den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts und der fortschreitenden Miniaturisierung von Computerbauteilen waren leistungsfähigere Roboter, wie sie heutzutage in der Industrie anzutreffen sind, nicht möglich. Einer der ersten echten Roboter war ein Experimentalmodell mit dem Namen SHAKEY, der von den Forschern am Standford Research Institute (USA) in den späten sechziger Jahren entworfen wurde. Er konnte einzelne Bausteine stapeln, wobei eine Fernsehkamera als visueller Sensor diente. Die Informationen verarbeitete der Roboter mit Hilfe eines kleinen Computers.

Der Folgeschritt war der Versuch, roboterähnlichen Geräten sinnvollere Aufgaben beizubringen. Mitte der siebziger Jahre finanzierte die Firma General Motors ein Entwicklungsprogramm, bei dem der Forscher Victor Scheinman des Massachusetts Institute of Technology einen von ihm erfundenen motorgetriebenen „Arm“ verbesserte, um den so genannten „Programmable Universal Manipulator for Assembly“

(PUMA: Programmierbarer Universalmanipulator für die Fertigung) zu produzieren. Die entstandenen PUMA’s markierten den Beginn des Zeitalters der Roboter. Heutige Computer sind mit einem oder mehreren kleinen Mikroprozessoren ausgerüstet. Diese werten jene Daten aus, die durch verschiedene Sensoren aus der Umgebung aufgenommen werden. Durch das Prinzip der Rückkopplung können Roboter in einem gewissen Maß ihre Funktionsweise dem veränderten Verhalten ihrer Umgebung anpassen. Der wirtschaftliche Einsatz von Robotern ist weithin verbreitet, einerseits durch die steigende Automatisierung in den Fabriken und andererseits durch ihre grundlegende Unersetzlichkeit in vielen Laborprozessen. Die neueste Entwicklung tendiert zu Echolotsystemen als Orientierungseinheit für frei bewegliche Roboter anstelle von visuellen Sensoren in Form einer Kamera. In Deutschland ist eine stark wachsende Anzahl von eingesetzten Robotern zu verzeichnen. So spielen Roboter beispielsweise in der Montagetechnik, der Handhabungstechnik und der Automatisierung Gesundheitsgefährdender Arbeitsplätze eine zunehmend wichtigere Rolle. An vorderster Front in der Nutzung der Vorteile der Robotertechnologie steht unumstritten Japan.

1.1.3 Ihre Anwendungsgebiete und heutige Entwicklung

So veröffentlichte ABB in einem Presseartikel der Firma Ende des Jahres 2004: „ABB verkauft weltweit als erstes Unternehmen 100 000 Roboter“. Dies unterstreicht klar den weit gefächerten Einsatz der neuen Robotertechnologie in verschiedensten Anwendungsgebieten der Automobilindustrie, Konsumgüter- und Nahrungsmittelindustrie oder Pharma- und Unterhaltungselektronikindustrie. 1974 begann ABB mit der Produktion von Industrierobotern. Zu dieser Zeit wurden Industrieroboter hauptsächlich für die Materialhandhabung und zur Maschinenbestückung eingesetzt.

Heute, fast 30 Jahre später, beträgt der Marktanteil in diesem Bereich weltweit ca. 30% des Robotergeschäfts. Nach Informationen der International Federation of Robotics ist Schweißen in der Automobilindustrie weltweit das Einsatzgebiet Nummer eins.

[...]