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Aufgabenorientierte Roboterprogrammierung unter Berücksichtigung von geometrischen Bauteilabweichungen beim Lichtbogenschweißen

 
: Kuss, Alexander
: Verl, Alexander

:
Fulltext urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-112648 (7.7 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 90d2e27adba5ca7418262e958a5fd445
Created on: 2.2.2021


Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2021, XVI, 169 pp.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2019
Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung, 119
ISBN: 978-3-8396-1680-2
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPA ()
Bauteil; Kleine Losgröße; Lichtbogenschweißen; Robotik

Abstract
Die einfache und flexible Programmierung von Industrierobotern stellt eine wesentliche Herausforderung für den erfolgreichen Robotereinsatz für Produktionsaufgaben dar. In dieser Arbeit wird ein aufgabenorientiertes Programmiersystem für das robotergestützte Lichtbogenschweißen entwickelt, welches eine sensorbasierte Anpassung von Roboterprogrammen an geometrische Bauteilabweichungen bereits bei der Programmplanung ermöglicht.
Zunächst werden das Gesamtkonzept des Programmiersystems und die Modellarchitektur konzipiert. Hierbei wird eine Aufgabenbeschreibung zur Repräsentation von Schweißaufgaben bei geometrischen Bauteilabweichungen entwickelt. Zudem wird ein Technologiemodell zur Modellierung und Wiederverwendbarkeit von generalisiertem Fertigungswissen über den Schweißprozess eingeführt. Darauf aufbauend werden Planungsverfahren zur automatischen Erkennung und Anpassung von Schweißaufgaben sowie zur Erstellung von entsprechenden Roboterprogrammen vorgestellt.
Zudem werden Verfahren entwickelt, um mittels 3D-Sensorik geometrische Bauteilabweichungen zu bestimmen und das zugehörige Geometriemodell anzupassen. Zunächst wird ein Verfahren zur Bestimmung von Lageabweichungen basierend auf einer Variante des Iterative-Closest-Point-Algorithmus vorgestellt. Außerdem wird ein Verfahren entwickelt, das als Erweiterung der sogenannten Freiform-Deformation eine nicht-rigide Registrierung und damit eine Anpassung des Geometriemodells an Formabweichungen ermöglicht. Weiterhin wird ein Modell des Lichtbogenschweißprozesses entwickelt, um innerhalb des Programmiersystems automatisch auf die erkannten Bauteilabweichungen reagieren und die Programmplanung entsprechend anpassen zu können. Dabei erfolgt die Modellierung des Zusammenhangs zwischen Bauteilgeometrie und Schweißprozessparametern sowie die Ableitung verschiedener Strategien zur Adaption des Schweißprozesses.
Das entwickelte Programmiersystem mit den Verfahren zur sensorbasierten Anpassung des Bauteilgeometriemodells und dem Modell zur Schweißprozessanpassung wird schließlich mit einer industriellen Schweißroboterzelle evaluiert. Dazu werden Schweißnähte an Versuchsbauteilen mit vorgegebenen Lage- und Formabweichungen erzeugt und den Schweißergebnissen einer Vergleichsgruppe ohne Nutzung der entwickelten Verfahren gegenübergestellt. Hierbei kann eine deutliche Erhöhung der Nahtqualität sowie eine Reduktion der Qualitätsschwankung nachgewiesen werden. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur adaptiven Programmierung von Industrierobotern im Bereich des Lichtbogenschweißens.

 

Easy and flexible programming of industrial robots is a main challenge for a successful operation of robots in production processes. In this thesis, a task-oriented programming system for robotic arc welding is developed that allows for a sensor-based adaptation of robot programs to geometric workpiece deviations during the program planning phase. Firstly, the overall concept of the programming system and the model architecture are developed. Here, a task description for representation of welding tasks in presence of geometric workpiece deviations is developed. Additionally, a technology model for modelling and re-usage of generalised manufacturing knowledge of the welding process is introduced.
Based on this, planning methods are presented for automatic recognition and adaptation of welding tasks and for the respective generation of robotic welding programs.
Additionally, methods based on 3D sensing are developed to detect geometric workpiece deviations and adapt the corresponding geometry model. Here, a method is presented to detect position and orientation deviations using a variant of the Iterative Closest Point algorithm. Then, a method is developed based on an extention of the Free Form Deformation method that allows for a non-rigid registration and hence an adaptation of the geometry model to form deviations.
Moreover, a model of the arc welding process is developed to enable automatic adaptation of the program planning within the programming system to the detected workpiece deviations. Therfore, the relation between workpiece geometry and welding process parameters is modelled and several strategies for adaptation of the welding process are derived.
Finally, an industrial welding cell is used for experimental validation of the developed programming system and the methods for sensor based adaptation of the workpiece geometry model and the welding process model. Therfore, weld seams are produced on test workpieces with predetermined position and form deviations that are compared to a reference group without usage of the developed adaptation methods. The results reveal a significant increase of the weld seam quality and a reduction of variations of quality using the proposed methods. This thesis thereby makes a contribution to adaptive programming of industrial robots for arc welding processes.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-621919.html