3DA Fragen

• Komplexität der Arbeitszellen steigt und Platzbedarf muss reduziert werden Frühzeitiger

• Beginn der Produktion (SOP) ist von wirtschaftlichem Interesse

• Einfache Anpassung bei Änderungswünschen durch Austausch von Robotern und Peripheriegeräten

• Modellierung der einzelnen Objekte (fehlende CAD-Daten, CAD-Datenungenauigkeiten)

• Robotergenauigkeit (hohe Wiederholgenauigkeit, schlechte absolute Genauigkeit)

Wiederholgenauigkeit: Durchschnittliche Abweichung zwischen den Istposen bei wiederholtem Anfahren einer Sollpose

Absolutgenauigkeit: Abweichung zwischen der Sollpose und dem Mittelwert der Istposen bezogen auf das Basiskoordinatensystem (absolut)

• Geräte-Verhalten: Vielzahl von Mechanismen in der Simulation zu beachten (Greifer, Bänder, Klemmen, Sensoren, ...)

• Roboter-Programminterpretation: Jede Roboterfamilie verfügt über eine eigene Programmiersprache, Interpretationsfehler bei der Simulation oder durch die Post Prozessoren

• Zykluszeit von Roboterbewegungen: Bestimmung der benötigten Zeit auf Basis einer unbekannten Bewegungssteuerung/Bahnplanung

• Unbekannte Verzögerungen oder Ausführungszeiten bei Transport- und Greifoperationen: Daten für diese Geräte stehen oft nicht zur Verfügung oder die Integration in das Simulationsmodell ist eingeschränkt

• Nicht alle Komponenten sind modelliert und in das Simulationsmodell integriert: Verhalten dieser Komponenten kann nicht simuliert werden

• Nicht alle Prozesse werden simuliert: Qualität des Endproduktes kann nicht simuliert werden

• Strukturierung einer Arbeitszelle

• Datenspeicher: alle Objekte und Parameter mit notwendigen Eigenschaften

• Simulationsergebnis gibt Annäherung und Schätzung der Ergebnisse in der Realität an

Gründe:

Die Umwelt bildet die Grundlage des Simulationssystems. Im Umweltmodell werden alle für die Simulation erforderlichen Informationen in Bezug auf die in der Simulation enthaltenen Objekte effektiv und übersichtlich strukturiert gespeichert

Daten, die enthalten sein müssen:

Objects (Ojects-Eigenschaften, IO-Eigenschaften

Sections (Sections-Eigenschaften)

Hulls (Hull-Eigenschaften, CAD, Greifer, Greifpunkt)

Jede "Hull" besteht aus einer oder mehreren geometrischen Primitiven (Box, Zylinder, Dreieck, ...)

Greifer und Greifpunkt

Jede Section besteht aus mehreren Hulls (n >= 0) Zwischen zwei Sections liegt ein individueller Freiheitsgrad

Jedes Objekt besteht aus mehreren Sections (m >= 0) Jedes Objekt hat eine feste oder bewegliche Basis

Technologie der Nutzung von EDV-Systemen zur Unterstützung bei der Erstellung, Änderung, Analyse und Optimierung eines Designs

Vorteile:

• Erfordert wenig Speicher und geringe Rechenleistung

• keine anspruchsvolle Mathematik erforderlich

Nachteile:

• Kann keine Volumenkörper und Teile mit Innen- und Außeninformationen behandeln

• nur Strichlinien, keine Volumeninformationen für CAE und CAM

• Modell kann keine Volumenkörper beschreiben

• volumetrische Eigenschaften wie Masse, Gewicht, etc. können nicht berechnet werden

• keine Kollisionserkennung in der Robotik

Primitive sind einfache Volumenkörper mit einfachen mathematischen Oberflächen

Boolesche Operationen werden verwendet, um komplexere Formen durch die Kombination einfacher Formen zu erzeugen Union (>>) / Join Differenz (-) / Subtraktion Intersection (<<)

Eine Struktur, die den Verlauf der Anwendung von Booleschen Operationen auf die Primitive speichert.

Vorteile:

• Einfache und kompakte Daten

• Management ist einfach, immer gültige Volumenkörper

Nachteile:

• Nur Primitive und ihre Booleschen Operationen (keine Sweeps oder Lofts)

• Aufwändige Berechnung von Daten (Flächen, Kanten, Ecken) und deren Topologie

• Denavit-Hartenberg-Parameter

• Offene kinematische Kette

• Jedes Armteil mittels Gelenk mit dem Folge-Armteil verbunden

• Jedes Gelenk hat eine Gelenkachse

• Nummerierung der Armteile beginnt mit der Basis (Armteil 0)

• Gelenke sind von 1 bis n nummeriert

• Das letzte Armteil n heißt Endeffektor

Umrechnung zwischen Gelenkkoordinaten und kartesischen Koordinaten

Vorwärtstransformation: Position und Orientierung werden aus den bekannten Achswinkeln bestimmt, mathematisch eindeutig

Rückwärtstransformation: Achswinkel werden aus Position und Orientierung bestimmt, mehrdeutig

Bestimmung der Zwischenpunkte zwischen Start- und Endpunkt Kartesische Interpolation, Achsweise Interpolation

Online-Programmierung: Playback, Teach-In, Master Slave

Offline-Programmierung: CAD-basiert, textuell, Aufgabenorientiert Hybrid

Programmierung erfolgt direkt am Einsatzort des Roboters Manuelle Positionierung des Roboters (mit Hilfsmitteln) „Programmierung durch Vormachen“

Vorteile:

• Keine Kenntnisse einer Programmiersprache notwendig

Nachteile:

• Stillstand des Roboters während der Programmierung

• Hinderung der Produktion

Programmerstellung erfolgt computergestützt Keine Verwendung des Industrieroboters Roboterbewegungen werden am PC getestet

Vorteile:

• Kein Stillstand des Roboters während der Programmierung

• Keine Hinderung der Produktion

Nachteile:

• Kenntnisse einer Programmiersprache notwendig

• Post Processing und Konvertierung von Positionen ist einfacher als die Umstellung der gesamten Programme

• Verwendung von Positionen aus Simulationsumgebung und Programm vom realen Roboter ist möglich, auch wenn Simulation nicht die Steuerungssprache unterstützt

• Die Simulationssystemssprache ist die Sprache, die zur Programmierung des Verhaltens der simulierten Objekte verwendet wird

• Die Simulationssystemssprache kann für alle Objekte gleich sein oder kann sich für verschiedene Objekte oder Objekttypen oder Objektklassen unterscheiden

• Die Simulationssystemssprache ist nicht die Sprache, in der das Simulationssystem implementiert ist!

CHLPL wird für das Simulationssystem genutzt

CHLPL wird von allen Robotersteuerungen genutzt

Probleme: nur Ansätze existieren, keine industrielle Lösung

CIC wird durch Simulationssystem interpretiert

CIC wird von allen Robotersteuerungen interpretiert

CIC kann aus verschiedenen Programmiersprachen erzeugt werden

Probleme: nur Ansätze existieren, keine industrielle Lösung

SSL wird vom Simulationssystem interpretiert

SSL wird "post processed" für die verschiedenen Steuerungen

Probleme: SSL wird von keiner Steuerung verwendet, Befehle können während des Post Processings für einzelne Steuerungen verloren gehen, SSL-Befehlsumfang liegt zwischen Schnitt- und Vereinigungsmenge

• Integriertes System

• Programminterpretation und Bewegungssteuerung mit identischen Komponenten für die Simulation und den realen Roboter

• Die Simulation ist sehr nah an der Realität

• Probleme: Sehr spezifisch für einen einzelnen Roboter- und Steuerungstyp, nur Simulation oder realer Roboterbetrieb zu einem Zeitpunkt

• Keine zusätzliche Sprache für die Simulation notwendig

• Keine Post-Prozessoren zum Download zur Robotersteuerung

• Download und Upload werden unterstützt

• Simulation von Multi-Robotersystemen mit verschiedenen Programmiersprachen möglich

• Probleme: Entwicklung und Pflege von sprachspezifischen Compilern zur Erstellung des Simulation Intermediate Code (SIC), Kenntnis einer oder mehrerer Robotersprachen ist notwendig

• Pick-And-Place Operationen

• Punktschweißen

• Bohren

• Entgraten nach Druckgussverfahren

• Bahn- oder Konturschweißen

• Kleben

• Beschichtung

• Schleifen

• Laserablation

Zeitbasierte Simulation: Zeitkontinuierliche Simulation, Zeitdiskrete Simulation

Diskrete Ereignisorientierte Simulation

• Das System muss vollständig mathematisch beschreibbar sein

• Differentialgleichungen müssen kontinuierlich gelöst werden

• Eingesetzt für Dynamiksimulationen, Mehrkörpersimulationen

• Probleme: hoher Berechnungsaufwand aufgrund vieler Komponenten, Parameter und Gleichungen

• Der Systemzustand wird für diskrete, äquidistante Zeitpunkte berechnet

• Interpolation oder Nichtbetrachtung der Zwischenergebnisse

• Eingesetzt für Bewegungssimulationen

• Probleme: hoher Berechnungsaufwand aufgrund vieler Roboter, Arbeitszellen

• Der Systemzustand wird für bestimmte Zeitpunkte berechnet

• Zeitpunkte werden aus Ereignissen abgeleitet

• Keine detaillierten Kenntnisse über das Verhalten zwischen den Ereignissen notwendig

• Eingesetzt für Logistiksimulationen, Performance und Durchsatz von Produktionslinien

• Probleme: Keine Unterstützung einer zeitkontinuierlichen oder einer diskreten, zeitäquidistanten Visualisierung, Anwendung der diskreten Ereignissimulation basierend auf den Ergebnissen der zeitdiskreten Simulation

• Zeit, die benötigt wird, um die Simulation zu berechnen

• Simulationszeit kann mit Hilfe der Computer-Uhr oder einer Armbanduhr bestimmt werden

• Simulationszeit hängt von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Computersysteme ab Z

• eitintervalle der Simulationszeit beginnen mit t

• Zeitintervall, das in der Simulation betrachtet wird

• Abhängig vom Simulationsmodell und der Anzahl der verschiedenen Schritte und verarbeiteten Simulationszyklen während eines Simulationslaufes

• Zeitintervalle der simulierten Zeit beginnen mit T

• Erhöhung des Interpolationstaktes Tcon

• Reduzierung des Berechnungsaufwands für jeden einzelnen Interpolationszyklus Tcon

• Genauigkeit der Roboterbewegungen ist reduziert

• Mögliche Fehler, bspw. während der Kollisionserkennung

• Mögliche Fehler bei der Sensorsimulation oder Bestimmung von Prozess-Ergebnissen steigen

• grafische Darstellung ändert sich von Zeitlupe zu mehr realistisch / Fast-Forward-Video

Software-Module, die Funktion und Verhalten der verschiedenen Steuerungen nachbilden, Implementierung erfolgt durch die Hersteller der Simulationssysteme

Vorteil: Keine zusätzliche Hard- oder Software notwendig

Nachteil: Risiko von Unterschieden zwischen der Simulation der Steuerungen und den realen Steuerungen, bspw. durch verschiedene Algorithmen für die Roboterbahnplanung

Integration der Original-Steuerungssoftware in die Simulation oder Verbindung zu Software-Modulen des Steuerungsherstellers Virtuelle Steuerungen werden von den Steuerungsherstellern bereitgestellt

Vorteil: Hohe Konsistenz durch Verwendung von Original-Steuerungsprogrammen und Steuerungsalgorithmen

Nachteil: Synchronisation und Datenaustausch zwischen Steuerung und Simulation ist erforderlich

Verbindung von Simulation und realen Steuerungen Basierend auf der realen Steuerungs-Hardware, z.B. für eine Robotersteuerung oder eine SPS

Vorteil: Hohe Konsistenz erreichbar durch Verwendung von Original Steuerungsprogrammen und der Original-Steuerungssoftware und -hardware

Nachteil: Verbindung und Synchronisation des Datenaustausches zwischen den realen Steuerungen und dem Simulationssystem notwendig

Realistic Robotic Simulation

• Erhöhung der Simulationsgenauigkeit

• Nur eine funktionale Schnittstelle für alle Robotersimulationssysteme

• Verbesserung der Roboter Offline-Programmierebene

Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen - u.a. der Simulation und 3D-Visualisierung – die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt.

STANDARD TESSELLATION LANGUAGE (STL): Polygonformat, Facetten zur Approximation von Oberflächen

DRAWING INTERCHANGE FILE (DXF): Austauschformat von Autodesk

INITIAL GRAPHICS EXCHANGE SPECIFICATION (IGES): neutrales Format zum Austausch von CAD-Daten, Geometrie-Entitäten und NICHT- Geometrie-Entitäten

VERBAND DER AUTOMOBILINDUSTRIE (VDA): VDA-FS ist der deutsche Standard zum Austausch von Oberflächen- und Punktbeschreibungen zwischen CAD/CAM- Systemen

STANDARD FOR THE EXCHANGE OF PRODUCT MODEL DATA (STEP): Das übergeordnete Ziel von STEP ist es, den gesamten Lebenszyklus - von der Konzeption bis zur Entsorgung für alle Arten von Produkten abzudecken

• XML basiertes Datenformat

• International standardisiert und ist kostenfrei verfügbar

• Ermöglicht den konsistenten Datenaustausch entlang unterschiedlicher Werkzeugketten

• ermöglicht die Integration der Werkzeugwelt in der Digitalen Fabrik der Zukunft

• Anlagenstruktur

• Anlagenbausteine

• Netzwerke

• Geometrie und Kinematik

• Verhalten

Vorteile: herstellerunabhängigen Austausch von Entwurfsdaten von Produktionssystemen, einfaches Speicherformat für Informationen, kann Geometrien und Kinematiken beschreiben

Nachteile: nur Austausch von Informationen und keine Überprüfung (von Bedingungen, Referenzen, …) möglich, keine automatische Bibliotheksbildung

Herstellerunabhängig: Softwaresysteme unterstützen verschiedene Roboter und Roboterprogrammiersprachen

Herstellerabhängig: Systeme unterstützen nur die Modelle und Programmiersprachen eines Herstellers und werden oft von den Herstellern angeboten

• Ciros Studio

• FAMOS

• EASY-ROB: Robotersimulationssystem, TCP-Verbindung zur Robotersteuerung möglich, Zykluszeitanalyse

• Siemens-PLM: Unterstützung des Zusammenwirkens aller beteiligten Instanzen im Entstehungsprozess eines Produktes, benötigt regelmäßige Pflege

• Tecnomatix EM-WP/ROBCAD: Automatische Bahnplanung, Vollständige Modellierung von Roboter-Arbeitszellen

• DELMIA PLM

• DELMIA V5/V6 IGRIP/ROBOTICS: Grafische Programmierung, Planung von Multi-Roboter Arbeitszellen

• ABB ROBOTSTUDIO: Software für die Offline-Programmierung von ABB-Robotern in der Roboterprogrammiersprache RAPID, erweiterbar über Visual Basic for Applications (VBA), nur für ABB-Roboter

• KUKA-SIM: Software für die Offline-Programmierung von KUKA-Robotern mit KUKA Robot Language (KRL), Add-on Software mit virtueller Steuerung

SSL

RAPID

Zielpose, Geschwindigkeit, Überschleifradius, Werkzeug, Korrekturdaten