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"Verfahren zur Autumatisierung von technischen Produktionsabläufen"
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Die Erfindung @etrifft ein Verfahren zur Automatisierung von technischen
Produktionsabläufen unterVerwendung von cinem oder mehreren optoclcktronischen Bildsensoren,
insbesondere @on mchreren Bildsensoren für einen Produktionsablauf, Einrichtungen
zur optoelektronischen Bildauswertung und von diesen Einrichtungen gesteuertem Stellgliedern,
Bei kleineren und mittleren Betricben der Metallverarbeitung stellt sich zwecks
Humanisierung der Arbeitsplätze die Aufgabe, trotz geringer Taktzeiten von Maschinen,
z.B. der spanabhebenden Verformung, den erhöhten Bedarf an Rohlingen und vorbearbeitcten
Werkstücken sowie den hohen Anfall der vom Workzeugautomaten bearbeiteten Werkstücke
oder vormontierten Teile ohne große körperliche Beanspruchung einer Bedienungsperson
zu bewältigen, d. h. eigene manuelle Eingriffe weitgehend durch einem Automaten,
der lcdiglich überwacht werden soll, ausführen zu lassen.
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Eine typische Aufgabe, die noch auf die volle Automatisierung wartet,
besteht darin, daß Werkstijckrohlinge von Unterlieferanten in großen Palettenbchältern
ungeordnet und (evil. auch unsortiert) angeliefert werden
und daß
diese Werkstückrohlinge automatisch einer CNC-Werkzeugmaschine zugefiihrt werden
sollen. Bearbeitete Werkstjjcke sollen ferner mehr oder weniger geordnet in anderen
Bchältern wieder abgelegt werden.
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Das Beschicken von Werkzeuginaschinen kann bisher mit hilfe sogenannter
"Lader" @eschehen. in die man zuvor eine gräßere Menge Rohlinge manuell geordnet
einlegen muß. Das Grei fen und Bewegen derart geordneter Werkstijcke ist mit Hilfe
von sogenannten 'Manipulatoren" (Stellgliedern) mehr oder weniger zufriedenstellend
gelfist. Die Steuerung solcher Vorgänge ist mit Hilfe der CNC- und DNC-Werkzeugmaschinen
ebenfalls grundsätzlich gelöst.
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Soll jedoch ein Manipulator aus einer ungeordneten Menge von Rohlingen
einen herausnehmen, muß er die Augen und die Intelligenz des Menschen nach bilden.
Als Augen verwendet man seit langem Fernseh-Kameras in industrieller Ausgestaltung.
Welche Schliisse aus dem Fernsehbild gezogen werden müssen oder können, ist der
nachgeschalteten Intelligenz eines Meßsystems überlassen.
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Ein Verfahren zur Automatisierung von technischen Produktionsabläufen
läßt sich (bei dem vorgenannten ersten Beispiel) in folgende Schritte unterteilen:
1. Werkstücke mittels magnetischem oder saugenden Stellglied erfassen und damit
vereinzeln.
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2. Werkstücke grob orientieren und dadurch für eine Erkennung vorbereiten
(das kann auch schon durch eine vororientiorte Anlieferung im Behälter oder durch
eine Schütte bzw. ein Fließband geschehen sein).
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3. Optoelektronisches Erkennen eines Werkstückes und seiner Lage.
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4. Aussortieren defekter oder falsch sortierter Werkstücke.
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5. Werkstücke feinorientieren.
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6. Werkstücke mit Hilfe eines Stellgliedes einem Lader oder direkt
der Otaschine zur Bearbeitung angeben.
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7. Ablegen eines bearbeiteten Werkstückes auf einer Versandpalette,
b)
mit Lagesteucrung des Manipulators, c) mit opt@cl@@tronischer Ablag@@ontr@lle.
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In einem zwciten Beispiel sollen in einer Fertigungsstraße der KFZ-Industrie
die Radfelgen automatisch auf die Naben derFahrzeugaobsen aufge-@etzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe Zugrunde, ein ferfahren zur Automatisiemmg
von technischen Produktionsabläufen vorzuschlagen, mit dem eine weitgehend automatische
Durchführung des Produktionsablanfes ohne manuelle Eingriffe eines oder mchrerer
Bedienungspersonen ermöglicht wird.
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Dic Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den Bildsensoren
erfaßten Sensorbilder in mehr als zwei Grauwertstufen digital qttatttisicrt werden
und daß digitale Grauwertmerkmale in der durch die Produktionsabläufe vorgegchenen
Taktzeit verarbeitet werden.
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In einer Ausgestaltung derErfindung wird vorgeschlagen, daß mittels
digitalekr Bildverarbeitung die Grauwertstruktur (typische Ansicht) eines technischem
Objektes erlernt, gespeichert, im laufe eines Produktionsablaufes wiedererkannt
uttil die Lage des Objektes zum Zwecke einer Grob-und/oder Feinstausrichtung vermessen
wird. Bei dieser Ausgestaltung werden vom Objekt typische Ansichten abgespeichert.
Sie Iäßt sich vorteilhaft fiir einc atitomatische Handhabung von Werkstücken, insbesondere
von Rohlingen, für eine automatische Montage, für Sortieraufgaben, vorzugsweise
bei einer Endkontrolle, und für eine Präzisionsfertigung verwenden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen,
daß mittels digitaler Bildverarbeitung die Grauwertstrukturen von mehreren Momentaufnahmen
eines technischen Produktionsablaufes (Bildfolgen) erlernt, gespeichert, im laufe
des Produktionsablaufes wiedererkannt und die reale Lage der Objekte relativ zur
Lage in den Momentaufnahmen zum Zwecke einer Grob- und/oder Feinstausrichtung vermessen
werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft bei Bahnsteuerungsanlagen
verwendbar, insbesondere wenn es sich um Werkstück- und/oder Werkzeug-Manipulationen
in agressiven radioaktiven oder hochtemperierten Arbeitsprozessen handelt.
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hierbei ist es oft von großer Bedeutung, eine sehr genaue Positionierung
der
Werkstücke an einem bestimmten Punkt zu kontrollieren. Gegebenenfalls können hierbei
auch Wärmebildsensoren Anwendang finden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
4 bis 8 besellriehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt,
und zwar wird ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des orfindungsgemäßen
Verfahrens gezeigt.
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In figur 1 ist mit 1 eine als optoelektronischer Sensor wirkende Fernsehkamera
bezeichnet, die von einem Werkstück 2, beispielsweise einem Rohling, ein Sensorbild
erzeugt. Das Sensorbild wird einer Einrichtung zur Istlabeerfassung 1 zugefährt,
die zusammen mit einer Einrichtung zur Sollagevor nabe 5 und einer Einrichtung zum
Soll Istwertvergleich 6 eine Einrichtung zur Bildverarbeitung 3 bildet. Nach Durchführung
eines Soll-Istwertvergleiches gibt die Einrichtung 6 ein Stellsignal an ein Stellglied
7 ab, beispielsweise einen mehrdimensionalen (mehrfingrigen) Manipulator, der das
Werkstiick 2 mit einer Greifvorrichtung 8 umfaßt und entsprechend dem Stellsignal
in eine gewünschte Lage dreht und/oder in eine gewünschte Richtung bewegt.
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Die Einrichtung zur flillverarbeitung 3 fiihrt eine digitale Quantisierung
des von der Fernsehkamera 1 erfaßten Sensorbildes in mehr als zwei Grauwertstufen
durch und verarbeitet die digitalen Grauwertmerkmale in der durch die Produktionsabläufe
vorgegebenen Taktzeit. Als digitaleGrauwertmerkmale kann die Grauwertverteilung
selbst verwendet werden, wobei der Bildvergleich flächenhaft oder bildpunktweise
durchgeführt werden kann. Auch ist es möglich, aus den Grauwertmerkmalen abgeleitete
geometrische Merlunale zu verwenden.
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Mittels der digitalen Bildverarbeitullg wird die Grauwertstruktur
des Werkstückes 2 erlernt, gespeichert, im Laufe eines Produktionsablaufes wiedererkannt
und die Lage des Werkstückes 2 zum Zwecke einer Grob- und/oder Feinstausrichtung
vermessen. hierzu ist es erforderlich, daß das Sensorbild des Werkstückes 2 der
Einrichtung zur Sollagevorgabe 5 über einen vorge schienen Speichereingang 9 zugeführt
wird. hierbei ist es zweclmäßig, das dem Sollwert entsprechende Sensorbild ebenfalls
mit IIilre der Fernsehkamera 1 zu erzeugen
Wird über den Speichereingang
9 der Einrichtung zur Sollagevorrichtung cin Bewegungsablauf, beispielsweise durch
einen Videofilm, cingegeben, so kann die Einrichtung zur Bildverarbeitung 3 die
Grauwertstrukturen von Momentaufnabmen eines tochaischen Produktionsablaufes erlernen,
speichern, im Laufe des Produktionsablaufes wiedercrkennen und die reale Lage der
Objekte relativ zur Lage in den Momentaufnahmen zum Zmecke ciner Grob- und/ oder
Feinstausrichtung vormessen. Auf diese Weise wird Bild für Bild eine gewünschte
Bewegung des Werkstückes 2 erzwungen.
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Sollen einem Werkzeugautomaten verschiedene Werkstücke, die auf verschiedenen
Wereneingangspaletten angeordnet sind, zu verschiedenen vorgegebenen Zeitpunkten
zugeführt werden, so läßt sich eine Automatisierung eines Produktionsablaufes durch
eine Rcihe von TV-Kameras erreichen, die die verschiedenen Wareneingangspaletten
betrachten. Ein dann vorherschbarer zentraler Bildverarbeitungsrechner kontrolliert
zunächst nacheinander alle Paletten, ob die jeweilige Füllung wie erwartet angcliefert
wurde. Da für jeden Bauteiltyp cine ganz bestimmte Textur oder andere optische Millungsmcrkmale
typisch sind, kann angcgel>en werden, daß und wo ein Stel lgl icd mit t Greifvorrichtung
ein Bauteil entnchmen kann.
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Es lassen sich folgende Verfahronsschritte Unterscheiden: 1. Die groborientierten
Teile werden ggf. vor einem hellen Hintergrund einer zweiten TV-Kamera (oder mehreren
Kameras) vorgeführt.
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2. Das Werkstück wird durch dem Bildverarbeitungsrechner mit hilfe
anderer, werkstückspezifischer und zuvor programmierter Kriterien erkannt und es
wird seine genaue Lage festgestellt. Dabei bietet sich bei sehr komplexen Bauteilen
das Erkennen mittels Bild-Korrelation an. Ilierbei könnte das Bild oder verschiedene
Ansichten eines Werkstückes zuvor über die TV-Kamera in den Bildverarbeitungsrechner
eingespeichert werden. In einfacheren Fällen, z. B. bei Rotationssymmetrie oder
Spiegelsymmetrie, würden einfachere Meßverfahren und Merkmale herangezogen werden
können.
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Allen Verfahren gemeinsam ist die Möglichkeit, nach dem Erkennen eines
Bauteiles ein Berechnen seiner Lage zu ermbglichen. Daraus leitet sich eine Steuergröße
ab, die das Werkstück feinzuoriemtieren gestattet.
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4. Bei umgekehrten Vorgehen wird das Werkstück z. B. so lange gedreht
oder manipuliert, bis es erkannt wird und seine gewollte Lage erreicht hat.
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3. Bei einem weitergehenden Verfahren ist auch das Ablegen fertiger
Werkstücke optoelektronisch kontrollierbar. Das Sollbild eines solchen Werkstückes
kann in den Bild"'erarbeitungsreelrner eingespeichert werden. Dann wird das abzulegende
Bauteil optisch auf grobe Fehler kontrolliert und an einer Stelle neben einem bereits
als belegt erkannten Platz abgesetzt.
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6. Durch den Einsatz mehrerer TV=Kameras können praktisch gleichzeitig
mehrere solche Iaterialentnallmestellen und -abgabestellen durch einen zentralen
Bildverarbeitungsrechner verwaltet werden Dabei muß dieser Rechner aus einem online-Prozeßrechner,
einem zentralen Bildspeicher, einem oder mehreren eigentlichen Bildverarbeitungsrechnern
und einer offline Programmiereinheit bestehen.
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7. In einem vom Menschen über Auge, Gehirn und Stand geschlossenen
Regelkreis (bio-fecdback) kontrollieren Auge und Gehirn ständig die manuellen Vorgänge.
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Die konsequente Wiederentwicklung führt zu einem über optoelektronische
Einrichtungen geschlossenen Positionierungs-(Manipulator-) Regelkreis.