Automatisierte Instandhaltung

Instandhaltung mit Robotersystemen

Im Projekt „Automatisierte Instandhaltung“ wird untersucht, wie Robotersysteme autonom einfache Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben durchführen können. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Verfahren zur Manipulationsplanung und -ausführung, die die einzelnen Aktionen auf Grundlage von CAD- und RGBD-Sensordaten zeiteffizient erzeugen.

Beispielanwendungen der automatisierten Instandhaltung: Kühlschmierstoffwechsel an einer Werkzeugmaschine (oben); Instandsetzung eines defekten Pneumatikventils (unten). (Bild: ISW)

In Produktionssystemen spielt die Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit eine entscheidende Rolle und bildet ein wegweisendes Differenzierungsmerkmal im globalen Wettbewerb. Während heutige Produktionsmaschinen und -anlagen bereits oftmals mit Condition Monitoring Systemen ausgestattet sind, wodurch eine automatisierte Diagnose von Fehlerzuständen ermöglicht wird, muss die anschließend notwendige Wartungs- oder Instandsetzungsaufgabe manuell durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass die Kostenintensität des manuellen Instandhaltungsaufwands einen Großteil der Lebenszykluskosten von Produktionssystemen ausmacht. Deshalb untersucht diese Arbeit, wie manuelle Aufgaben durch den Einsatz von Robotersystemen unterstützt werden können. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Manipulationsfähigkeiten, sodass das Robotersystem autonom verschiedene Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben ausführen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wurde eine Steuerungsarchitektur, aufbauend auf dem Robot Operating System (ROS), entwickelt, die sich plattformunabhängig an verschiedene Robotersysteme anbinden lässt. Die Architektur kapselt die einzelnen Funktionsmodule von der Planung bis zur exterozeptiven Regelung (Kraft-Momenten- und bildbasierte Regelung) und lässt sich an das Zielsystem über eine kartesische Geschwindigkeits- oder Positionsschnittstelle anbinden.

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Für die Aufgabenplanung nutzt das Robotersystem sowohl CAD-Daten als auch visuelle Sensordaten aus einem RGBD-Sensor. Durch den Einsatz probabilistischer Fusionsverfahren von CAD- und Vision-Daten, werden a priori Unsicherheiten kompensiert und eine geeignete Repräsentation der Umwelt erreicht. Zur Bestimmung möglicher Demontageräume wird ein neues stichprobenbasiertes Verfahren eingesetzt, welches eine zeiteffiziente Berechnung durch die diskrete Beschreibung zulässt. Auf Basis der vorhandenen Demontageräume erfolgt die Planung mittels einer symbolischen Beschreibung.

Informationsfluss zur Manipulationsplanung und Ausführung. (Bild: ISW)

Die Menge an geplanten Aktionen wird im folgenden Schritt sequenziert, sodass eine zeitlich lokal optimale Ausführung erreicht werden kann. Als Maß werden dabei die Weg- und die Werkzeugwechselkosten für die Ausführung der Aufgaben betrachtet. Neben der Aufgabenplanung müssen die einzelnen Aktionen noch mit einer zugehörigen Bewegungsbahn verknüpft werden, wobei hier gängige globale Bahnplanungsalgorithmen verwendet werden. Zur Verkürzung der Rechenzeit wurde eine Vorverarbeitungsstrategie vorgeschlagen, die auf Basis der Belegtheit der 3D-Umgebungskarte, eine Schrittweitensteuerung erlaubt. Dies ermöglicht eine maßgebliche Reduktion des Planungsraums und führt zu einer Verkürzung der Planungszeit um bis zu 70 Prozent gegenüber dem Stand der Technik. Die aus der Planung generierte Information wird weitergehend in ein Roboterprogramm übersetzt und durch die integrierte Regelung auf dem Zielsystem ausgeführt.

Künftig soll das System auf einer mobilen Plattform mit Navigationslösung integriert und im industriellen Umfeld validiert werden. Durch die Weiterentwicklung dieser Verfahren könnten roboterbasierte Instandhalter ihren menschlichen Kollegen unterstützen und hierdurch maßgeblich zur Attraktivitätssteigerung der Produktion in Hochlohnländern beitragen.

Chr. Friedrich, A. Lechler, A. Verl/as


Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)

Kurz erklärt:
Das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) wurde 1965 unter der Bezeichnung „Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen B“ an der Universität Stuttgart eingerichtet und entwickelte sich in der Folgezeit zu einem der anerkanntesten Forschungsinstitute auf seinem Gebiet. Seit 2005 leitet Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl das Institut, während Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel seit November 2016 als Doppelspitze die Leitung des Instituts verstärkt. Das ISW konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung rechnergeführter Mittel zur Lösung von Automatisierungsaufgaben. Die themenbezogene Gliederung des ISW ergibt acht Forschungsschwerpunkte, u. a. Antriebssteuerung, Kommunikation und Simulation. www.isw.uni-stuttgart.de


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.

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