Modulare Baureihe

<p>Die neue Positionsschalter-Baureihe von Schmersal besteht aus Modulen, die sich frei kombinieren lassen.

Soll-Abweichungen bei der Montage von Türen und Motorhauben sind im automatisierten Karosseriebau allein schon durch Formfehler der Karosserieteile und Positionierfehler unvermeidlich. Ein Projekt der FH Gießen-Friedberg hatte jetzt zum Ziel, eine kontinuierliche, berührungslose Vermessung der Karosseriespalten zu realisieren.

Die neue Positionsschalter-Baureihe von Schmersal besteht aus Modulen, die sich frei kombinieren lassen. Der Baukasten umfasst sechs verschiedene Grundkörper in drei verschiedenen Abmessungen, jeweils aus Kunststoff und Metall, und mehr als 20 Betätiger sowie diverse Kontaktvarianten. Die normgerechten Befestigungsmaße der Schalter nach EN 50041 und 50047 ermöglichen die Integration in bestehende Konstruktionen. Somit lassen sich die Schalter auch in bestehende Maschinenbaureihen installieren beziehungsweise nachrüsten. Über den Bajonettverschluss können die um 4×90° drehbaren Betätiger vor Ort ohne Werkzeug montiert respektive gedreht werden. Bei den Kontaktvarianten hat der Anwender unter anderem die Wahl zwischen Sprungund Schleichschaltung, Rastung, Staffelung und Überdeckung. Künftig soll es auch Ausführungen mit integrierter LED, mit M12- oder M23-Anschluss anstatt der Standard-M20-Kabeleinführung sowie mit integrierter ASi-SaW-Schnittstelle geben.

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Um Karosseriespalten vermessen zu können, die bei roboterbasierter Montage entstehen, haben  die Automobilhersteller verschiedene Messgrößen festgelegt. Die beiden wichtigsten sind die Breite des Spaltes (Gap) und der Versatz der Ebenen auf beiden Seiten des Spaltes (Flush). Um Gap und Flush korrekt zu bestimmen, ist es nötig, die Rundung der Bleche ein Stück weit in den Spalt hinein zu vermessen. Diese Aufgabe übernehmen spezielle Doppel- Lichtschnittsensoren, die den Spalt mit sich kreuzenden Achsen messen.

Aber: Ein solcher Doppel-Lichtschnittsensor kann den Spalt nur dann optimal ausmessen, wenn er im richtigen Winkel und Abstand über den Spalt geführt wird. Zweckmäßigerweise wird deshalb der Lichtschnittsensor als Werkzeug an einem Industrieroboter montiert. Da allerdings die Messung auch bei einem unbekannten Spalt im ersten Messdurchgang funktionieren soll, kommt ein Einlernen des Messpfades in die Robotersteuerung nicht in Frage.

Dieses Problems einen Doppel- Lichtschnittsensor automatisch mit einem Roboter auf einer optimalen Bahn und in optimaler Ausrichtung berührungslos über einen unbekannten, beliebig im Raum gekrümmten Spalt zu führen hat sich ein von der HA Hessen Agentur gefördertes Entwicklungsprojekt an der Fachhochschule Gießen-Friedberg angenommen.

Der erste Schritt zur Lösung ist die Vermessung von Position und Verlaufrichtung des Spaltes bereits vor der eigentlichen Messung. Diese Vormessung muss nicht die Genauigkeit des Lichtschnittsensors erreichen, aber für eine korrekte Bahnberechnung genügen. Ist das durch die Vormessung ermittelte Pfadsegment abgefahren, ist der nächste Abschnitt vorab zu vermessen und ebenfalls abzufahren. So wird mit diesen zur Laufzeit erzeugten, dynamischen Pfadsegmenten abschnittsweise der ganze Spalt abgefahren. Durch die zyklisch erfolgende Vormessung lassen sich eventuell auftretende kleine Abweichungen, einem Regelkreis ähnlich, immer wieder korrigieren. Allerdings dürfen hierbei die Sicherheitsaspekte nicht vergessen werden, insofern als bei einer mathematisch berechneten Bahn grundsätzlich die Gefahr einer Kollision des Roboterarmes mit dem Messobjekt besteht, beispielsweise nach einer Fehlmessung oder durch einen unentdeckten Programmfehler. Demzufolge ist es unerlässlich, das erzeugte Bahnsegment mit einem Umgebungsmodell zu vergleichen und auf Kollisionen zu überprüfen.

Das Entwicklungsziel des Projektes umfasst somit die Durchführung folgender Schritte in Echtzeit:

  • Vorabmessung von Position und Ausrichtung des unbekannten Spaltes mit optischen Mitteln.
  • Berechnung des nächsten Abschnittes des optimalen Messpfades mit der jeweils besten Ausrichtung für den Lichtschnitt-Doppelsensor.
  • Kollisionsprüfung für das berechnete Pfadsegment.
  • Übermittlung dieses Pfadsegmentes an die Robotersteuerung und Ausführen der eigentlichen Messung  mit dem Lichtschnitt- Doppelsensor.
  • Erneuter Start der Projektschritte, bis der Pfad geschlossen und der gesamte Spalt ausgemessen ist.

Für die praktischen Tests stand im Robotiklabor der FH Gießen-Friedberg ein 6-achsiger ABB-Roboter sowie ein Lichtschnitt- Doppelsensor der Firma 3D-Alliance zur Verfügung.

Vorabmessung unverzichtbar

Für die Vorvermessung wurde die Methode der Photogrammetrie gewählt, bei der aus den beiden 2D-Kamerabildern einer Stereokamera ein räumliches Abbild der Oberfläche errechnet wird. Beide Hälften des Lichtschnitt-Doppelsensors enthalten jeweils eine Lasereinheit und eine Kamera. Diese Kameras dienen im Projekt als Stereokamera zur photogrammetrischen Vorvermessung, um sowohl die Kosten als auch die Komplexität der Lösung niedrig halten zu können. Im praktischen Betrieb ist ein Hin- und Herschalten zwischen Lichtschnitt-Messung und photogrammetrischer Vormessung möglich.

Die für die photogrammetrische Methode in beiden 2D-Bildern erforderlichen klar erkennbaren Spaltkanten werden aus dem Schattenabriss gewonnen. Hierzu ist eine Beleuchtungseinheit im Einsatz, die mit einer Reihe roter Leuchtdioden beiderseits der Spaltkante arbeitet. Durch die Streckung der Lichtquelle wird die Spaltregion homogen ausgeleuchtet. Durch den flachen Lichteinfall gelangt wenig Licht in das Spaltinnere. Zur zusätzlichen Unterdrückung von Störlicht besitzen die Kameras Interferenzfilter mit einem Durchlassband im Bereich der Laser. Da die Leuchtdioden in diesem Durchlassband emittieren, wird auch die photogrammetrische Messung weniger von Störlicht beeinträchtigt.

Die Benutzung der beiden geometrisch nächstliegenden Punkt der Gegenkante hat einen großen Vorteil: Dieser einfache Algorithmus führt dazu, dass auch an einer Verzweigung automatisch die richtigen Messpunkte benutzt werden, da die Messpunkte des nicht weiter verfolgten Zweiges zu weit von der Führungskante entfernt sind. Eine gesonderte Erkennung und Behandlung von Verzweigungen ist somit obsolet.

Messtechnisch bedingt sind die Spaltkanten-Messungen etwas verrauscht, was sich insbesondere in der Höhenlage der
Kantenpunkte bemerkbar macht. Dies führt zu einem etwas um die Spaltlängsachse rotierenden Messkopf. Für die Beseitigung dieser unerwünschten Bewegung gibt es zwei Ansatzpunkte: Eine Glättung der beiden Messpunktketten und eine Mittelwertbildung bei den in den Spalt eingepassten Dreiecken. Im praktischen Versuch zeigte sich, dass die zweite Methode allein bereits ausreicht. Daher wurde ein gleitender Mittelwertfilter eingebaut, der die Spaltenmittenvektoren in einem mitbewegten Fenster über eine einstellbare Anzahl der letzten Dreiecke mittelt. Bewährt hat sich eine Mittelung über die letzten fünf Spaltdreiecke.

Im Anschluss an die Mittelung wird ein Bahnsegment erstellt, das den TCP gerade durch die Spaltmitte führt. Bei der nachfolgenden Kollisionsprüfung wird dieses Bahnsegment zwei Prüfungen unterzogen:

Prüfung, ob die berechnete Zielposition in Länge oder Richtung stark von der letzten Zielposition abweicht; für alle Abweichungen sind Grenzwerte definiert.

Prüfung, ob der Zielpunkt nicht zu weit unterhalb der Spaltebene liegt; hier wird der Absolutwert der z Koordinate benutzt.

Ist eine Kollision nach diesen Kriterien ausgeschlossen, wird der Zielpunkt des Bahnsegmentes über eine Protokoll-gesicherte Datenverbindung an die Robotersteuerung übermittelt und dort als gleichmäßig durchfahrenes gerades Bahnstück ausgeführt (Lineare Continous-Path-Bewegung). Während dieser Bewegung kann der Lichtschnitt-Doppelsensor messen. Anschließend erfolgt wieder eine photogrammetrische Messung, der Zyklus beginnt von vorn. So arbeitet sich der Messkopf sukzessive zum Ziel vor. Stellt der Spalt eine geschlossene Kurve dar, erreicht der Messkopf wieder den Startpunkt. In diesem Fall ist nicht nur zu berücksichtigen, dass die Reichweite des Roboterarmes ausreichend dimensioniert sein muss, sondern auch, dass der Messkopf sich dabei um 360 dreht.

Mögliche Weiterentwicklungen der Methode hätten eine kontinuierliche Bewegung ohne die derzeit stattfindenden Zwischenstopps zum Ziel. Außerdem könnte die Länge der Bahnsegmente und der Abstand der Messpunkte adaptiv an die Krümmung des Spaltes angepasst werden; bei kleinem Kurvenradius würden die Bahnsegmente kürzer und der Abstand der Messpunkte kleiner. Damit ließen sich Kurvenstücke besser vermessen: Das Bahnsegment wäre dann ein Kreissegment, der Roboter würde einen zirkularen Continuous- Path-Bewegungsbefehl erhalten. im

Michael Kreutzer
ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FH Gießen-Friedberg.
Dr. Klaus Rinn
ist Professor an der Fachhochschule Gießen-Friedberg.
Dr. Klaus Wüst
ist Professor an der Fachhochschule Gießen-Friedberg

Weil es bei einer konturreichen Oberfläche mehrere Schattenabrisse geben kann, sind weitere Maßnahmen zur zuverlässigen Erkennung der Spaltkanten erforderlich, die eine vollständig objektorientiert aufgebaute Software auffängt:

Unerwünschte Artefakte, die durch Störungen im Bild wie Reflexionen oder Fremdstrukturen hervorgerufen werden (zum Beispiel Schraubenlöcher oder Griffmulden), müssen vollkommen unterdrückt werden. Hierfür erfolgt zunächst eine Segmentierung der Kamerabilder, die die Bildpixel den Gruppen Objektpixel oder Hintergrundpixel zuordnet. Gefundene Objektpixel werden per Zusammenhangsanalyse konkreten Objekten im Bild zugewiesen. 

Muster-Erkennungs-Algorithmen analysieren anschließend die konkreten Objekte und ordnen sie entweder der Klasse Karosseriespalt zu oder verwerfen sie als ein Objekt der Klasse Bildstörung. Um eine sichere Zuordnung zu einer der beiden Klassen zu ermöglichen, wird eine Vielzahl von Objekt-Eigenschaften analysiert. Beispielsweise eignet sich die Rundheit eines Objektes zur Unterscheidung eines länglichen Spaltes von einer Bohrung in der Karosserie.

Nach Abschluss der Bildvorverarbeitung liegen von allen Störeinflüssen befreite Teilbilder eines Stereobildes vor. Die Kanten des Spaltes sind nun auf nur noch ein Pixel breite, exakte Linien reduziert; sie sind die Basis für die photogrammetrische Analyse und die Ermittlung des Spaltverlaufs im dreidimensionalen Raum.

Vor der eigentlichen Messung werden die Abbildungseigenschaften der Kameras im Rahmen einer Kalibrierung durch die wiederholte Aufnahme eines Kalibrier- Artefaktes und anschließend angewandte mathematische Ausgleichsverfahren bestimmt. Die Genauigkeit dieser Kalibrierung liegt im Subpixelbereich.

Nun lässt sich jeder auf dem Kamerachip erfasste Bildpunkt einer so genannten Sichtlinie (Epipolare) im Raum zuordnen. Durch eine Berechnung der Kreuzungspunkte der Sichtlinien der ersten und zweiten Kamera des Stereokamerasystems im Bereich der Spaltkanten sind diese im Computer dreidimensional rekonstruierbar.

Die Bahn des Sensors

Nachdem die Stereokamera die zu verfolgenden Kanten beidseits des Spaltes mittels photogrammetrischer Auswertung gefunden hat, wird die große Menge der gewonnen Kantenpunkte zu zwei Ketten von Kantenpunkten ausgedünnt, die Abstände von einigen Millimetern haben. Der Abstand der Kantenpunkte ist als Systemparameter einstellbar und an die speziellen Eigenheiten des Objektes anpassbar. Resultat sind zwei Ketten von Messpunkten, von denen jeder durch x-, y- und z-Koordinaten, die im Koordinatensystem der Stereokamera gemessen wurde, beschrieben wird. Aufgrund der zuvor erfolgten Kalibrierung ist die Lage der Stereokamera relativ zum Handflansch des Roboters bekannt.

Für die Messung mit dem Lichtschnitt- Doppelsensor ist ein in der Robotik übliches Tool-Center-Point-Koordinatensystem (TCP) definiert: Es beschreibt die optimale Lage und Orientierung des Objektes für den Lichtschnitt-Doppelsensor. Wenn also die Mitte des Spaltes sich exakt im TCP befindet und das TCP Koordinatensystem mit dem Spalt ausgerichtet ist, liefert die Lichtschnitt-Messung die besten Ergebnisse für Gap and Flush.

Die beiden Messpunktketten sind die Basis für die Bahnberechnung. Eine der beiden Seiten wird zur Führungskante erklärt bei einer geschlossenen Bahn ist dies immer die innen liegende, da diese Kante auch bei Abzweigungen unterbrechungsfrei verläuft. Eine solche Abzweigung liegt beispielsweise an der B-Säule vor, bei der der Spalt zwischen der vorderen und der hinteren Tür in den Dachspalt einmündet. Wenn die Messung immer an der inneren Kante weitergeführt wird, folgt sie der Tür, an der begonnen wurde. Die Vorgabe einer Startrichtung sorgt dafür, dass eine Tür im Uhrzeigersinn oder aber im Gegenuhrzeigersinn umrundet wird.

Das weitere Vorgehen sieht folgendermaßen aus: Nach der Auswahl eines Startpunktes auf der Führungskante sind die beiden geometrisch nächstliegenden Punkte auf der gegenüberliegenden Kante (Außenkante) zu ermitteln. Diese drei Punkte bilden nun ein im Spalt liegendes Dreieck, das die Position und Orientierung des Spaltes beschreibt. Hieraus wird ein in Spaltrichtung verlaufender mittiger Vektor konstruiert. Da aus den Messpunktketten mehrere solcher Dreiecke gewonnen werden, liegen auch mehrere dieser in der Spaltmitte liegenden Richtungsvektoren vor. Die Bahnplanung für den Roboter wird nun so durchgeführt, dass der TCP an diesem Spaltmitten-Vektor entlang geführt wird und die y-Achse des TCP-Koordinatensystems in Bewegungsrichtung weist.