Sehende Roboter bearbeiten großen Arbeitsbereich punktgenau
Robotik | 3D-Vision | MatchingDer auf Robotik-Lösungen spezialisierte Automatisierungsspezialist AKEOPLUS hat eine innovative Roboterzelle zur Fertigung von Satellitenpanels beim Luft- und Raumfahrtunternehmen Thales Alenia Space entwickelt. Die Besonderheit: Roboter bringen die Bauteile mit einer sehr hohen Genauigkeit auf einem Arbeitsbereich von 6 mal 3 Meter an. Ermöglicht wird diese Akkuratesse durch industrielle Bildverarbeitung.
Steigerung der Produktivität, Entlastung des Menschen und höhere Qualität, das sind die großen Vorteile der roboterbasierten Automatisierung kombiniert mit Machine Vision. Ein Spezialist für die Umsetzung von robotergestützten Automatisierungslösungen im Zusammenspiel mit Machine Vision ist das französische Unternehmen AKEOPLUS. Das 2006 gegründete Unternehmen aus Château-Gaillard gilt als Pionier auf dem Gebiet der Robotik.
Eine Anlage, die die Stärken der Robotik und industrieller Bildverarbeitung vereint, wurde von AKEOPLUS in Kooperation mit und im Auftrag von Thales Alenia Space entwickelt. Thales Alenia Space ist ein weltweit tätiger Raumfahrtkonzern, der Hightech-Lösungen für verschiedene Bereiche anbietet. Zusammen mit AKEOPLUS entwickelten sie eine Roboterlösung zur Herstellung von Satellitenpanels.
In der Anlage namens „SOLAR“ bringen Roboter optische Solarreflektoren (OSR) auf Satellitenpanels an. Die Aufgabe in der Entwicklung bestand darin, unter Reinraumbedingungen die Roboter zu befähigen, die bis zu 7.000 40 mal 43 Millimeter großen OSR auf dem 6 mal 3 Meter großen Panel mit einer Genauigkeit von unter 0,2 Millimeter anzubringen. Das Verhältnis der Positioniergenauigkeit zur Größe des Arbeitsbereichs stellte eine besondere Herausforderung in der Umsetzung dar. Um die Anforderungen zu erfüllen, setzt AKEOPLUS auf die Machine-Vision-Software MVTec HALCON, die bei Inspektionstätigkeiten und der Ausrichtung der OSR unterstützt.
Entlastung der Mitarbeiter, höhere Produktivität und Steigerung der Qualität dank Automatisierung
OSR werden in der Raumfahrt genutzt, um beispielsweise Satelliten in geostationären Umlaufbahnen vor Hitze zu schützen. Bislang wurden die OSR auf dem Panel rein manuell aufgebracht. Zwei oder mehr Monteure hatten die Aufgabe, die OSR-Bauteile zu positionieren und deren korrekte Ausrichtung sicherzustellen.
„Die Arbeit an den Panels war für die Mitarbeiter aus ergonomischen Gründen nicht ideal. Deshalb haben wir gemeinsam beschlossen, den gesamten Prozess zu automatisieren. Die Roboterzelle wurde entwickelt, um den Prozess zu beschleunigen und die Produktivität zu erhöhen. Unser Kunde kann nun viel schneller produzieren“, erklärt Maxime Motisi, Chief Operating Officer und Projektleiter der SOLAR-Roboterzelle bei AKEOPLUS.
Zwei Roboter arbeiten dank Machine-Vision-Software autonom
Für den neuen automatisierten Produktionsprozess hat AKEOPLUS gemeinsam mit Thales Alenia Space die Roboterzelle SOLAR entwickelt. Darin befinden sich zwei Roboter sowie ein Positioniertisch, auf dem die Satellitenpanels einzeln aufliegen. Für die absolut genaue Führung des 6-Achsen-Roboterarms ist ein Laser-Tracker zuständig, für die industrielle Bildverarbeitung werden hardwareseitig drei hochauflösende 2D-Kameras eingesetzt. Die Bildverarbeitungssoftware HALCON ist für die Qualitätsprüfung des OSR, die Feinpositionierung, das Human-Machine-Interface und die Visualisierung zuständig.
Der Fertigungsprozess läuft wie folgt: Der kleinere und schnellere Roboter legt einen OSR auf eine Vakuum-Hintergrundbeleuchtung unter der ersten Kamerastation. Das aufgenommene Bild wird mithilfe von HALCON auf Bruchstellen und Kratzer untersucht. Außerdem wird mithilfe der Machine-Vision-Methode „Shape-based Matching“ die exakte Position des OSR ermittelt sowie geprüft, ob das Bauteil in Größe und Form auch dem vorgesehenen Modell entspricht.
Der OSR wird mittels Machine Vision ausgerichtet, um ihn mit einer Genauigkeit von rund 0,2 Millimeter zum nächsten Produktionsschritt weiter zu transportieren. Wenn das Bauteil „OK“ ist, wird Klebstoff aufgetragen und vom kleineren der beiden Roboter an einer festgelegten Stelle abgelegt, damit der größere Roboter den OSR für die weitere Bearbeitung greifen kann. Dieser verfährt das Bauteil vor die nächste Bildverarbeitungsstation, wo HALCON das Klebemuster analysiert und prüft, ob der Klebstoff gleichmäßig verteilt ist und ein bestimmtes, vordefiniertes Muster einhält. Anschließend erfolgt die genaue Ausrichtung des OSR am Arm des Roboters an der dritten Kamerastation, indem die Algorithmen von HALCON die räumliche Transformation zwischen den äußeren Kanten des OSR und dem Koordinatensystem des Greifers, der den OSR mit einem Vakuum-Greifsystem hält, bestimmen.
Die Ecken des OSR werden durch die Schnittpunkte der Kanten ermittelt. Daraus abgeleitet lässt sich ein Koordinatensystem mit der Ecke des OSR als Mittelpunkt definieren, das an den Kanten des OSR ausgerichtet ist. Das Koordinatensystem des Effektor-Roboters wurde im Vorfeld durch eine Hand-Augen-Kalibrierung des Roboters bestimmt.
Die Bestimmung der Koordinatensysteme ist aus zwei Gründen wichtig: Zum einen für die 3D-Ausrichtung. Es kann sein, dass der Reflektor am Greifer gekippt ist. Daher werden die Ecken des OSR mit dem Effektor abgeglichen, wobei jede Ecke bekannt ist und somit als Referenzpunkt fungiert. Dadurch können auch minimale Neigungen oder Verschiebungen ausgeglichen werden. Zum anderen dient die Ecke des OSR als Referenzpunkt zum Anbringen auf dem Panel.
Mit Unterstützung des Laser-Trackers und der Bildverarbeitungssoftware HALCON hat AKEOPLUS einen iterativen Rückkopplungsprozess entwickelt. So gelingt es dem Roboter, den OSR mit der geforderten Genauigkeit an der exakten Stelle an dem 18 Quadratmeter großen Panel anzubringen und auch etwaige Ungenauigkeiten auszugleichen.
OSR sub-millimetergenau auf dem Panel ausrichten
„Wir arbeiten schon seit vielen Jahren als Partner mit MVTec zusammen. Daher wussten wir, dass wir mit HALCON die leistungsstarke Machine-Vision-Software haben, die wir für die SOLAR-Roboterzelle benötigen“, erklärt Maxime Motisi.
Mithilfe der in HALCON integrierten Entwicklungsumgebung HDevelop wird eine nahtlose Prozessintegration ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Implementierung war die Geschwindigkeit und die Möglichkeit, schnell leistungsstarke Algorithmen zu entwickeln oder anzupassen, die wiederum leicht in das "Host-System" integriert werden können. Zum anderen bietet eine leistungsstarke Bildverarbeitungssoftware wie HALCON Technologien, um beispielsweise dreidimensionale Lagebestimmungen durchzuführen oder Fehler von Bauteilen zu erkennen. Das subpixelgenaue Shape-based Matching ist dabei eine der wichtigsten Technologien. Im Hinblick auf die Qualitätskontrolle ist neben der Prüfung auf Defekte auch die Bestimmung der Maßhaltigkeit essenziell. Nicht zuletzt ermöglicht die industrielle Bildverarbeitung die subpixelgenaue Vermessung von Kanten entlang von Linien oder Kreissegmenten in weniger als einer Millisekunde.
Fazit: Alle Anforderungen an die Produktion erfüllt
„Mit dem Ergebnis können wir nun sehr zufrieden sein, denn die Anforderungen hinsichtlich Qualität, Produktivität und Entlastung der Mitarbeiter konnten allesamt erreicht werden“, freut sich Maxime Motisi. Konkret bedeutet das, dass nun ein großes Panel von nur noch einem Mitarbeiter in fünf Tagen komplett mit Solarreflektoren eingekleidet werden kann. Zuvor waren ungefähr zwei Mitarbeiter sieben Tage mit einem Panel beschäftigt. Dabei wird eine OEE von >95% erreicht. Außerdem hat sich die Arbeitsumgebung für die Mitarbeiter erheblich verbessert. Zudem wurde ein neuer Qualitätssicherungsprozess erfolgreich eingeführt, nämlich das Prüfen der OSR auf Bruchstellen und Kratzer.
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