Inbetriebnahme eines vier-achsigen Hochgeschwindigkeits-Delta Roboter zur Sortierung von Objekten

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Autor: René Katz, Leon Brölemann

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Das Praktikum Produktionstechnik im Rahmen des Studiengangs Mechatronik 7. Semester legt den Fokus auf die praktische Automatisierungstechnik. Übergeordnetes Ziel ist ein tiefgreifendes Verständnis über die Elemente produktionstechnischer Anlagen und deren Vernetzung. Hierfür wurde unser Kurs in sieben Gruppen aufgeteilt, die jeweils individuelle, aktuelle und innovative Projekte zugeteilt bekommen haben. Das praxisnahe Arbeiten in Teams deckt dabei nicht nur Lernfortschritte in dem Arbeiten mit mechatronischen Systemen, sondern auch die Organisationsfähigkeit innerhalb von Teams. Abschließende Ergebnispräsentationen sorgen für einen ganzheitlichen Abschluss der Projekte.

Das in der Überschrift und im nachfolgenden Artikel beschriebene Projekt wurde während des Wintersemesters 2020/2021 durchgeführt.

Projekt

Der Adept Quattro Picker Roboter 650H ist ein Hochgeschwindigkeits-Parallelroboter, der ideal für den Einsatz in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Pharma- und Verpackungsindustrie ist. Quattro ist ein vierachsiger Roboter mit hoher Traglast, der sich durch hohe Geschwindigkeit und Präzision auszeichnet. Aufgrund von Erneuerungsmaßnahmen der Produktionslinie innerhalb der Kuchenmeister GmbH, wurde ein Quattro Picker Roboter an die Hochschule Hamm-Lippstadt gespendet. Der Roboter wurde vollständig zerlegt, ohne Gehäuse und teilweise mit beschädigten bzw. fehlenden Bauteilen an die Hochschule gesendet.

Hauptaufgabe dieses Projektes ist die Inbetriebnahme des Quattro-Roboters. Hierzu kann die Hauptaufgabe in folgende Teilaspekte gegliedert werden:

• Mechanischer Aufbau

• Elektrischer Aufbau

• Programmierung

Nach Abschluss des Projektes soll der Roboter in der Lage sein, mithilfe eines Kamerasystems die Objekte auf einem bewegten Förderband zu erkennen und die Position zu identifizieren. Anschließend wird der Roboterarm mit den vier integrierten Servomotoren präzise zur Position des Objektes bewegt und dann mithilfe eines Vakuumsauggreifers aufgenommen. Danach soll das aufgenommene Objekte an eine definierte Position befördert werden. Der Quattro-Roboter soll abschließend in das Projekt Modulares mechatronisches Produktionssystem (MPS) zur Fertigung eines Pneumatikzylinders integriert werden.

Vorgehen nach V-Modell

V-Modell

Bei der Planung und Durchführung des Projektes wurde das V-Model angewendet.

Zur Durchführung dieses Projektes wurde hier das Vorgehensmodell des V-Modells (V = Validation & Verifikation) in Absprache mit dem Betreuer „Göbel“ gewählt. Um eine durchgängige Gegenüberstellung von Validation und Verifikation in der Entwicklung zu gewährleisten, ist diese Vorgehensweise gewählt worden. Anhand der Struktur des V-Modells wird sich nun auch dieser Wikipedia Artikel orientieren, der nach Fertigstellung einen ganzheitlichen Blick auf den Entwicklungsprozess aber auch mit dem Ausblick auf das adaptive Potenzial dieser Anlage geben soll.

• Validation: Machen wir die richtige Arbeit?

• Verifikation: Machen wir die Arbeit richtig?

Anforderungdefinition

In der Phase der Anforderungsdefinition haben wir alle Anforderungen an das System zusammengetragen. Diese Phase dient der Findung aller Funktionen, die das System später erfüllen muss und des besseren Verständnisses für das Themenumfeld. Die Erkenntnisse wer-den dokumentiert und das Resultat der Anforderungsdefinition stellt für uns die Einkaufsliste dar. In diesem Dokument stehen die Anforderungen an das Verhalten des Systems und an die Nutzerinteraktion. Die Anforderungsdefinition dient als Grundlage, um sowohl die zu erbringende Leistung festzuhalten sowie als Roadmap zum Ziel des Projektes. Alle weiteren Entwicklungsschritte bauen auf der Anforderungsdefinition auf.

Aufgaben

• Funktionsweise des Systems definieren -> Anforderungen definieren
• Dokumente sichten und ordnen
• Bestandsaufnahme der vorhandenen Bauteile
• Funktionsfähigkeit der vorhandenen Bauteile testen
• Fehlende Bauteile, zur Erreichung der Anforderungen identifizieren
• Fehlende Bauteile in die Einkaufsliste einpflegen
• Dokumentation der Ergebnisse

Vorgehen

Als initialer Ausgangspunkt dient hier das Zielverhalten des Systems. Mithilfe der Praktikumsaufgabe und den Betreuern haben wir das präzise Verhalten des Roboters festgelegt. Darauf aufbauend haben wir dann die vorhandenen Dokumente, Schaltplan und Technische Zeichnung vom Aufbau, gesichtet und geordnet. Anschließend wurde eine Bestandsaufnahme und ein Funktionstest der vorhandenen Bauteile durchgeführt. Die Realisierbarkeit der Anforderungen an das Zielverhalten des Roboters wurde dann mit den vorhandenen Bauelementen gegenübergestellt. Das Resultat daraus waren die fehlenden Bauteile, die dann in der Einkaufsliste eingepflegt wurden. Eine kontinuierliche Dokumentation der Ergebnisse wurde parallel durchgeführt.

Hindernisse/Probleme

• Es musste viel Rücksprache mit den Betreuern getroffen werden, um die Anforderungsdefinition finalisieren zu können.
• Die ganzheitliche Identifikation der fehlenden Bauteile stellte sich zu dem Projektstatus als sehr schwer heraus.
  • Lösung: Die essenziellen Bauteile konnten ganzheitlich erfasst werden, allerdings waren Kabellängen und Kanallängen von Anfang an nicht absehbar. Die Teile waren aber im Lager der Hochschule vorhanden, weshalb das Problem obsolet wurde.

Ergebnis

Anforderungsdefinition

Der Delta Picker Roboter muss die abgebildeten Beispielelemente auf dem einem fahrenden Förderband mithilfe eines Kamerasystems automatisch erkennen, pneumatisch aufnehmen und an einem bestimmten Ort wieder ablegen. Das System soll über ein mobiles Panel steuerbar sein.

Anforderungsdefinition zum Delta Picker Roboter

Die Datei finden Sie im SVN: Anforderungsdefinition

Einkaufsliste

Einkaufsliste zum Delta Picker Roboter

Die Datei finden Sie im SVN: Einkaufsliste aller Projekte

(Die Anforderungsdefinition besteht hier aus der Erfassung, Dokumentation und Überprüfung von Anforderungen, die zur Realisierung des Projektes nötig sind.

Link zum SVN: Anforderungsdefinition)

Funktionaler Systementwurf

Aufgaben

Während des funktionalen Systementwurfs wird die Architektur des Systems entwickelt und so das Systemin mehrere Module aufgeteilt. Die einzelnen Module werden kurz beschrieben und ihre Funktionalität erläutert. Zudem werden Schnittstellen und Abhängigkeiten zwischen den Modulen definiert.

Vorgehen

Als erstes wurde der Adept Smart Controller als Mittelpunkt des Systems definiert. Alle Komponenten, welche mit diesem kommunizieren, wurden graphisch mit diesem verbunden. Auch eine Kommunikation der verschiedenen Komponenten untereinander wurde dargestellt.

Hindernisse/Probleme

Welche Komponenten wie mit anderen Komponenten kommunizieren musste zuvor nach der Literatur entnommen werden und war nicht instinktiv ersichtlich. Die Funktion der einzelnen Komponenten wurde zum Start der Anfertigung noch nicht geprüft. Daher war es zu dem Zeitpunkt noch nicht möglich die genauen Kommunikationsmechanismen zu beschreiben.

Ergebnis

Funktionaler Systementwurf zum Delta Picker Roboter

Die Datei finden Sie im SVN: Funktionaler Systementwurf

(Im funktionale Systementwurf werden nun die Anforderungen an das System visualisiert. Beziehungen der einzelnen Bauteile und Versorgungen werden aus Black-Box-Sicht miteinander in Beziehung gesetzt. Der funktionale Systementwurf beschreibt noch nicht, wie man das System technisch umsetzt.

Link zum SVN: Funktionaler Systementwurf)

Technischer Systementwurf

In der Phase des technischen Systementwurfs werden die Module weiter unterteilt und die gewünschte Funktionalität detailliert beschrieben. Anschließend werden die Schnittstellen zwischen den einzelnen Modulen detailliert dargestellt. Am Ende dieser Entwurfsphase liegt der ”Architektur- und Schnittstellenbericht“ vor. In diesem Dokument sind die Architektur sowie die Schnittstellendefinitionen enthalten.

Aufgaben

• Modulfunktion identifizieren
• Anschlussart festlegen, (Leitungscharakteristik)
• Elektrischen Anschlussplan erstellen
• Visuelle Dokumentation der Ergebnisse

Vorgehen

Als initialer Ausgangspunkt dient hier der funktionale Systementwurf, der im Schritt davor erstellt wurde. Nun werden die einzelnen Modulfunktionen mithilfe der Literatur, dem Modulhersteller und mithilfe des Handbuchs von Adept identifiziert. Die Leitungscharakteristik ist zum Teil von dem vorhandenen Bestand vorgegeben. Die zusätzlichen Anschlüsse werden dann auf Basis der Modulfunktion und der Schnittstelle festgelegt. Anschließend haben wir den Elektrischen Anschlussplan erstellt und visuell dargestellt. (Siehe Ergebnis)

Hindernisse/Probleme

• Modulkommunikation mit einzelnen Signalverbindungen feststellen. Teilweise waren nicht alle Informationen dem Handbuch zu entnehmen.
• Integration der Kamera und Pneumatikventil (Art der Ansteuerung nicht bekannt)

Ergebnis

Technischer Systementwurf zum Delta Picker Roboter

Elektrische Verbindung zwischen Controller und Roboter

(Auf Basis des funktionalen Systementwurfs werden im technischen Systementwurf die Schnittstellen spezifiziert. Das System wird in überschaubare Teilsysteme zerlegt, die unabhängig voneinander betrachtet werden können. Alle Datenverbindungen, Versorgungen und andere Schnittstellen sind genau definiert.

Link zum SVN: Technischer Systementwurf)

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beinhaltet die Aufgabe, das Verhalten und den Aufbau einer jeden Komponente und deren Schnittstellen zu anderen Komponenten.

Link zum SVN: Komponentenspezifikation

Entwicklung

Entwicklung

Komponententest

Komponententest

Integrationstest

Integrationstest

Abnahmetest

Abnahmetest

Systemtest

Systemtest