Flexible path planning for robotic industrial manufacturing processes

Abstract

Die Herausforderungen von flexibler Produktion mit hoch automatisierten Fertigungslinien ist der Trend zur Personalisierung von Produkten bis hin zur vollständigen Individualisierung. Mit diesem Trend müssen Pfadplanungsalgorithmen für industrielle Roboter mithalten. In dieser Arbeit werden flexible Planungsalgorithmen vorgestellt, die die automatische Erzeugung von Roboterprogrammen in der flexiblen Fertigung unterstützen und komplexe Pfadplanungsprobleme für industrielle Prozesse auf 3D-Freiformoberflächen lösen. In der Industrie ist computerunterstützte Offline-Roboterprogrammierung Stand der Technik, bei der Fertigungspfade manuell oder teilautomatisiert generiert werden. In dieser Arbeit wird eine vollautomatische Generierung von Roboterprogrammen für 3D-Werkstücke basierend auf benutzergenerierten 2D-Eingangsmustern vorgestellt. Dafür werden zwei Projektionsmethoden von 2D auf 3D evaluiert, eine einfache parallele Projektion und eine konforme Abbildung basierend auf dem kleinsten Fehlerquadrat. Um die Genauigkeit der Projektionsmethoden zu zeigen, wird ein experimenteller Zeichenprozess mit einem industriellen Roboter durchgeführt. Dabei wird eine reine Positionsregelung mit einer hybriden Kraft-/Positionsregelung im Aufgabenraum verglichen. Mit der hybriden Kraft-/Positionsregelung wird das genaueste Zeichenergebnis erzielt, da auch die Normalkraft des Stiftes auf die Oberfläche des 3D Werkstücks geregelt werden kann. In einer flexiblen Produktion muss eine Roboterarbeitszelle eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte bearbeiten können. Das beinhaltet auch Produkte, die während der Konzeptionierung der Arbeitszelle noch nicht bekannt waren. Wenn bestimmte Fertigungspfade nicht ausführbar sind, sind aufwändige Anpassungen der Roboterplatzierung oder des Fertigungspfades notwendig. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass auch ein mit geringerem Aufwand verbundenes Anpassen der Halterung des Werkzeuges am Endeffektor zu ausführbaren Fertigungspfaden führen kann. Dafür wird ein Optimierungsalgorithmus entwickelt, der mit einem Pfadplaner kombiniert wird, um im Konfigurationsraum die optimale Befestigung des Werkzeuges zu berechnen. Dabei werden unter anderem die Anzahl der möglichen Pfade im Konfigurationsraum sowie der Abstand zu den mechanischen Achslimits maximiert. Des Weiteren ist dieser Algorithmus zur Berechnung der optimalen Roboterplatzierung verwendbar. Das entwickelte Konzept wird anhand eines industriellen Schneidprozesses in der Schuhindustrie validiert, bei dem eine Reihe von unterschiedlichen Fertigungspfaden abgefahren werden muss. Um die Flexibilität einer vorhandenen Arbeitszelle weiter zu erhöhen, können die speziellen Prozesseigenschaften eines Fertigungsprozesses gezielt genutzt werden und dadurch den Lösungsraum der Pfadplanung erheblich vergrößern. Diese Prozesseigenschaften können redundante Freiheitsgrade und zulässige Abweichungen vom Fertigungspfad (Toleranzen und Prozessfenster) sein. In dieser Arbeit wird ein neuer Pfadplaner entwickelt, der diese Prozesseigenschaften und eine Kollisionsvermeidung systematisch in einem Optimierungsproblem berücksichtigt. Dabei werden mehrere Pfade im Konfigurationsraum parallel berechnet, um den optimalen Pfad zu finden. Zwei spezielle Prozesse, ein Zeichenprozess und ein Prozess zum Spritzlackieren, werden mit diesem Algorithmus optimiert und komplexe Pfadplanungsprobleme auf 3D-Freiformoberflächen gelöst, die mit dem Stand der Technik nicht gelöst werden können. In dieser Arbeit werden die entwickelten Algorithmen an einem experimentellen Zeichenprozess und in Simulation für einen Schneid- und Spritzlackierprozess demonstriert, die repräsentativ für andere industrielle Prozesse auf 3D-Freiformoberflächen sind. Darüber hinaus sind alle Methoden allgemein formuliert, damit diese für verschiedenste Prozesse angewandt werden können, z.B. für Schweißen, Spritzlackieren, Fräsen, Polieren oder für Textilfertigungsprozesse wie Schneiden, Nähen und Kleben.

The current challenge in flexible production with highly automated production lines is the ongoing trend toward customization of products up to full individualization. Consequently, path-planning algorithms for industrial robots have to keep pace with this trend. This thesis presents flexible planning algorithms to support the automatic generation of robot programs in flexible automation to solve complex path-planning problems in industrial processes on freeform 3D surfaces. In industry, offline robot programming approaches using computer-aided workflows, where manufacturing paths are generated manually or semi-automatically, are state-of-the-art. This work investigates a fully automatic generation of robot programs for 3D workpieces based on user-generated 2D input patterns. For this, two projection methods from 2D to 3D, i.e., a simple parallel projection and a least-squares conformal mapping, are evaluated. In order to show the accuracy of the projection approaches, a drawing process with an industrial robot is demonstrated in an experimental setup with two task-space control concepts, i.e., a motion control and a hybrid force/motion control. With the hybrid force/motion control, the normal contact force of the pen with the workpiece's surface is controlled, yielding the most accurate drawing result. In flexible production, a robotic work cell must be able to execute an industrial process on a wide range of products, including ones not known during the design phase of the work cell. If specific manufacturing paths are not executable, laborious adaptions of the robot placement or manufacturing path are necessary. In some instances, adapting the tool mounting on the end-effector can also lead to executable robot trajectories, as shown in this work. Therefore, an optimization algorithm is developed and combined with a joint-space path planner to compute the optimal tool mounting while maximizing, e.g., the number of joint-space path solutions and distance to the mechanical joint limits. This algorithm is also applicable for finding the optimal robot base placement. It is validated in an industrial trimming process from the shoe industry, where a set of manufacturing paths must be executed. To further increase the flexibility of given work cells, the distinct properties of the manufacturing process, i.e., redundant degrees of freedom and allowed deviations from the manufacturing path (tolerances and process windows), can significantly enlarge the path planning search space. Hence, an optimization-based joint-space path planner is developed, which systematically includes these process properties and a collision avoidance strategy. Multiple joint-space paths are computed in parallel to find the optimal path. The proposed algorithm optimizes two distinct processes, i.e., a drawing process and a spray-painting process. It is shown that complex path-planning problems can be solved on freeform 3D surfaces where state-of-the-art concepts fail. In this thesis, the developed algorithms are demonstrated experimentally for a drawing task and in simulation for a trimming and spray-painting task, which are manufacturing processes representative of industrial processes on freeform 3D surfaces. Additionally, the proposed methods are formulated in a general way such that they can be easily applied to other processes, e.g., welding, spray painting, milling, polishing, or textile fabrication processes like cutting, sewing, and gluing.