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Erstellung eines Roboterbesatzes für Setz- und Entladeanlagen leichtgemacht mit Windows 3D-Grafik

Diplomanden der Fachhochschule Osnabrück entwickeln Software bei KELLER HCW

[August 2005] Die Firma KELLER HCW GmbH bietet Studenten verschiedenster Fachrichtungen die Möglichkeit der Durchführung von Praxissemestern in Verbindung mit Diplomarbeiten.

"In unseren Abteilungen und Fachbereichen werden fachliche Leistungen und studentisches Engagement besonders gefördert" erklärt der Leiter des Bereiches Elektrotechnik, Automatisierungs- und Prozessleittechnik bei KELLER HCW, Diplom-Ingenieur Josef Schröter." In einer engen Zusammenarbeit mit Universitäten und Fachhochschulen entwickeln wir zukunftsorientierte Konzepte für die Keramikindustrie. Mit dem KELLER K-matic System haben wir Maßstäbe in der Automatisierung der Grobkeramikprozesse gesetzt. Die Kunden wissen und schätzen an KELLER HCW, dass die Produkte konsequent an den Anforderungen der Praxis ausgerichtet sind. Absolute Zuverlässigkeit der Anlagensteuerung und -überwachung, Zukunftssicherheit und dabei hoher Bedienkomfort und schnelle Erlernbarkeit verschaffen unseren Kunden Vorteile, mit denen Sie Vorsprung erzielen."

Diplomanden der Fachhochschule Osnabrück sollten Software zur Parametrierung von Robotersetzanlagen mit Java3D entwickeln. Diese Gelegenheit nahmen Christian Deddens und Christian Linkemeyer – Studenten des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften und Informatik der Fachhochschule Osnabrück – im Hause KELLER wahr. Gemeinsam erstellten sie eine Diplomarbeit zum Thema:

"Konzeption und Realisierung einer grafischen 3D-Oberfläche, einschließlich Analyse der Entwicklungswerkzeuge (VRML, X3D, Java3D), zur Parametrierung von Robotersetzanlagen unter Verwendung relationaler Datenbanken und Kommunikation über Ethernet TCP/IP zum Roboter."

Die Absolventen erstellten hierbei eine Applikation zur grafischen Erzeugung von Besatzschemata für Robotersetzanlagen. Aus den Daten eines erzeugten Besatzes werden automatisch Roboterprogramme erstellt und mittels Netzwerks (Ethernet) zum Roboter übertragen. Die Roboterprogramme werden dann in das bestehende Programmpaket der Robotersteuerung eingebunden. Ein neu erstellter Besatz kann somit vom Roboter auf einen Tunnelofenwagen (TOW) gesetzt werden. Die Applikation soll in Zukunft bei Robotersetzanlagen zum Einsatz kommen und das Personal einer Ziegelei bei der Besatzerstellung unterstützen. Das Programm der Applikation läuft dabei auf einem handelsüblichen PC mit einem Windows-Betriebssystem. Die Erstellung und der Test eines Besatzes kann offline am PC erfolgen. Eine Übersicht der realisierten Applikation zeigt Bild 2.

Mit Hilfe der Benutzeroberfläche der Applikation können Besätze leicht erzeugt, editiert und gespeichert werden. Weiterhin ist es möglich, Besätze zu kopieren oder zu löschen. Bild 3 zeigt den letzten von mehreren Konfigurationsschritten. Um einen Besatz ausarbeiten zu können, müssen zuvor Greiferladungen definiert werden. Diese können dann im Anschluss an die gewünschte Position in der Benutzeroberfläche platziert werden, um einen vollständigen Besatz aufzubauen. Ist der Besatz vollständig konfiguriert, können die Daten über das Netzwerk zum Roboter übertragen werden. Die 2D- und 3D-Ansichten des Besatzes bieten dem Bediener eine grafische Unterstützung und erleichtern die Parametrierung. Änderungen der Position von Ziegelreihen, Greiferladungen und Besatzschichten können optisch verfolgt werden. Dadurch werden Fehleingaben vermieden und es ist eine Kontrolle vorhanden, ob sich der Besatz nach den gewünschten Vorstellungen aufbaut. Bislang konnten unerwünschte Effekte oder Fehleingaben beim Aufbau eines Besatzes nur festgestellt werden, wenn das Roboterprogramm ausgeführt wurde. Zudem entfallen komplizierte Programmieränderungen, die bislang bei der Neuerstellung eines Besatzes direkt am Roboter durchgeführt werden mussten.

Beschreibung der Funktionsmerkmale

• Erzeugen, Editieren, Speichern, Kopieren und Löschen von Besätzen
• Menügeführte Besatzerstellung
• Erstellen von Ziegel-, Reihen-, Greiferladungs-, und Schichttypen zur mehrmaligen Verwendung
• Erzeugung eigener Ziegeltypen und deren Texturen über Bilddateien im GIF- und JPEG-Format
• Einbindung von Ziegeltypen als VRML-Objekte
• Sicherung und Wiederherstellung von Datenbeständen der Datenbank
• 2D- und 3D-Ansicht von Ziegeln, Reihen, Greiferladungen, Besatzschichten und vollständigen Besätzen
• Zoom-, Rotations- und Translationsfunktionen der grafischen Ansichten
• Einblenden von Robotern bzw. Maschinenübersichten (Avatare)
• Automatisches Erzeugen der Roboterprogramme <
• Übertragen von Roboterprogrammen zwischen PC und Roboter über Ethernet TCP/IP
• Sprachumschaltung der Software durch Sprachanwahl

Beschreibung der verwendeten Software-Werkzeuge

Realisiert wurde die Applikation mit der Programmiersprache Java und der Erweiterung Java3D. Java3D ist ein Application Programming Interface (API) für die Programmiersprache Java, das es ermöglicht, 3D-Anwendungen zu programmieren. Es stehen dem Entwickler kompakte Objektbibliotheken zur Realisierung virtueller Welten zur Verfügung. Java3D ist eine Sammlung von Klassen und wird als Erweiterungspaket für Java angeboten.

Die Elemente und Konzepte zur Modellierung von 3D-Objekten sind denen der Beschreibungssprache VRML ähnlich. Java3D bietet dem Programmierer jedoch mehr Möglichkeiten zur Gestaltung von Objekten, da in Java3D-Programmen alle Sprachkonstrukte der Standard Java API verwendet werden können.

Wie auch bei VRML oder X3D gibt es bei Java3D einen Szenegraphen, der dem strukturellen Aufbau einer 3D-Umgebung dient. Dieser enthält alle Informationen der Szene und ist zugleich die Spezifikation des Java3D-Programms. Im Unterschied zu VRML wird die Wurzel des Szenegraphen nicht durch die Datei selbst gebildet, sondern durch ein VirtualUniverse-Objekt. Da Java3D konsequent das Modell der Objektorientierung beibehält, können mehrere Objekte vom Typ Universe angelegt werden.

Über Java3D-Loader ist es möglich dreidimensionale Inhalte, welche in Programmen wie zum Beispiel 3D Studio Max oder anderen 3D-CAD-Systemen erstellt werden, zu importieren. Diese Loader lesen die zu importierende Datei ein und konvertieren den Inhalt in die interne Java3D-Datenstruktur.

Hauptunterschied der Sprachen ist die Integration von Java3D in die umfangreiche Programmiersprache Java, während VRML und X3D lediglich Beschreibungssprachen sind und von einem zusätzlichen Plugin im Netscape- oder Internet-Explorer interpretiert werden müssen.

Hauptziel

Hauptziel der Diplomarbeit war es, den Besatz einer Robotersetzanlage dreidimensional darzustellen. Dabei sollte zum einen ein visueller Eindruck beim Bediener erweckt werden, zum anderen aber auch die Möglichkeit vorhanden sein, vorzeitig auf offensichtliche Fehleingaben reagieren zu können. In Kombination mit der Standard Java2 API und der Möglichkeit über VRML-Loader Sonderziegel zu verarbeiten, eignete sich Java3D daher ideal, um die hier geforderte Visualisierung zu realisieren. 

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