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Erstellung eines Roboterbesatzes und dynamische Visualisierung des Besatzaufbaus für Setz- und Entladeanlagen leichtgemacht mit Windows 3D-Grafik

Diplomanden der Fachhochschule Osnabrück und der Fachhochschule Steinfurt entwickeln Software bei KELLER HCW.

[November 2007] 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."

Auf Basis der erstellten Software wurde von einem Diplomand der Fachhochschule Steinfurt eine grafische Animation der Robotersetzanlage, integriert in der WinCC-Visualisierung, realisiert. Der Anwender kann damit die Zustände der überwachten Robotersetzanlage auf einen Blick erfassen und anhand einer 3D-Darstellung Robotertakte Parametrieren. Dieser Aufgabe nahm sich Eugen Neb – Student der Fachrichtung Maschinenbauinformatik der Fachhochschule Steinfurt an. Das Thema dieser Diplomarbeit lautet:

"Konzeption und Realisierung einer Java3D basierten Benutzerschnittstelle zur Prozessvisualisierung und Parametrierung von SPS-gesteuerten Robotersetzanlagen"

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 wird bei Robotersetzanlagen und -entladeanlagen eingesetzt und unterstützt das Personal einer Ziegelei bei der Besatzerstellung. 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.

Wird der bereits zum Roboter gesendete Besatz gerade abgearbeitet, kann der aktuelle Robotertakt aus der SPS ausgelesen und anhand aus der Erstellung zugehörigen 3D-Grafik in der WinnCC-Anlagenvisualisierung animiert werden. Andererseits ist es auch möglich anhand der Grafik einen Takt auszuwählen und diesen den Robotern als nächsten Arbeitsschritt mitzuteilen (Taktkorrektur). Die dynamische Visualisierung des Besatzaufbaus bietet dem Benutzer eine Überprüfungsmöglichkeit des korrekten Arbeitsablaufs der Robotersetz- und entladeanlagen. Der in der Visualisierung eingesetzte Programmteil ist auf die Bedienung auf einem TouchPanelPC mit einem Windows Betriebssystem ausgelegt.

Eine Übersicht der realisierten Applikation zeigt Bild 2.

Mit Hilfe der Benutzeroberfläche der Applikation (KELLER-VisualRobotics) können Besätze leicht erzeugt, editiert und gespeichert werden. Weiterhin ist es möglich, Besätze zu kopieren oder zu löschen. Das 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.

Anhand der integrierten Benutzeroberfläche in der Anlagenvisualisierung wird mittels der in der SQL-Datenbank abgespeicherten Formatdaten der entsprechende Besatz während des Betriebs dargestellt und die aktuellen Arbeitsschritte der Roboter animiert (s. Bild 4). Die Übermittlung der SPS-Daten erfolgt zyklisch und berechtigt bei Störungen die Durchführung einer Taktkorrektur. Dies erlaubt dem Bediener das Programm neben dem reinen Einsatz zur Visualisierung auch zur Parametrierung von Robotersetz- und entladeanlagen anzuwenden. Anhand der animierten 2D- und 3D-Grafik kann der Bediener sich entfernt von der Anlage ein umfassendes Bild über die Lage vor Ort machen ohne sich vorher mit einem neuen Format auseinander zusetzen. Die Anwendung kann über die vorhandene WinCC-Visualisierung bedient oder als eine Standalone-Version aufgerufen werden.

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

• Auslesen und Darstellen des aktuellen Formats und Taktes aus der SPS

• Editieren eines Taktes zur Korrektur

• Dynamische Gestaltung des Programmmenüs

• Zugriff auf eine gemeinsame zentrale Netzwerkdatenbank

• Integrierung der Anwendung in der WinCC-Anlagenvisualisierung

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 Diplomarbeiten war es, den Besatz einer Robotersetzanlage und -entladeanlage 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. Zusätlich wird dem Kunden die Möglichkeit geboten das Programm zur Prozessvisualisierung und anhand der 3D-Benutzerschnittstelle zur Parametrierung von SPS-gesteuerten Robotersetz- und entladeanlagen einzusetzen. 



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