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Sollwertgenerierung für Sensoren

Arbeitsgruppe:AG Optimierung und Optimale Steuerung
Leitung: Prof. Dr. Christof Büskens ((0421) 218-63861, E-Mail: bueskens@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter:
Projektpartner: Mahr GmbH (Göttingen)
Laufzeit: 01.04.2002 - 31.08.2004
Bild des Projekts Sollwertgenerierung für Sensoren Moderne Oberflächenmessungen werden durch PC- und roboterbasierte Mess- und Auswertesystem durchgeführt. Um den Anforderungen, wie z.B. hohe Positioniergeschwindigkeit, Kollisionsschutz, Positionieren, Wahl verschiedener Messgeschwindigkeiten oder einem Messablauf mit Abheben und Absenken des Tastarms, gerecht zu werden, ist es erforderlich, hinreichend glatte (ruckfreie) Sollkurven zu berechnen, die zusätzliche Restriktionen einhalten müssen.
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Tastkopf für Rauheits- und Konturen-Messgeräte, die im Wesentlichen nach dem Tastschnittverfahren arbeiten (Foto: Mahr GmbH)
Der Kooperationspartner Mahr GmbH baut Messroboter, die zur Überprüfung von Werkstücken vorgegebene Bahnen mit hochgenauen Tastsensoren abfahren. Hierzu werden so genannte Viapunkte im dreidimensionalen Raum vorgegeben, die vom Tastkopf in vorgegebener Reihenfolge exakt durchfahren werden müssen. Aus den Auslenkungen des Tastkopfes berechnet eine Messstation die tatsächliche Gestalt des vermessenen Werkstückes. Die Abweichung der so gemessenen Form von der Sollkurve wird zur Beurteilung der Qualität eines gefertigten Werkstückes herangezogen.
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Optimierte Bahngeometrie: Der Tastkopf durchfährt die Viapunkte exakt.
Damit die Messergebnisse nicht durch Schwingungen der Messinstrumente verfälscht werden, ist es erforderlich, Bahnen zu generieren, die möglichst ruckfrei verlaufen und gleichzeitig verschiedene Nebenbedingungen einhalten. Darüber hinaus sollen die online zu berechnenden Bahnen möglichst in minimaler Zeit abfahrbar sein und unabhängig vom eingesetzten Tastkopf und der Bewegungsmechanik verwendbar sein. Zwei Strategien zur Lösung dieser anspruchsvollen Problematik werden derzeit verfolgt.

Im Rahmen seiner Dissertation entwickelte Marco Ende einen effizienten Algorithmus, der die verschiedenen Bewegungsphasen der Messeinheit geschickt aufteilt. Die Bewegung zwischen zwei Viapunkten wird in eine Kurve und eine Strecke unterteilt. Die Kurve nutzt der Tastkopf allein zum Richtungswechsel, während auf der Strecke die Geschwindigkeit vorrangig berücksichtigt wird. Durch diese Unterteilung lässt sich die Bahnberechnung abschnittweise in ein ebenes Problem überführen. Der Algorithmus eignet sich hervorragend zum Echtzeiteinsatz. Mittels eines dynamischen Spline-Ansatzes und Methoden der optimalen Steuerung gelingt es dem von Christof Büskens entwickelten Verfahren, den hohen Anforderungen gerecht zu werden. Die Auswahl an einzuhaltenden Nebenbedingungen kann dabei ohne großen Aufwand geändert werden. Hierdurch ist man insbesondere in der Lage, die Wirkungen verschiedener Nebenbedingungen auf die resultierenden optimalen Bahnen eingehend zu studieren und Rückschlüsse auf das zukünftige Design roboterbasierter Mess- und Auswertesysteme zu treffen.
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Prinzip der abschnittsweise betrachteten Ebenen (Algorithmus von M. Ende)