Fachberichte Messen - Steuern - Regeln – serie

Ein integrierter elektronischer Halbleiter-Baustein mit 12 000 Transistoren kostet heute weniger als vor 12 Jahren ein einzelner Transistor. 1 Million Bauelemente je Halbleiter-Baustein werden fur 1980 prognostiziert. Diese hochintegrierten Halbleiter, insbesondere in Form von Mikro- prozessoren, fuhren zu einem weiteren Innovationsschub im Bereich der MeB- und Automatisierungstechnik. Die Auswirkungen sind viel- faltig und tiefgreifend. Die Produkte, ihre Herstellungsverfahren sowie ihre Anwendungsformen und Anwendungsmoglichkeiten andern sich. Hersteller und Anwender mussen jeweils ihren Weg, Chancen zu nutzen, aber auch Ruckschlage zu vermeiden, finden. AnlaBlich des INTERKAMA-Kongresses'77 haben sich namhafte Fachleute aus Wissen- schaft und Wirtschaft als Autoren und Betreuer bemuht, fur die besonders betroffenen Bereiche der Automatisierungstechnik den Wandel aufzuzeigen, der durch den Einsatz hochintegrierter Elektro- nik hervo~gerufen wird.Stand und Entwicklung in diesen Bereichen werden in Form von zugeordneten Themengruppen dargelegt, die aus einem allgemein verstandlichen, aber konkrete Fakten enthaltenen ubersichtsvortrag und aus meist drei vertiefenden Fachvortragen bestehen. oer geschilderte Innovationsschub bestimmte die Auswahl der 8 Be- reiche und damit Themengruppen. Mikroprozessoren eroffnen auch komplexeren theoretische~ Verfahren hoher Leistungsfahigkeit An- , i.~ , ...~ ,. . wendungsbereiche. Bewahrte Losungen konnen erganzt, beziehungsweise wartungsfreundlicher gestaltet werden. Die Themengruppen "MeBtech- nik und Mustererkennung in der Fertigungstechnik", "Automatisie- rung von MeB- und Prufsystemen" und "Einsatz fortgeschrittener Regelungsverfahren" gehen hierauf ein. Mikroprozessoren in Verbin- IV dung mit Bildschirmen und Sammelleitungssystemen, abgestutzt auf anthropotechnische ErkenntnisSB und neue Programmierverfahren ver- and ern die Strukturen von Automatisierungssystemen und die Mensch- Maschine-Schnittstellen. Die Themengruppen "Warten und Leitstande" und "Raumlich verteilte ProzeBrechnersysteme" berichten hieruber.

Die industrielle Steuerungstechnik ist in einem Umbruch begriffen, der nicht zuletzt durch die Moglichkeiten der hochintegrierten elektroni- schen Bauelemente und Mikrorechner ausgelost wurde. Diese Technologien ermoglichen es jetzt, den Forderungen nach groBter Flexibilitat der Steuerungen entgegen zu kommen. Frliher muBten diese Forderungen zwangs- laufig zurlickgestellt werden. Jetzt, wo ihre Erflillung moglich wird, werden sie verstarkt gestellt und wirken so als treibende Kraft. Die etwa in den letzten beiden Jahrzehnten entwickelten Methoden zur Steuerungssynthese - allen voran das Huffman'sche Verfahren samt allen Folgearbeiten - gingen zunachst von der klassischen Automatentheorie aus. Aus dieser Theorie hat sich nach und nach ein ingenieurmaBiger Zweig und eine eigene abstrakte Disziplin weiter entwickelt, die aber nach wie vor auch den Ingenieuren wertvolle Impulse erteilt. Die nach den klassischen, aus der Automatentheorie hervorgegangenen Methoden entwor- fenen Steuerungen sind "fest verdrahtet"; sie sind individuell auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten. Dies ist also die eine Richtung in der Schaltungsrealisierung: Die Flexibilitat wird hier weitgehend vermiBt.Beim Entwurf auftretende Schwierigkeiten suchte man durch rechnerge- stlitzte Synthese zu vermeiden. Der Wunsch nach groBerer Flexibilitat flihrte bald zur Verwendung von Schrittregistern, die sich bei sog. Zwangsfolgesteuerungen bewahrten, also bei Steuerungen deren Eingangsbelegungen nur in vorgepragter Form auftreten konnen. Solche meist mit Arbeitszylindern realisierte Systeme haben einen sehr wesentlichen Anteil an industriellen Steuerungen. Schrittregister sind zwar fest programmiert, aber der Freiraum flir Pro- grammanderungen ist bereits sehr groB.

Industrieroboter (IR) werden durch sechs Teilsysteme gebildet: Aufbau (Kinematik), Antriebe, Steuerung, Regelung, Bedienung und last not least Sensoren. Hier sollen die ersten drei Teilsysteme behandelt werden, die restlichen drei folgen in den anschließenden Abschnitten. Zur Auswahl des für die Projektziele [1] als Erprobungsträger einge­ setzten Roboters, der die Untersuchung verschiedener Lösungsansätze und die Demonstration ihrer Leistungsfähigkeit gestatten soll, wurden folgende Auswahlbedingungen bezüglich des Marktangebotes gestellt: Der IR muß konstruktiv dem heutigen Erkenntnisstand beim Aufbau von IR-Kinematiken entsprechen und sollte ein Seriengerät sein. Der IR muß in seinen Eigenschaften zur Demonstration der Projekt­ ziele geeignet sein. Im folgenden werden der Aufbau und die Auslegung des IR, Gesichts­ punkte zur Auswahl der Antriebstechnik, ihre Auslegung sowie die zur Steuerung und zur Sicherung gegen Ausfall behandelt. 2. Aufbautechnik Die Projektziele verlangen einen IR mit einer Tragkraft von ca. 200 N bis 500 N bei einer hohen Verfahrgeschwindigkeit der einzelnen Frei­ heitsgrade zum Erreichen einer Bahngeschwindigkeit von etwa 2 rn/sec. Die Zahl der Freiheitsgrade - auch "Achsen" genannt - sollte 6 nicht unterschreiten, um komplexe Bewegungsabläufe, ggf. auch das Umgreifen von Hindernissen untersuchen zu können. Der eingesetzte IR vom Typ VW-R30 erfüllt die genannten Anforderungen.

Mit dem Erscheinen dieses Berichtswerkes offnet die INTERKAMA 1980 ihre Tore zur Begegnung von Wissenschaftlern, Herstellern und Anwendern auf dem Gebiet der HeB- und Automatisierungstechnik. Diese Begegnung findet nicht nur statt in den Hallen mit den viel- faltigen Exponaten, sondern auch - zu Beginn und am Ende des Aus- stellungszeitraumes in zwei gleichartigen Veranstaltungen - im KongreB, der damit zu einem wichtigen Bestandteil der INTERKAMA geworden ist. Die Vortrage aus diesem KongreB sind im vorliegenden Berichtswerk zusammengetragen. Es dient damit einmal der Intensivierung der Diskussion und Aussprache unter den KongreBteilnehmern und zurn anderen einer umfassenden Dokumentation des Standes der MeB- und Automatisierungstechnik im Jahre 1980. Dieses Fachgebiet ist seit Jahren durch hohe Innovationsraten gekennzeichnet. Gerate, Systeme und Anwendungswissen beeinflussen sich erheblich, die integrierte Problemlosung ist eine standige Herausforderung.AuBerdem liefert die MeB- und Automatisierungs- technik seit langem Beitrage zur Erhohung von Sicherheit und Qualitat sowie zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei Ma- terial- und Energieeinsatz und wird sie weiterhin liefern. Auch bei den Losungen der vorliegenden Probleme des Umweltschutzes ist die MeB- und Automatisierungstechnik zu einem unentbehrlichen Helfer geworden. Bei der Auswahl und Zusammenstellung des INTERKM!A-Kongresses 1980 haben wir uns bemUht, diese VerknUpfungen und gegenseitigen Erganzungen verschiedener Fachgebiete sowie die wichtigsten Ent- wicklungslinien von hervorragenden Fachleuten darstellen zu lassen.

Bei der ersten INTERKAMA im Jahre 1957 lag das Hauptinteresse der MeB-, Regelungs- und Automatisierungstechnik darin, die korperliche Arbeit des Menschen zu erleichtern und effektiver zu gestalten. Die sttirmische Entwicklung der letzten Jahre auf dem Gebiete der Digitaltechnik wirkt sich zunehmend auch dahingehend aus, daB die Intelligenz des Menschen untersttitzt und entlastet wird. Auch die Gesichtspunkte einer verbesserten Produktqualitat und einer yom Gesetzgeber geforderten schadstoffarmen Produktionssteuerung stellen Anforderungen an Fertigungs- und Produktionsprozesse, die sich wohl nur unter verwendung moderner MeB- und Regelungstechnik, die sich auf die Mikroelektronik absttitzt, losen lassen. Diese Strukturanderungen haben in den letzten Jahren eine evolutionare Entwicklung insbesondere auf den durch die IN'I'E!. RKAMA reprasentierten Gebieten der MeB-, Regelungs- und Au:tomatisierun-gstechnik herbeigeftihrt. Das Anliegen des internationalen Kongresses ist es, durch Aufzeigen neuerer Ergebnisse und zuktinftiger-_Entwicklungen besonders den in der Praxis tatigen Entwicklern und Anwen~ern Anr~gungen zu geben.Neben modernen Gerateentwicklungen wird auch auf fortgeschrittene MeB- und Automatisierungsverfahren eingegangen. Dabei ist es zwingend, den rasanten Fortschritt bei hochintegrierten Halbleiterbausteinen zu be- rticksichtigen, der zur Entwicklung von Mikrorechnern ftihrte, die eine rasch wachsende Zahl von Funktionen zu realisieren gestatten, ohne daB deren Kosten heute ins Gewicht fallen. Damit laBt sich in der Zukunft in immer groBerem MaBe eine dezentrale ProzeBftihrung kostengtinstig realisieren, die neben einer besseren Uberschaubarkeit und Betriebs- sicherheit auch den Einsatz von "intelligenteren", wie z. B. optimalen, adaptiven und anderen Regelstrategien auch bei weniger kostenintensiven Anlagen gestattet. IV Ein verstarktes Problem stellt dabei das starke Anwachsen der unter- schiedlichen angebotenen und verwendeten Bus-System dar.

Die allgemeinen Aufgaben der Prozeßmeßtechnik bei der Bestimmung der Parameter zur Steuerung des einwandfreien Produktionsablaufes werden hier nicht nur in Übersichtsarbeiten grundsätzlich behandelt; sie werden bezogen auf den Einsatz in der Textilerzeugung und -veredlung auch sehr konkret und speziell dargelegt. Neue Meßverfahren werden diskutiert, neue Testverfahren zur Qualitätskontrolle werden vorgestellt. Die ausgewählten Arbeiten liefern wichtige Anregungen, um die Wettbewerbsfähigkeit der einheimischen Textilindustrie sicherzustellen, gehen aber in ihrer Bedeutung oft über das Gebiet der konkreten Anwendung hinaus.

Lernende Roboter behandelt Methoden und Lernstrategien der Künstlichen Intelligenz (KI) im Hinblick auf deren Anwendungen in der Robotik. Mehrere Lernschemata werden beschrieben. Lernen wird als das Hinzufügen neuen Wissens zu bestehendem Grundwissen und deren Wechselwirkung verstanden. Verschiedene Formen der Wissensaneignung werden besprochen. Die Lernziele entsprechen dem breiten Spektrum der Anforderungen; der behandelte Stoff reicht vom direkt implementierten Wissen bis hin zur Deutung von Wirkzusammenhängen zwischen durchgeführten Aktionen und sensorisch erfaßten Merkmalen. Ziel des Buches ist eine Diskussion des Einsatzes von Lernstrategien für zukünftige, intelligente und autonome Robotersysteme. Es bietet in konzentrierter Form einen Überblick über das Gebiet, aufbereitet für den Einsatz in der Robotik.

Gegenstand des Buches ist die Bestimmung der bestmöglichen erreichbaren Regelgüte in linearen zeitinvarianten Regelkreisen. Hierbei werden keine Einschränkungen bezüglich der Struktur der Regelstrecke oder der Regler gemacht. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine praxisnahe Spezifikation des gewünschten Regelkreisverhaltens, die Stabilität, gutes Folgeverhalten und Robustheit sicherstellt, in Form von Schranken für bestimmte Frequenzgänge des geschlossenen Regelkreises. Es wird dann schrittweise die mathematische Theorie entwickelt, mit der sich die Einhaltbarkeit solcher Spezifikationen für ein gegebenes Streckenmodell überprüfen und die optimale Regelgüte ermitteln läßt. Dies geschieht zunächst ausführlich für zeitkontinuierliche Eingrößenregelkreise. Mit Hilfe einer neu entwickelten Methode zur numerischen Auswertung der resultierenden Bedingungen wurden erstmals für die wichtigsten Streckentypen Diagramme berechnet, die exakt die notwendigen Kompromisse bei der Regelkreisspezifikation angeben. Unter Benutzung der w-Transformation werden die Ergebnisse auf zeitdiskrete Regelungen übertragen. Eine knappe Darstellung der Verallgemeinerung der Methodik auf Mehrgrößenregelungen bildet den Abschluß des Buches. Da die erforderliche Robustheit des Regelkreises Bestandteil der Spezifikation ist, liefert die dargestellte Theorie auch eine Aussage darüber, ob für ein konkretes Problem festeingestellte lineare Regler ausreichend sind, oder ob zu komplexeren Regelungen (nicht-linear, schaltend, adaptiv) übergegangen werden muß, um die geforderte Regelgüte zu erreichen.

Das Buch stellt die Ergebnisse eines BMFT-Verbundvorhabens einer breiten Fachoffentlichkeit in praxisnahen Einzelbeitragen vor; es werden Aussagen uber den Stand produktionstechnischer Sensoren, insbesondere optische und bildverarbeitende Systeme, und ihre Eignung fur den industriellen Einsatz gemacht. Weiterhin wird uber fortgeschrittene Strategien zur Sensorfuhrung von Industrierobotern sowie die dynamischen Probleme des Gesamtsystems Industrieroboter/Sensor berichtet. Damit eng gekoppelt ist die Schnittstellenproblematik. Die Einsatzberichte uber am Markt vorhandene Sensoren werden erganzt durch Beitrage uber die Entwicklung neuartiger Sensorprototypen fur spezielle Aufgaben, u.a. Laserabstandsmessung nach dem Laufzeitverfahren sowie taktile Arrays und Kraft-/Momentensensoren.