Optimierung thermischer Verhältnisse bei der Bahnplanung für das thermische Spritzen mit Industrierobotern

摘要

Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Optimierung von neuartigen Bahnen für Industrieroboter beim thermischen Spritzen auf komplexen Freiformoberflächen unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Verhältnisse in dem Werkstück. Thermisches Spritzen ist ein Produktionsprozess, bei dem eine Werkstückoberfläche mit geschmolzenem Material beschichtet wird, so dass die Oberfläche die gewünschten Oberflächeneigenschaften aufweist. Ein Alleinstellungsmerkmal des präsentierten Systems ist der modulare Aufbau, der vor allem eine in diesem Bereich unübliche Trennung zwischen der Initialbahnplanung und der Bahnoptimierung vorsieht. Die Basis des Gesamtsystems bilden verschiedene Simulationskomponenten, wie die Beschichtungssimulation, die thermische Simulation und die Robotersimulation.Die Initialbahnplanung erzeugt flächenüberdeckende Bahnen auf einem Werkstück unter Berücksichtigung verschiedener Qualitätsmerkmale. Dazu werden die Bahnen über flexible Bahnstrukturen repräsentiert, darunter neuartige Strukturen, wie die Rand-zu-Rand Bahnen und die Punkt-zu-Punkt Bahnen. Die Qualität der Bahnen wird über verschiedene Zielfunktionen bewertet, die neben der Schichtqualität vor allem die thermischen Varianzen berücksichtigen, welche bisher nur selten in Betracht gezogen wurden, obwohl sie großen Einfluss auf die endgültige Schichtqualität haben. Weitere praxisrelevante Zielkriterien, wie die Roboterachsbeschleunigungen und der Overspray, welcher das Material beschreibt, das nicht auf der funktionalen Fläche abgelagert wird, werden ebenfalls beachtet. Das Problem der Initialbahnplanung wird als mehrkriterielles Optimierungsproblem formuliert und mit Hilfe eines Evolutionären Algorithmus optimiert. Verschiedene Varianten für die Operatoren des Evolutionären Algorithmus werden verwendet und gegeneinander evaluiert. Hieraus wird die Kombination von Operatoren bestimmt, mit der der Algorithmus mit hoher Konvergenzgeschwindigkeit strukturell gute Bahnen für den anschließenden Bahnoptimierungsprozess erzeugt.Die Bahnoptimierung wird für die Verbesserung vorhandener Bahnen bezüglich der Beschichtungsfehler und der Ausführbarkeit mit Robotern verwendet. Ein neuartiges Konzept zur kombinierten Anwendung des in der Arbeit entwickelten, analytischen Auftragsmodells mit einer externen Blackbox Simulation wird verwendet, um die Bahnen mit Hilfe des Verfahrens der nichtlinearen konjugierten Gradienten zu optimieren. Die Fehler werden hierbei über die externe Simulation und die Gradienten über das analytische Auftragsmodell bestimmt. Die Verwendung der Bahnoptimierung beschränkt sich nicht nur auf die Optimierung der Bahnen, die von der Initialbahnplanung erstellt worden sind, sondern kann ebenfalls genutzt werden, um bereits erstellte Bahnen an andere Spritzprozesse oder ähnliche Werkstückgeometrien anzupassen. Hierdurch lässt sich der erhebliche Aufwand zur Generierung neuer Bahnen stark reduzieren.Zum Abschluss der Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die bisher unberücksichtigte Roboterdynamik in das System miteinbezieht. Dazu wird eine Dynamikkorrektur präsentiert, die die Bahnen mit Hilfe einer Roboterherstellersoftware in den dynamisch zulässigen Bereich projiziert. Diese Projektion wird in einer weiteren Optimierungsschleife alternierend mit der Bahnoptimierung genutzt, um eine dynamisch zulässige Bahn zu erzeugen, die sehr gute Ergebnisse bezüglich der Qualitätsmaße liefert.