Robotik und Fabrikautomation (RFA)
Die Automatisierung fertigungstechnischer Prozesse etwa in der Automobiloindustrie ist geprägt durch einen hohen Automatisierungsgrad, der durch Einsatz von Robotern, Werkzeug- und Bearbeitungsmaschinen erreicht wird.

Zur Steuerung und Regelung dieser Maschinen erfolgt heutzutage mit Motion-Control-Systemen, die wie eine SPS nach IEC 61131 und mit Standard-Motionbausteinen der PLCopen programmiert werden können. Trotzdem erfordert der Softwareentwurf genaue Kenntnisse der Konzepte zur Programmierung von Bewegungsbahnen, Achssynchronisierung, Interpolation, Lageregelung und Koordinatentransformation.

Damit die Bewegungsprozesse möglichst autonom ablaufen, werden vielfältige intelligente Sensoren eingesetzt und ausgewertet. Vor allem durch automatische Auswertung von Kamerabildern können Bewegungsprozesse zielgerichtet gesteuert werden.

Um die Sicherheit in Fertigungsanlagen zu gewährleisten, müssen je nach Risiko mitunter sicherheitsgerichtete Steuerungen eingesetzt werden, die im Fehlerfall die Anlage zuverlässig in den sicheren Zustand überführen.

1. Einführung
 1.1 Industrie 4.0 - Smart Factory - Videos – Anwendungen Robotik
 1.2 Motion-Control-Systeme (MC-Systeme)
[2, Kap. 7.2]
     1.2.1 Systemvarianten: HW-basiert, PC-basiert, antriebsbasiert
     1.2.2 Programmierung nach PLCopen
Teil I: Robotik
2. Roboterarten und -aufbau
     - Industrieroboter, mobile Roboter, Deltaroboter 
3. Steuerung von Industrierobotern
3.1  Beschreibung geometrischer Abbildungen mit homogenen Koordinaten [1]
3.2 Kinematische Beschreibung von Robotern nach Denavit-Hartenberg [1]
3.3 Koordinatentransformation [1]
     3.2.1 Direkte kinematische Transformation
     3.2.2 Inverse Kinematische Transformation
3.4 Programmierung von Bewegungsabläufen [2, Kap. 7.5]
     3.3.1 Roboterprogrammierarten
     3.3.2 Programmierung von Achsgruppen nach PLCopen
4. Bildverarbeitung zur Steuerung autonomer Roboter [2, Kap. 7.6], [3]
  4.1 Aufbau von Bildverarbeitungssystemen
  4.2 Bildverarbeitungsstufen
      4.2.1 Bildaufnahme
      4.2.2 Bildfilterung
      4.2.3 Binärisierung, Segmentierung
      4.2.4 Merkmalsextraktion
  4.3 3D-Positionsbestimmung
      4.3.1 Direkte Perspektivische Transformation
      4.3.2 Inverse Perspektivische Transformation
5. Autonome mobile Roboter [4]
  5.1 Aufbau holonomer und nicht-holonomer Roboter
  5.2 Kinematik mobiler Roboter
      5.2.1 Wegplanung
      5.2.2 Interpolation
      5.2.3 Direkte kinematische Transformation
      5.2.4 Inverse kinematische Transformation
      5.2.5 Odometrie
  5.3 Navigation
      5.3.1 Orientierung mit Gyroskop
      5.3.2 Lokalisierung durch Landmarken
      5.3.3 Spurverfolgung
      5.3.4 Kollisionsvermeidung
      5.3.5 Aufbau von Landkarten

Teil II: Fabrikautomation
6. Komponenten in der automatisierten Fabrik
     - Arten von Werkzeugmaschinen (Videos Lenze)
     - Beispiel-Fertigungszelle Labor
7. Steuerung von Werkzeugmaschinen
 7.1 Steuerung und Regelung der Vorschubantriebe [2, Kap. 7.3]
     7.1.1 Interpolation  
     7.1.2 Lageregelung
 7.2 CNC-Maschinen [2, Kap. 7.4]
     7.2.1 Bahnvorgabe durch G-Codes
     7.2.2 Bahninterpolation
          - Beispiel Portalfräsmaschine
 7.3 Kurvenscheiben [2, Kap. 7.4]
     7.3.1 Mechanische Kurvenscheiben
     7.3.2 Elektronische Kurvenscheiben
     7.3.3 CAM-Steuerung einer Drehmaschine
     7.3.4 CAM-Steuerung einer Fliegenden Säge
  7.4 Elektronisches Getriebe
  7.5 Wickelmaschinen
 
        - Tänzerwalzenregelung
8. Funktionale Sicherheit
  8.1 Schutzmaßnahmen für Industrieroboter und Werkzeugmaschinen
  8.2 Fehlersichere Steuerungen
[2, Kap. 9.1]
      8.2.1 Redundanz und Diversität
      8.2.2 Aufbau und Funktionsweise sicherheitsgerichteter SPSen
      8.2.3 Sicherheitsgerichtete Feldbusse
  8.3 Gefahren- und Risikoanalyse [2, Kap. 9.1]
      8.3.1 Ereignisbaumanalyse
      8.3.2 Fehlerbaumanalyse
      8.3.3 Risikograf
      8.3.4 Safety Integrity Levels (SIL)
9. Fertigungsablaufplanung
  9.1 Montageplanung mit Vorranggrafen
  9.2 Koordination paralleler Abläufe mit Petri-Netzen
[2, Kap. 5.6]
      9.2.1 Ablaufmodellierung mit Petri-Netzen
      9.2.2 Algebraischer Entwurf zur Koordination
      9.2.3 Analyse auf Steuerbarkeit durch Erreichbarkeitsgrafen
      9.2.4 Programmentwurf
  9.3 Ablaufplanung für eine Fertigungszelle [2, Kap. 7.1]
10. Zusammenfassung

Literatur

Weber, W.: Industrieroboter: Methoden der Steuerung und Regelung, Hanser Vlg., 2017. E-Book in Bibliothek
Seitz, M.: Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Industrie 4.0, Hanser Verlag, 2021. E-Book in Bibliothek
Bässmann, Kreyss: Bildverarbeitung Ad Oculos, Springer Vlg. 2004, E-Book in Bibliothek
Berns, Puttkamer: Autonomous Land Vehicles: Steps towards Service Robots, Vieweg+Teubner, 2009 E-Book in Bibliothek
Seitz, M.: SPS-Lern-und-Übungsseite, www.seitz.et.hs-mannheim.de

Zentraler Bestandteil der Lehrveranstaltung ist die praktische Umsetzung der in der Vorlesung behandelten Themen durch folgende Laborprojekte:

Projekt 1: SPS-Programmierung in der Fabrikautomation 
Projekt 2: Industrieroboter mit Bildverarbeitung 
Projekt 3: Mobile Roboter und bildgestützte Regelung 
Projekt 4: Steuerung von Werkzeugmaschinen mit Motion-Control-Systemen