Hol-I-Wood PR

Projektschwerpunkte

• Zeitoptimale Prozessabläufe
• Visuelle Positionsregelung
• Flexible Produktionssysteme

Beschreibung

Die Korrektur von natürlichen Holzdefekten, wie z.B. Harztaschen oder Astlöchern, unterbricht die automatisierten Produktionsabläufe in der Holzindustrie. Dabei ist die menschliche Arbeitskraft insbesondere für die Detektion und Klassifikation von Holzdefekten sowie für deren Reparatur erforderlich.

Diese für den Menschen monotone und mühselige Arbeit wird im Rahmen des Projekts “Holonic Integration of Cognition, Communication and Control for a Wood Patching Robot”, kurz “Hol-I-Wood PR”, automatisiert. Diese innovative so genannte “Wood Patching”-Anlage wird in die Schalungsplattenproduktion unserer Partner integriert.

Loser Ast.

Ein Multisensorsystem scannt die Schalungsplatten und ermittelt die Defektdaten, wie beispielsweise die Position und den Umriss des losen Astes aus Abb. 1. Ein so genannter Patch-Roboter korrigiert die Defekte durch Ausbohren und Einschlagen eines oder mehrerer Stopfen (engl. patches), siehe Abb. 2. Dabei bedient der Holzscanner mehrere Produktionslinien, welche über Kreuzungen miteinander verbunden sind. Bei diesem Prozess treten Optimierungsprobleme in vielfältiger Form auf, die in Echtzeit gelöst werden müssen.

Anfangs werden für jeden Defekt die minimale Anzahl an Stopfen und deren Anordnung berechnet. Dabei unterliegt die Anordnung der Stopfen starken Einschränkungen, da sichergestellt werden muss, dass sie fest mit der Platte verbunden sind.
Dann wird der zeitoptimale Roboterpfad zwischen den einzelnen Stopfen geplant. Dieses anspruchsvolle kombinatorische Optimierungsproblem, ähnlich des so genannten “Travelling Salesman Problems”, ist darüberhinaus zeitvariant, da die Schalungsplatten flexibel zu den einzelnen Produktionslinien zugeteilt werden und somit die anzufahrenden Fehlstellen dem jeweiligen Patch-Roboter zeitlich versetzt bekanntgegeben werden.
Der Patch-Roboter ruft nach erfolgter Plattenzuteilung die notwendigen Daten aus einer Datenbank ab, bewegt die Platte mithilfe zeitoptimaler Trajektorienplanung und visueller Positionsregelung entlang des gewünschten Pfades und platziert die Stopfen.
Dabei werden die Positionsdaten der Platte vom Kamera-Netzwerk mit Positionsdaten “konventioneller” Sensoren, die jeweils mit unterschiedlichen Abtastzeiten und Genauigkeiten zur Verfügung stehen, kombiniert.

Korrigierter Defekt.

Aufgrund der Toleranzen des natürlichen Werkstoffes Holz und der rauen Produktionsumgebung in Sägewerken muss die Automation robust, fehlertolerant und flexibel ausgelegt werden. Dies erfolgt durch den Einsatz moderner Regelungs- und Beobachterkonzepte.

Darüberhinaus erreicht die Forschungsgruppe für Automatisierungs- und Steuerungssysteme des ACIN durch automatisierte flexible Zuteilung, Umleitung und gegebenenfalls auch durch Pufferspeicherung der Schalungsplatten zwischen den einzelnen Produktionslinien eine gleichmäßige, höchstmögliche Anlagenauslastung. Bei Störung einer oder mehrerer Patch-Roboter werden die Schalungsplatten sofort neu zugeteilt, ohne dass es zu unnötig hohen Produktionsausfällen kommt.

Anwendungsbereiche

Die Reparatur von Fehlstellen im Holz steigert dessen Wert unabhängig von der endgültigen Verwendung. Bei Schalungsplatten wird deren Funktion sichergestellt, bei Möbeln, Fensterrahmen o.Ä. wird das Erscheinungsbild verbessert.

Generell treten ähnliche Problemstellungen, wie z.B. optimale Pfadplanung, Positionierung von Werkstücken, welche nur durch Reibschluss (nicht durch Formschluss) bewegt werden oder maximale Anlagenauslastung, in weiten Bereichen der Prozesskettenoptimierung auf.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• M. W. Hofmair, M. Melik-Merkumians, M. Böck, M. Merdan, G. Schitter, and A. Kugi, Patching process optimization in an agent-controlled timber mill, Journal of Intelligent Manufacturing, vol. 28, iss. 1, p. 69–84, 2017.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Hofmair14,
  Title = {Patching process optimization in an agent-controlled timber mill},
  Author = {Hofmair, Matthias Wolfgang and Melik-Merkumians, Martin and B\"ock, M. and Merdan, M. and Schitter, G. and Kugi, A.},
  Journal = {Journal of Intelligent Manufacturing},
  Pages = {69--84},
  Volume = {28},
  Year = {2017},
  Number = {1},
  Doi = {10.1007/s10845-014-0962-z},
  ISSN = {1572-8145},
  }

• M. W. Hofmair, Process Optimization and Control of a Patching Plant for Shuttering Panels, A. Kugi and K. Schlacher, Eds., Aachen: Shaker Verlag, 2016, vol. 32.
  [BibTex]

  @Book{Hofmair16,
  Title = {Process Optimization and Control of a Patching Plant for Shuttering Panels},
  Author = {Hofmair, M. W.},
  Editor = {A. Kugi and K. Schlacher},
  Publisher = {Shaker Verlag},
  Year = {2016},
  Address = {Aachen},
  Series = {Modellierung und Regelung komplexer dynamischer Systeme},
  Volume = {32},
  ISBN = {978-3-8440-4745-5},
  Organization = {Institute f{\"u}r Automatisierungs- und Regelungstechnik (TU Wien) und Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (JKU Linz)},
  }

• M. W. Hofmair, M. Böck, and A. Kugi, Time-Optimal Trajectory Generation, Path Planning and Control for a Wood Patching Robot, in Proceedings of the 2015 IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, Australia, 2015, p. 459–465.
  [BibTex]

  @InProceedings{Hofmair15,
  author = {Hofmair, Matthias Wolfgang and B\"ock, Martin and Kugi, Andreas},
  title = {Time-Optimal Trajectory Generation, Path Planning and Control for a Wood Patching Robot},
  booktitle = {Proceedings of the 2015 IEEE Conference on Control Applications (CCA)},
  year = {2015},
  publisher = {IEEE},
  month = {9},
  pages = {459--465},
  doi = {10.1109/CCA.2015.7320672},
  address = {Sydney, Australia},
  }

Projektpartner und Förderung

Am Projekt “Hol-I-Wood PR” arbeiteten zusammen mit dem ACIN drei weitere öffentliche Forschungseinrichtungen und vier Industriepartner aus fünf Ländern der EU:

• Lip Opazne Plosce Bohinj Doo (Slovenien)
• Lulea Tekniska Universitet (Schweden)
• MiCROTEC (Italien)
• Springer (Österreich)
• Technische Universität München (Deutschland)
• TTTech (Österreich)

Das Projekt wurde im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission gefördert.

• Projektakronym: Hol-I-Wood PR
• Projekttitel: Holonic Integration of Cognition, Communication and Control for a Wood Patching Robot
• Projektnummer: 284573