"TankWash" in Betrieb: Vollautomatische Vermessung und Reinigung von Einsatzfahrzeugen

Dass PKW, LKW mit Anhänger, Panzer und andere Sonderfahrzeuge in ihrem Konturverlauf exakt vermessen und anschließend konturgenau und kollisionsfrei mit Hilfe einer Robotersteuerung gereinigt werden können, hat das Fraunhofer IPA im Kundenauftrag der Firma Alfred Kärcher GmbH & Co. bewiesen. Technologisches Kernstück der Entwicklung bildet die IPA-eigene Robotersteuerung RTB sowie die neu entwickelte IPA-Software zur Konturvermessung mittels Laserscanner.

Nicht nur bei militärischen Einsätzen, mit ihren potenziell verheerenden Auswirkungen atomarer, biologischer und chemischer Waffen, sondern in zunehmendem Maße auch bei der Verschleppung von Krankheitserregern (Viren, Bakterien etc.) wie Maul- und Klauenseuche, Schweine- und Hühnerpest oder SARS können katastrophale Folgen entstehen. Um gegen diese Gefahren gerüstet zu sein, wurde von der Alfred Kärcher GmbH & Co. der Decont Jet 21, ein mobiles Dekontaminationssystem zum Entstrahlen, Entseuchen und Entgiften von PKW, LKW, Panzern und anderen Einsatzfahrzeugen entwickelt.

Neben der Hochdruckwasserreinigung und optionaler Dekontaminationsmitteleindüsung basiert der eigentliche Reinigungsprozess auf der Dekontamination mit Heißgas. Um die verseuchten Fahrzeugoberflächen zu reinigen und die Molekularstruktur von Bakterien zu zerstören, wird der bis zu 450 ºC heiße Abgasstrahl eines modifizierten Düsenjet-Triebwerks mit rund 10 000 PS Leistung eingesetzt. Das Triebwerk sitzt oben in dem vom Roboterarm geführten Dekontaminationsrahmen und wird bei den Überfahrten der einzelnen Reinigungsschritte über das zu reinigende stehende Fahrzeug mitbewegt. Der heiße Abgasstrahl wird innerhalb des Dekontaminationsrahmens in drei freipositionierbare Reinigungsbalken umgeleitet, die automatisch und konturgenau im gewünschten Abstand entlang der Fahrzeugoberfläche geführt werden und somit optimale Bedingungen für die Heißgasdekontamination sichern.

Kernstück der technologischen Innovation bildet die vom Fraunhofer IPA entwickelte Konturerfassung auf Basis zweier Laserscanner, die ebenfalls im Dekontaminationsrahmen oben links und rechts angebracht sind. Die Konturerfassung bietet die Möglichkeit, auch ungewöhnliche und unbekannte Fahrzeugkonturen, z. B. von Sondereinsatzfahrzeugen, vor der Reinigung exakt dreidimensional zu vermessen und daraus ein originalgetreues 3-D-Modell des Fahrzeugs zu erzeugen. Die 2-D-Laserscanner durchlaufen einen Messwinkel von 100° in 1/4°-Schritten und erreichen bei einer Frequenz von ca. 20 Scan-Profilen pro Sekunde eine Messgenauigkeit von ca. +/- 10 mm. Aus den so gemessenen 3-D-Modelldaten werden gemäß den Reinigungsschritten des ausgewählten Waschprogramms online die benötigten Bewegungsprogramme für den 9-achsigen Roboterarm generiert.

Die Bewegungsprogramme können direkt in die Robotersteuerung RTB eingespeist werden und dort unmittelbar zur Ausführung gebracht werden. Die Robotic Tool Box (RTB) ist eine vom Fraunhofer IPA für den industriellen Einsatz entwickelte und praxisbewährte modulare Robotersteuerung in C++, die sich innerhalb kürzester Zeit an die unterschiedlichsten Kinematiken (auch mit redundanten Achsen) und deren applikationsspezifische Besonderheiten anpassen lässt (Koordinatentransformation, Bahninterpolation, Sensorintegration, Bedienerschnittstelle etc.). „Aber ohne das hundertprozentige Engagement des IPA-Entwicklerteams mit seiner kontinuierlichen Präsenz vor Ort und die direkte und nahtlose Zusammenarbeit mit der Firma Alfred Kärcher GmbH & Co. wäre es nicht möglich gewesen, die Steuerung für den Decont Jet 21 erfolgreich aufzubauen und in nur drei Monaten in Betrieb zu nehmen“ sagt IPA-Projektleiter Christoph Schaeffer stolz auf die erbrachte Leistung seines Projektteams.

Die mit der RTB realisierte Steuerung für den Decont Jet 21 hat zwei Hauptaufgaben: zum einen bei der Konturerfassung die sensorgestützte Führung des 3,5 t schweren Dekontaminationsrahmens über die Mittellinie des noch zu vermessenden, unbekannten Objekts, zum anderen die Abwicklung der anschließenden konturnahen Reinigungsfahrten über das Objekt unter Einhaltung der positions- und geschwindigkeitssynchronen Vorgaben für den TCP (Tool Center Point) und die drei Reinigungsbalken. Durch die dynamische Verstellung der Reinigungsbalken in Kombination mit der TCP-Regelung werden Breite und Höhe des Reinigungstores kontinuierlich verändert, um so im gewünschten Abstand dem Verlauf der Fahrzeugkontur zu folgen.

Der Decont Jet 21 verfügt über äußerst komplexe Steuer- und Regelungssysteme. Neben der Steuerung von Roboterarm und Dekontaminationsrahmen (inkl. Heißgasturbine, Reinigungsbalken, Hoch- und Niederdruckdüsen) gibt es weitere anzusteuernde und zu koordinierende Baugruppen wie z. B. Bediensysteme Krankabine, Aggregateträger (Kerosin-, Wasser- und Chemikalientank und -pumpen), Hydrauliksysteme (Kranachsenregelung und Hubstützen), die zentrale Energieversorgung und Überwachung (110 KW Dieselaggregat) sowie eine Vielzahl an Sensoren und Messwertaufnehmern. Allein die Heißgasturbine besitzt einen speziellen Steuerrechner, der über die verschiedensten Sensoren (Temperatur, Drehzahl, Druck, Drosselklappenstellung etc.) und diverse Aktoren (Kraftstoffzufuhr, Drosselklappe, Bypass etc.) das Triebwerk im jeweils optimalen Betriebszustand hält. Das kontrollierte Hoch- und Runterfahren des Triebwerks ist hierbei ebenso wichtig, wie die ständige Kontrolle und Dokumentation der wichtigsten Betriebsparameter.

Obwohl eine komplette Robotersteuerung einschließlich inverser Koordinatentransformation zum Einsatz kommt, ist die Bedienung des Decont Jet 21 nach außen als Kransteuerung gekapselt, d. h. ohne die kontinuierlich per Kippschalter erteilte Freigabe des verantwortlichen Maschinenführers in der Krankabine kommt der Roboterarm aus Sicherheitsgründen umgehend zum Stillstand. Zusätzlich, um Einfachheit und Bedienbarkeit auch mit Schutzausrüstung und Handschuhen zu gewährleisten, wird die komplette Kransteuerung lediglich mit einem einfachen Bedienhebel und fensterbasierter Menüführung am Flachbildschirm gesteuert, d. h. Tastatur und Bedienpult sind nicht erforderlich.

Selbst bei widrigen Witterungsverhältnissen ist der Decont Jet 21 einsatzbereit. Vom Fraunhofer IPA wurden spezielle Regenfilter für die Auswertesoftware entwickelt, die die bei starkem Regen verursachten Störmessungen herausfiltern und so dennoch durchführbare Messungen mit den Laserscannern ermöglichen.

Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Kai Pfeiffer, Telefon: 0711-970-1226, E-Mail: pfeiffer@ipa.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Christoph Schaeffer, Telefon: 0711-970-1212, E-Mail: schaeffer@ipa.fraunhofer.de