TUD
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Lernkarten
Antriebsarten für Roboter
hydraulisch:
- für große Kräfte und mobile Systeme
- hohe Leistungsdichte bei kleinen Abmessungen
- aber: Hydraulikaggregat braucht viel Platz, mögliche Undichtigkeiten, keine Selbsthemmung, Stick-slip
pneumatisch:
- für einfache Point-to-point Aufgaben
- für nicht numerische Achsen
- preiswert, einfach, robust, leicht, schnell, sauber, fast stick-slipfrei
- aber: begrenzte Leistung, schlechte Regelbarkeit keine Selbsthemmung
elektrisch:
- Großteil aller Roboterantriebe
- gute Regelbarkeit, schnell startbereit, geringe Kosten, guter Wirkungsgrad, geräuscharm, sauber
- aber: größere Baumaße bei großen Kräften
Gleichstrommotor, Synchronmotor, Asynchronmotor: Vor- und Nachteile
Gleichstrommotor
- Vorteile
- gute Dynamik
- großer Drehzahlstellbereich
- vielfältige Bauarten
- einfache Ansteuerung
- Nachteile
- Trafo notw.
- Bürsten und Kommutatoren verschleißen
- Wärmeabfuhr über die Rotorwelle
Synchronmotor:
- Vorteile
- gute Dynamik, hohe Überlastbarkeit mgl.
- hohe Schutzart
- wartungsfrei
- etwas aufwändigere Ansteuerung, aber noch einfach
- Nachteile
- max. Drehzahl durch Fliehkraft begrenzt
- hochauflösender Rotorstellgeber notw.
Asynchronmotor:
- Vorteile
- kompakt
- hohe Überlastbarkeit
- hohe Schutzart
- wartungsfrei
- hoher Drehzahlstellbereich
- Nachteile
- aufwendige Ansteuerung
- hohe Wärmeentwicklung
- kleiner Wirkungsgrad
Kraftübertragung bei Robotern - Funktionen
- bei indirekten Antrieben notwendig
Wandeln:
- Untersetzung der Drehzahl für hohe Moment
- Untersetzung mit Harmonic Drive, Planetengetriebe
- rot. Bew. in translatorisch
Übertragen: Motor am Anfang der kinematischen Kette
Unterstützen: Reduzierung der Differenz zwischen Bewegung in und gegen Richtung der Gewichtskraft
Kraftübertragung - Anforderungen
- geringes Verdrehspiel und hohe Steifigkeit
- geringe Hysterese, hoher Wirkungsgrad
- geringe Positionsfehler
- hohe Dynamik
- Schwingungsarmut
- Betriebssicherheit und Überlastbarkeit
- geringes Bauvolumen
Aufgabenbereiche einer Robotersteuerung
Funktionssteuerung mit Bewegungssteuerung und Aktionssteuerung
- koordinierte Bewegung der Achsen
- Aktionen gekoppelter Funktionsträger
- Kontrolle der Systemfunktionsfähigkeit
- Störungen erkennen und anzeigen
Ablaufsteuerung
- Abarbeitung des Programms
- Wiederanlauf nach Stopp, Notaus, Halt
- Abarbeitungsformen: manuell und automatisch
- Reaktionen auf Sensorsignale
Dialogsteuerung
- Bedien- und Programmierfkt
- Datensicherung
- Protokoll
- Verarbeitung von Steuerfkt. (Laden von Programmen...)
Unterschiedliche Anforderungen:
NC- Funktionen: Achsansteuerung
SPS: Peripheriesteuerung
VPS: Lageregelung
PC: Programmierung, Bedienung, Visalisierung
Funktionsgliederung der Bewegungssteuerung
1. Programmsteuerung mit Logikteil
- Abarbeiten des Programms
2. Bewegungskommando mit Geometriedaten
- Programm enthält Logik- und Geometriedaten
- beinhaltet bewegungsbestimmende Parameter und Geometriedaten zur Pose
3. Bahnplanung und 4. Interpolator
- berechnen im Interpolationstakt Stützpunkte für die Bewegung, bestimmt durch Position und Orientierung
5. Koordinatentransformation
- Umrechnen der Stützpunkte in Sollvorgaben für die Einzelachse
6. Sollwerte für die Lageregelkreise
Bewegungsbeeinflussende Parameter
- max. Achsgeschw. / -beschl.
- TCP Geschwindigkeit bei PTP / Bahninterpolation (linear, zirkular, spline, pendelnd)
- TCP Beschleunigung
- Interpolationsart
- Überschleifen
- Koordinatentransformation
Bewegungssteuerung Überschleifen
für das Verrunden von Roboterbewegungsbahnen
wegabhängig oder geschwindigkeitsabhängig
Koordinatentransformation + Probleme der Rückwärtstransformation
vorwärts: Antrieb auf Abtrieb
rückwärts: Abtrieb auf Antrieb
Probleme der Rückwärtstranformation
- math. mehrdeutig
- Unstetigkeiten
- Kinematiken mit mehreren Lösungen (>360°)
- singuläre Stellungen --> unendlich Lösungen (2 Achsen in Flucht)
- Überschreiten von Achs- und Arbeitsbereichsgrenzen
Programmieren von IR
- Gestaltung der Aufgabe aus fertigungstechnischer und organisatorischer Sicht
- Zielkriterien (Qualität, Zeit, Kosten)
- Verfahrensparameter
- org. Bedigungen
-Formulieren der Steueraufgabe
- Möglichkeiten der Programmiersprache
- Programmgestaltung (Pflege, Sicherheit)
- Eingeben des Programms: Programmiersystem /-umgebunng
- Testen und Modifizieren: unter realen geom., kin., anlagentechnische Bedigungen
Anforderungen an den Programmierer
- komplexes Wissen über Fertigungsprozess, Info-Verarbeitung, Automatisierungstechnik, Robotertechnik
- formale Aufgaben bei der Programmierung (teachin)
- Spezifik der versch. Sprachen
- untersch. Anforderungen durch Anwendungsbreite
Programmierverfahren
- Online
- Teach In
- direkt: manuelles Bewegen des Roboters, Mitschreiben der Punktfolge
- indirekt: Bewegen mit Antrieben per Joystick
- textuell: Eingabe des Programmcodes mit allen Parametern
- Teach In
- Offline
- explizit
- algorithmische Beschreibung
- gerätebezogen (Bewege die jeweilge Achse) oder raumbezogen (fahre an den bestimmten Ort)
- implizit
- algorithmische oder deskriptive Beschreibung
- aufgabenbezogen (setze K2 auf K1) oder funktionsorientiert (hole Bauteil vom Tisch)
- explizit
Bestandteile der Programmiersprachen
- Programmiersprache: Menge von Sprachelementen mit bestimmten Kombinationsregeln
- Syntax: Regeln für die zulässigen Konstruktionen von Sprachelementen
- Semantik: Bedeutung der Elemente und ihrer Kombinationen
- Pragmatik: praktische Umsetzung
- Memorik: Form der Darstellung der Elemente
3 Quellen von Programmiersprachen
NC- Befehle
Hochsprachen
roboterspezifische Sprachen
Sensorsignalverarbeitung in IR-Steuerungen;
Sensordefinition und Notwendigkeit von Sensoren
- Aufnehmen, Wandeln, Umformen (--> Messsignal)
- Signalvorverstärkung: Verstärken, Linearisieren, Logarithmisieren
- Informationsverarbeitung: vergleichen, bewerten, umrechnen
- Ausgeben: Wandeln, Umsetzen
Definition:
Sensoren sind Bauelementen, die physikalische oder chemische Zustände sowie deren Veränderungen erfassen und in ein verarbeitbares Signal umwandeln
Notwendigkeit:
- Überwachung von Prozessschritten
- Beherrschen unsicherer Prozesse
- Prüfung von Qualitätsmerkmalen
- Typwechsel
- Anlagenbedienung und Sicherheit
- ereignisgesteuerte oder zeitgesteuerte Prozessführung
Sensoren - Einsatzbeispiele
- interne Weg- und Geschwindigkeitsmessungen
- Diagnose: Medienanschlüss, Antriebe
- Kollisionsschutz
- Zustandsüberwachung der Gesamtlage (Anwesenheit von Bauteilen, Öffnungszustand, Zählen...)
- sequentielle Sensorabfrage, quasiparallele Abarbeitung in SPS
- Abstands- und Längenmessungen (Positionskorrektur, Messung mit Lasertriangulation)
- Bildverarbeitung (Kontrolle auf Vollständigkeit, Werkstückerkennung, Lagebestimmung)
- Bahnverfolgung
Admittanz- und Impedanzreglung
Admittanz: Roboter soll vorgegebene Kraft ohne Berücksichtigung der Lage einhalten (Bsp Schleifen); Ausgleichbewegungen jeweils orthogonal auf dem AufgabenKOS
Impedanz: nominale Bewegungsplanung bleibt unberührt, Kraftregelkreis erzeugt prozessspezifisch angepasste Positionsänderungen
Grundsätze der Robotereinsatzplanung
- zur Handhabung von Werkstücken und Werkzeugen
- integraler Bestandteil des Produktionssystems
- gesamten Material-, Informations-, Energiefluss planen
- Anforderungen an das Gesamtsystem ableiten (QS, Verfügbarkeit, Flexibilität)
- grundlegende Zielrichtungen
- technische Lösungen für autom. Erfüllung der Fertigungsaufgabe entwicklen
- Befreiung des Menschen von physischer und psychischer Belastung, Mensch darf aber nicht Adapter zwischen Maschine und Umwelt werden
- Voregehensweise: entscheidend ist:
- Aufgabe ist Teil langfristigen Entwicklungstrategie
- ERzeugnisprogramm kritisch überprüft
- Fertigungsvorbereitung ist auf IR-Einsatz angepasst
- Einbeziehen von Alternativlösungen ohne IR
- iteratives Vorgehen
- bei steigender Detaillierung Variantenzahl einschränken
- Mitarbeiter einbeziehen
Schritte der Einsatzplanung von Robotern
- Ist-Zustands-Analyse
- Festlegen der Systemgrenzen: Planungbereich und -aufgabe
- Produkt- und Prozessanalyse: Stückzahlen, Verfahren, Handhabungseigenschaften...
- Grobbewertung: Vergleichslösungen, techn. / wirtsch. Machbarkeit
- Konzeptphase
- Funktionsanalyse: Einzelvorgänge, Zeitschätzung, Teillösungen
- Ablauf: Materialfluss, Arbeitsinhalte, org. / techn. Steuerung
- Systemgestaltung: Layout, Variantenbewertung
- Planungsphase
- Betriebsmittelauswahl: Bereitstelleinrichtungen, Roboter, WZ
- Ablaufplanung: Prozessablauf, Gesamtablauf
- Layoutplanung: Feinplanung, Simulation, Bewertung
Technisch-wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten von IR
Beachten von:
- Orientierungszustand der Handhabungsorbjekte (geordnet, ungeordnet)
- Anzahl und Verschiedenartigkeit der Handhabungsobjekte
- Automatisierungsniveau der Verfahren
- notwendige Sekundärprozesse (Reinigen, Entgraten)
- notwendige Prüf- und Sensorfkt.
- Komplexität der Bewegungsabläufe
- Positioniergenauigkeit
- Traglast
- Umrüsthäufigkeit
- Einsatzdauer
- Schichtanzahl, Amortisationsdauer
3D Simulation von Roboterzellen
Arten
- graphisches Modell: 3D
- kinematisches M.: alle aktiven Mechanismen --> Festlegung von Achsen, Bewegungsgrenzen, kin. Kette
- dynamische M.: Festlegen Beschl, Geschw.
- funktionales M.: Nachbilden der Steuerungsfkt., Peripherie, Prozessfkt.
Einsatzgebiete der Robotersimulation
Machbarkeits- / Konzeptstudien
Layoutplanung
Taktzeitbestimmung
Offlineprogrammierung
Aspekte des Arbeitsschutzes
- rechtliche Aspekte
- Arbeitsschutz ist öfftl. Recht, Erfüllung der Normen
- ethnische A.:
- Interesse an körperlicher Unversehrtheit
- Gesellschaftsaspekte:
- soziales Interesse der Unternehmer Mitarbeiter vor Schaden zu bewahren
- funktionale A.:
- ungestörter Ablauf der Produktion und des Prozesses
- ökonomische A.:
- Vermeiden von Folgekosten aufgrund von Personenschäden
Gefährdungspotential IR + Betreten des Arbeitsraumes
- offene kinematische Kette: Arbeitsraum schwer erkennbar
- Bewegung auf nicht vorhersehrbaren Bahnen
- Reaktionszeiten, Bewegung bis Stopp des IR, hohe dynamische Kräfte
- Störungen: nicht programmierte Aktionen
- Bediener im Arbeitsraum
Betreten des Arbeitsraumes: Teach In, Kontrolle des Bahnverhaltens und der verfahrenstechn. Funktionen
Signifikante Gefährdungen durch IR
- mechanische Gefährdungen:
- Bewegen des Arms, herabfallende, fliegende Teile --> Quetschungen, Scheren, Erfassen,...
- elektrische
- Kontakt mit spannungsführenden Teilen, Lichtbogemexpositionen --> Schlag, Schäden am Auge und Haut, Herzschrittmacher
- ergonomischer Kack
- unzureichend gestaltetes Handgerät --> Ermüden, Fallenlassen, Augenschädigung (???)
Risikobeurteilung
- bestimmungsmäßiger Betrieb des IR mit Bediener, Instandhalter, ...
- unerwarteter Anlauf
- Zugang von Personen
- vorhersehrbare Fehlanwendungen des IR
- Auswirkungen bei Steuerungsausfall
- mit IR-Anwendung verbundene Gefahren
Konstruktive Sicherheit an IR
- mechanisch
- Kapselung der Gefahrstellen
- Vermeiden von Quetsch- und Scherstellen
- Transportösern verwenden
- trennende Schutzeinrichtungen (Kabinen)
- Zweihandbedienung
- Schleusen, Fenster für Zu- und Abführen von Bauteilen
- Lichtschranken
- Steuerungsaspekte:
- Watch-dog (Hardwareüberwachung der Funktionen)
- Bewegungsüberwachung
- internes, externes Notaus
- Benutzung Programmierhandgerät --> Sperren Automatikmodus
- Tippschaltung für Bewegung
- v reduzieren beim Programmieren
- eindeutige Betriebsartwahl: manuell oder autom.
- nach Notaus: bewusster Wiederstart
