Industrieroboter - Methoden der Steuerung und Regelung

von: Wolfgang Weber

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2017

ISBN: 9783446435780

Sprache: Deutsch

250 Seiten, Download: 22821 KB

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Industrieroboter - Methoden der Steuerung und Regelung

	Inhalt	12
	1 Komponenten eines Industrieroboters	16
	1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern	16
	1.2 Mechanischer Aufbau	18
	1.3 Steuerung und Programmierung	22
	1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung	24
	1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik	27
	2 Beschreibung einer Roboterstellung	30
	2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung	30
	2.1.1 Koordinatensysteme	30
	2.1.2 Freie Vektoren	30
	2.1.3 Operationen mit Vektoren	32
	2.1.4 Ortsvektoren	34
	2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen	35
	2.1.6 Rotationsmatrizen	35
	2.1.7 Homogene Matrizen (Frames)	38
	2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel	40
	2.1.9 Freiheitsgrad des Robotereffektors	44
	2.1.10 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen	45
	2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter	47
	2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette	47
	2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention	48
	2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter	53
	2.3 Übungsaufgaben	56
	3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten	58
	3.1 Die Vorwärtstransformation	59
	3.2 Die Rückwärtstransformation	59
	3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten	59
	3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze	60
	3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter	61
	3.2.4 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter	64
	3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix	70
	3.4 Übungsaufgaben	71
	4 Bewegungsart und Interpolation	72
	4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten	72
	4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten	74
	4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung	74
	4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation	76
	4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation	78
	4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite	80
	4.2.5 Synchrone PTP	82
	4.2.6 Vollsynchrone PTP	83
	4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn	84
	4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung)	86
	4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung	86
	4.3.2 Linearinterpolation	87
	4.3.3 Zirkularinterpolation	89
	4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn	96
	4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen	97
	4.4.1 PTP-Überschleifen	98
	4.4.2 CP-Überschleifen	99
	4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn	100
	4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten	102
	4.5 Übungsaufgaben	104
	5 Roboterprogrammierung	107
	5.1 Online-Roboterprogrammierung	108
	5.1.1 Teach-In-Programmierung	108
	5.1.2 Play-Back-Programmierung	110
	5.1.3 Master-Slave-Programmierung	111
	5.2 Offline-Programmierung	112
	5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache	113
	5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung	113
	5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung	114
	5.3 Roboterprogrammiersprachen	116
	5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen	117
	5.3.2 Programmbeispiel	119
	5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation	121
	5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten	123
	5.6 Übungsaufgaben	124
	6 Modell der Dynamik	125
	6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse	125
	6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils	125
	6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik	127
	6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks	129
	6.1.4 Gesamtmodell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks	130
	6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren	131
	6.2.1 Kinematische Berechnungen	133
	6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente	136
	6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen	138
	6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung	139
	6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren	140
	6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung	145
	6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke	149
	6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke	150
	6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen	152
	6.4 Übungsaufgaben	153
	7 Regelung	156
	7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen	156
	7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur	160
	7.2.1 Übersicht und Regelstrecke	160
	7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler	162
	7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler	165
	7.2.4 Entwurf des Lagereglers	168
	7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung	174
	7.2.6 Hinweise zur Realisierung	178
	7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen	180
	7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte	183
	7.4.1 Zentrale Vorsteuerung	183
	7.4.2 Entkopplung und Linearisierung	185
	7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen	188
	7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten	190
	7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur	193
	7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen	195
	7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten	196
	7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung	198
	7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren	200
	7.5.1 Fuzzy-Regelungen	200
	7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung	202
	7.6 Strukturen von Kraftregelungen	205
	7.7 Übungsaufgaben	207
	Anhang	209
	A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen	209
	B Aufstellen der Jacobi-Matrix	213
	B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile	213
	B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens	215
	C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung	217
	C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk	217
	C2 Statische Reibung beim Roboterarm	219
	D ManDy: Programmier- Simulations- und Visualisierungswerkzeug	221
	E Weitere Simulationswerkzeuge	224
	E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter	224
	E2 Spline-Interpolation mit zwei Bahnsegmenten	224
	E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter	225
	E4 Simulation einer Eingelenkregelung	227
	Literatur	228
	Formelzeichen	236
	Index	240
	Hinweise zur Internetseite	243

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