Industrieroboter - Methoden der Steuerung und Regelung

Industrieroboter - Methoden der Steuerung und Regelung

 

 

 

von: Wolfgang Weber

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2017

ISBN: 9783446435780

Sprache: Deutsch

242 Seiten, Download: 22821 KB

 
Format:  EPUB, PDF

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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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