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



1 Komponenten eines Industrieroboters
1.1  Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern

Der Begriff Roboter hat seinen Ursprung im tschechischen Wort „robota“ (arbeiten) und wurde zuerst 1921 im Bühnenstück „Rossums Universal Robot“ des tschechischen Schriftstellers Karl Capek verwendet, wobei die Roboter alle schweren Arbeiten verrichten, mit der Zeit jedoch zu rebellieren beginnen. Auch heute wird der Begriff Roboter immer wieder mit Anthropoiden, menschenähnlichen Maschinen, in Verbindung gebracht, denen neben der Fähigkeit Werkzeuge zu führen und mechanische Arbeit zu verrichten auch Charaktereigenschaften und vom Willen gesteuertes Handeln unterstellt werden.

Der Begriff „intelligenter Roboter“ wird verwendet, wenn der Roboter als wissensbasierter Agent aufgefasst wird, der mehr oder weniger „intelligent“ mit seiner Umgebung interagiert (/1.12/). In diesem Zusammenhang befassen sich auch Sozial- und Kulturwissenschaftler mit den Auswirkungen der Robotik, meist im Zusammenhang mit der Künstlichen Intelligenz, auf die gesellschaftliche Entwicklung (siehe z. B. /1.1/, /1.5/).

Auch in technisch orientierten Kreisen wird zum Teil der Begriff Roboter weit gefasst. So werden z. B. Systeme, die etwas wahrnehmen, diese Information verarbeiten und dann entsprechend handeln, als Roboter bezeichnet. Unter solche weit gefassten Definitionen lassen sich autonome Fahrzeuge, mit Sensorik ausgerüstete Baumaschinen etc., aber auch einfachere Systeme einordnen.

In diesem Buch soll der Industrieroboter im Mittelpunkt stehen. Der Industrieroboter kann als Handhabungsgerät aufgefasst werden. Die Handhabungstechnik befasst sich mit technischen Einrichtungen, die Bewegungen in mehreren Bewegungsachsen im Raum ähnlich den Bewegungen des Menschen ausführen. Einteilung und Definition von Handhabungsgeräten weichen mehr oder weniger voneinander ab. In der VDI-Richtlinie 2860 wird Handhaben als „das Schaffen, definierte Verändern oder vorübergehende Aufrechterhalten einer vorgegebenen räumlichen Anordnung von geometrisch bestimmten Körpern“ verstanden.

 

Bild 1.1 Einteilung von Handhabungsgeräten

Obwohl mit dem Industrieroboter vielfältige Bearbeitungsaufgaben wie Schweißen und Lackieren ausgeführt werden, wird er meist als spezielles Handhabungsgerät betrachtet. Bild 1.1 zeigt eine mögliche Einteilung. Einlegegeräte werden zum Zuführen und Entnehmen von Werkstücken eingesetzt. Sie haben wenige Achsen und erhalten Weginformationen über Endschalter. Mit diesen Geräten ist es nicht möglich, definierte Bahnen im Raum zu programmieren. Manipulatorsysteme dienen der Fernhantierung, sie haben die Entwicklung von Industrierobotern entscheidend beeinflusst. Manipulatoren werden durch menschliche Intelligenz gesteuert. Ein Operateur trifft Entscheidungen und gibt Bewegungen vor. Manuelle Geschicklichkeit, kognitive Fähigkeiten, komplexe Sensorik und Erfahrung des Menschen werden genutzt und vom technischen System unterstützt. Der Einsatz liegt hauptsächlich bei schwierigen, unerwarteten Hantierungsaufgaben in schwer zugänglichen, gesundheitsgefährdenden Umgebungen. Zur Steuerung des Arbeitsarms des Telemanipulatorsystems werden ähnlich aufgebaute Bedienarme, Joy-Sticks oder Ähnliches genutzt. Telemanipulatoren sind ferngesteuerte Manipulatoren, wobei der Bediener über ein Kamerasystem Informationen über die Arbeitsumgebung erhält. Oft sind jedoch auch Telemanipulatoren programmierbar oder die Telemanipulatortechnik wird zur Programmierung von Industrierobotern verwendet. Die VDI-Richtlinie 2860 definiert den Industrieroboter auf folgende Weise:

Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar (d. h. ohne mechanischen Eingriff vorzugeben bzw. änderbar) und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabe- oder andere Fertigungsaufgaben ausführen.

Etwas allgemeiner ist die Definition nach DIN EN ISO 8373. In Japan wird von der Japan Industrial Robot Association (JIRA) der Begriff Industrieroboter viel weiter gefasst /1.6/. Bei einem Zahlenvergleich bez. des Einsatzes von Industrierobotern in verschiedenen Ländern ist deshalb Vorsicht geboten.

Der wesentliche Unterschied zu den anderen Handhabungsgeräten liegt in den Eigenschaften „frei programmierbar“ und „universell einsetzbar“. Der Industrieroboter hat aus ökonomischen Gründen dort sein Haupteinsatzgebiet, wo kürzere Produktzyklen, kleinere Serien und damit eine kostengünstige flexible Umrüstung gefordert sind. Wichtige Anwendungsgebiete sind Be- und Entladen, Schweißen, Entgraten, Lackieren, Montage, Vermessen. Aus der Industrieroboter- und Manipulatortechnik entstanden auch verwandte Bereiche wie Roboter im Bauwesen, Anwendungen in der Medizintechnik, Serviceroboter für Dienstleistungen u. Ä.

Die Servicerobotertechnik stellt eine Verbindung zwischen der Manipulatortechnik und der Industrierobotertechnik her. Ein Serviceroboter erbringt Dienstleistungen für den Menschen, er reagiert dabei direkt auf Anweisungen des Menschen wie ein Manipulator, führt aber auch Teilaufgaben automatisch und programmgeführt durch.

1.2  Mechanischer Aufbau

Ein Industrieroboter hat die Aufgabe einen Effektor geeignet im Raum zu führen. Der Effektor kann ein Greifer, eine Messspitze, ein Bearbeitungswerkzeug etc. sein. Der Effektor ist dasjenige Teil des Roboterarms, welches mit der Umgebung in Kontakt tritt, um Werkstücke aufzunehmen, zu bearbeiten und vieles mehr. Ein charakteristischer Punkt des Effektors, z. B. die Werkzeugspitze, wird Tool Center Point (TCP) genannt. Der Roboter besteht aus mehreren Armteilen und Gelenken. Die Anordnung der Armteile und Gelenke bestimmt die kinematische Struktur. Man unterscheidet zwei Hauptklassen: Die serielle Kinematik und die Parallelkinematik.

Ein serieller Roboter besteht aus einer Aneinanderreihung von Armteilen, die durch Gelenke (Achsen) verbunden sind. Der Effektor kann als letztes Armteil aufgefasst werden. Die Bewegungsmöglichkeiten des Effektors sind im Wesentlichen durch die mechanische Konstruktion des Roboters bestimmt, d. h. durch die Größenverhältnisse der Armteile, den Typ und die Anordnung der Gelenke. Man spricht auch etwas ungenau von der Roboterkinematik. In Bild 1.2a ist ein Industrieroboter der Firma Stäubli Tec-Systems mit sechs rotatorischen Gelenken (Drehgelenken) abgebildet.Dieser häufig verwendete Typ wird als vertikaler Knickarmroboter bezeichnet und kann vielseitig eingesetzt werden.

Man unterteilt die Achsen eines Industrieroboters in Haupt- und Nebenachsen. Die Hauptachsen beeinflussen wesentlich die Position des TCP im Raum, während die Nebenachsen nur kleine Positionsänderungen hervorrufen aber hauptsächlich die Ausrichtung des Effektors, die Orientierung, bestimmen.

 

Bild 1.2 a) Knickarmroboter (Werkbild Stäubli), b) SCARA-Roboter TS60 von Stäubli (Werkbild Stäubli)

Ein Körper, der sich im Raum frei bewegen kann, hat den Freiheitsgrad 6. Nach der VDI-Richtlinie 2861 ist der Freiheitsgrad f die Anzahl der möglichen unabhängigen Bewegungen (Verschiebungen, Drehungen) eines starren Körpers gegenüber einem Bezugssystem. f entspricht der Anzahl der Angaben, die die Lage eines Körpers im Raum vollständig beschreibt. Die Lage des Effektors (Position und Orientierung), auch Pose in der Roboterliteratur genannt, kann durch drei Positionsangaben und drei Drehwinkel bezogen auf ein Bezugskoordinatensystem beschrieben werden (siehe auch Abschn. 2.1).

Der Getriebefreiheitsgrad F gibt an, wie viele unabhängig voneinander angetriebene Achsen zu einer eindeutigen Bewegung des Roboterarms führen. Durch eine geeignete Anordnung der Gelenke kann mit sechs Gelenkachsen (F = 6) dem Effektor der maximale Freiheitsgrad f = 6 verliehen werden. Dies ist bei den Knickarmrobotern mit sechs Achsen realisiert. In Sonderfällen werden Roboter mit mehr als sechs Achsen (F > 6) eingesetzt, so genannte redundante Kinematiken, um die Feinbewegungen zu verbessern, was jedoch zu höheren Kosten verbunden mit einem größeren Steuerungsaufwand führt. Auch Zweiarmroboter werden für spezielle Aufgaben eingesetzt. Bild 1.3a zeigt eine Lösung der Fa. YASKAWA Europe GmbH mit insgesamt 15 Gelenken. Ein solches Zweiarmsystem eignet sich für eine flexible und platzsparende Montage, wobei zusätzlich Haltevorrichtungen eingespart werden können. Während die typischen Industrieroboter ein Verhältnis der Lastmasse zur Eigenmasse von 1 : 10 aufweisen, sind Leichtbauroboter auf dem Markt, die ein Verhältnis der Lastmasse zur Eigenmasse von ca. 1 : 2 aufweisen. Bild 1.3b zeigt den Leichtbauroboter iiwa von KUKA, der sieben Drehgelenke hat. Die Vorarbeiten zu diesem Roboter wurden vom Institut für Mechatronik und Roboter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleistet. Die notwendige Steifigkeit wird durch fortgeschrittene...

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