Ein Gesamtkonzept zur Optimierung der Positioniergenauigkeit von Parallelstrukturen

• An overall concept to optimize the positioning accuracy of parallel robots

Wahle, Martin; Corves, Burkhard (Thesis advisor)

Aachen (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Die Positioniergenauigkeit von Parallelrobotern ist ein entscheidender Faktor bei der Bewertung der Prozessqualität und -stabilität. Innerhalb der vorliegenden Dissertation wird ein Gesamtkonzept zur Analyse und Verbesserung der Positioniergenauigkeit von Parallelrobotern vorgestellt. Die Methoden werden anhand eines Parallelroboters mit fünf Freiheitsgraden in der Praxis validiert, können aber aufgrund des generischen Ansatzes für beliebige, nicht-redundante Parallelroboter adaptiert werden. Grundsätzlich unterscheidet die Methode zwischen Positionierungsfehlern, welche als Regelfehler innerhalb der Steuerung zugänglich sind und solchen Positionsabweichungen, die nur durch redundante Sensorik bzw. externe Messtechnik erfasst werden können. Die Regelfehler werden durch den Einsatz einer modellbasierten Vorsteuerung, welche neben Trägheitseffekten auch Reibungseffekte berücksichtigt, minimiert. Weiterhin wird eine neue Reglerarchitektur vorgestellt, für welche die Eigenfrequenzen und die Dämpfungsgrade der End-Effektormoden in den einzelnen Freiheitsgraden unabhängig voneinander eingestellt werden können. Zur realistischen Abbildung des Gesamtregelkreises in der Simulation werden die Übertragungsverhalten der mechatronischen Komponenten identifiziert und abgebildet. Es wird gezeigt, dass bei Anwendung der neuen, gekoppelten Regelungsarchitektur die Stabilitätsgrenzen für einen PD-geregelten einzelnen Aktuator auf die Stabilitätsgrenzen der gesamten Parallelstruktur übertragen werden können. Weiterhin wird die Stabilitätsreduktion durch Elastizitäten der mechanischen Komponenten wie Plattform und Kardangelenken untersucht und mit einem Mehrkörpersimulationsmodell bewertet. Hierauf aufbauend wird ein Auslegungsverfahren vorgestellt, welches anhand von gemessenen Stabilitätsgrenzen die Amplitudenreserve bezüglich der einzelnen Freiheitsgrade derart anpasst, dass eine optimale Reglereinstellung für alle Freiheitsgrade erreicht wird. Zur Reduktion der durch die Steuerung nicht messbaren Bewegungsfehler wird zunächst ein Struktursteifigkeitsmodell hergeleitet, mit welchem die statischen Bahnabweichungen am End-Effektor aufgrund von Prozess- bzw. Trägheitskräften ermittelt werden. Weiterhin können die einzelnen Beitragsleister quantifiziert werden, so dass die Identifikation von Schwachstellen zur Optimierung einzelner Komponenten möglich wird. So kann für die untersuchte Parallelstruktur die Elastizität der Verdrehsicherung als Hauptbeitragsleister identifiziert werden, worauf eine konstruktive Neugestaltung vorgestellt wird. Im letzten Teil der Arbeit werden toleranz- und montageinduzierte kinematische Fehler durch die Anwendung einer weiterentwickelten Kalibrierungsmethode minimiert. Ausgehend von einer Optimierung geeigneter Mess-Posen wird die Identifikation unter Anwendung externer Messtechnik durchgeführt. Die statische Positionierungsgenauigkeit der Parallelstruktur kann durch das vorgestellte Verfahren um mehr als 80 Prozent gesteigert werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]