Bahnplanung für fünfgliedrige Handhabungsgeräte

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Für wiederholt auftretende Arbeiten in der Fertigung wie Montage-, Schweiß- und Lackierarbeiten werden heute vielfach Industrieroboter eingesetzt. Diese Geräte bieten mit ihren 6 Freiheitsgraden eine vollständige Beweglichkeit im Raum. Für einfachere Sortier- oder Bestückungsaufgaben ist aber eine Beweglichkeit in der Ebene vollkommen ausreichend. Neben Portalsystemen oder X-Y-Tischen kann auch ein fünfgliedriges Kurbelgetriebe (siehe kinematisches Schema, Abbildung 1) mit zwei gesteuerten Antrieben solche Positionieraufgaben in der Ebene erfüllen. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Antriebsmotoren fest montiert werden können und nicht mitbewegt werden. Hierdurch eignet sich diese Struktur für hochdynamische Positionieraufgaben.

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Abbildung 1: kinematisches Schema eines fünfgliedrigen Kurbelgetriebes


Analyse der Getriebeeigenschaften

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Abbildung 2: Bewegungsbereich eines fünfgliedrigen Kurbelgetriebes

Der mit dem Koppelglied 2 verbundene Abtriebpunkt K (hier kann als technische Anwendung zum Beispiel ein Greifer oder ein Schneidwerkzeug angebracht sein) kann abhängig von der Stellung der Antriebskurbeln 1 und 4 in einem bestimmten Arbeitsraum (siehe Abbildung 2) positioniert werden. Hierbei ist zu beachten, dass für eine Stellung der Kurbeln der Zweischlag gebildet aus den Gliedern 2 und 3 in zwei Stellungen montiert werden kann. Die zweite Möglichkeit ist in Abbildung 2 grau eingezeichnet.

Bei der Anwendung eines solchen Kurbelgetriebes müssen singuläre Lagen (z. B. Deck- oder Strecklagen von Kurbel und Koppel) vermieden werden, da in diesen Stellungen nur eingeschränkte Beweglichkeit vorhanden ist. Außerdem sind die Eigenschaften des Getriebes innerhalb des Arbeitsraumes sehr unterschiedlich. Es gibt zum Beispiel Bereiche, in denen das Getriebe am Punkt K eine besonders hohe Kraft bei festgelegtem maximalen Drehmoment an den Antriebskurbeln in einer bestimmten Richtung ausüben kann. Ähnliches gilt für die erreichbare Geschwindigkeit. Diese Eigenschaften können mit dem am Institut entwickelten Programm FB/analysis (hierbei steht FB für Five Bar) untersucht werden (Abbildung 3).

Die im Arbeitsraum erreichbaren Abtriebskräfte und Geschwindigkeiten können als Farbdiagramm dargestellt werden (Abbildung 4 a, b). Man kann zum Beispiel erkennen, dass an den Grenzen des Arbeitsraumes die erreichbaren Geschwindigkeiten sehr klein (blau dargestellt) sind. Ein für Handhabungsaufgaben gut geeignetes Getriebe zeichnet sich durch eine relativ gleichmäßige Verteilung der erreichbaren Kräfte und Geschwindigkeiten aus. Diese Analyse ist hilfreich bei der Auswahl eines Getriebes für eine bestimmte Aufgabe und zur Festlegung, in welchen Bereichen des Arbeitsraumes die Bewegung programmiert werden soll.

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Abbildung 3: Oberfläche des Programms FB/analysis

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Abbildung 4a): erreichbare Kräfte

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Abbildung 4b): erreichbare Geschwindigkeiten


Programmierung der Bahn

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Abbildung 5: Bahnprogrammierung

Die in der technischen Praxis benötigten Bewegungen können in zwei Gruppen unterteilt werden: einerseits gibt es Bewegungen, bei denen lediglich der Start- und Endpunkt fest liegen. Die zwischen diesen Punkten gewählte Bahn ist nicht festgelegt (Punkt-zu-Punkt-Steuerung). Andererseits gibt es auch vollständig festgelegte Bahnen (Bahnsteuerung). Um solche Bahnen für fünfgliedrige Kurbelgetriebe zu programmieren, wurde das Programm FB/motion entwickelt. Zur Programmierung einer Bahn (Abbildung 5) werden zunächst Stützpunkte festgelegt, die dann durch Geometrieelemente (z. B. Gerade, Kreisbogen, Splines) verbunden werden. Schließlich wird das Geschwindigkeitsprofil entlang der Bahn festgelegt.

Durch die mit dem Programm FB/analysis zur Verfügung stehende Analysefunktion kann man das Geschwindigkeitsprofil sehr genau auf die Möglichkeiten des Getriebes abstimmen.


Praktische Erprobung am Prüfstand

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Abbildung 6: Prüfstand für fünfgliedrige Kurbelgetriebe

Am Institut steht ein Prüfstand (Abbildung 6) zur Verfügung, mit dem die Ergebnisse praktisch überprüft werden können. Bei diesem Prüfstand besteht das Getriebe aus leichten Aluminiumprofilen. Die Kurbeln werden über Zahnriemengetriebe von hochdynamischen Servomotoren angetrieben. Die Regelung erfolgt mit dem Echtzeit-Regelungssystem XPC-Target, welches unter Matlab/Simulink programmierte Regelungsalgorithmen verwendet. Bei den Testläufen können eine Vielzahl von Messsignalen (z. B. Verläufe der Winkelfehler, Motorstrom, Vorsteuerung, Reibungskompensation u.s.w.) betrachtet und aufgezeichnet werden. Auch können die Regelungsparameter während des Laufes verändert werden. Ziel ist es, durch eine verbesserte Regelung und eine besser auf das Handhabungsgerät abgestimmte Bahn die erreichbaren Genauigkeiten und Geschwindigkeiten zu verbessern und gleichzeitig die Belastungen des Antriebssystems zu verringern.


Aktuelle Bearbeitungsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkte innerhalb dieses Projektes sind

  • Verbesserung der Analysemöglichkeiten für Kurbelgetriebe
  • Erweiterung des Bahnplanungsprogramms um vorteilhafte Punkt-zu-Punkt-Bewegungen
  • Filterung des Beschleunigungsverlaufes um störende Schwingungen zu vermeiden
  • Weiterentwicklung der programmierten Regelung

 

KONTAKT


Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik

RWTH Aachen

Eilfschornsteinstraße 18

52062 Aachen

 

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Fax:  +49 (0)241 80 92263

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