Optimierung eines Parallelmanipulators zum Einsatz als Führungsgetriebe in einer Nähanlage

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Die herausragenden Eigenschaften von Parallelstrukturen hängen sehr stark von ihrer Geometrie ab. Ein optimaler und erfolgreicher Einsatz dieser Strukturen ist nur dann möglich, wenn die geometrischen Parametern so festgelegt werden, dass sie möglichst alle Anforderungen der Handhabungsaufgabe erfüllen. Das Volumen des Arbeitsraumes, die Genauigkeit und die Steifigkeit des Werkzeuges spielen hierbei eine sehr große Rolle. Während man bei seriellen Robotern aufeinander folgende Optimierschritte durchführen kann, in denen jeweils bestimmte Gruppen von Parametern behandelt werden, ist diese Vorgehensweise bei Parallelrobotern nicht möglich. Die Forderung nach der Maximierung eines bestimmten Kriteriums, wie z.B. das Volumen des Arbeitsraumes, kann Lösungen ergeben, die aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen dem Endeffektor und den Antrieben eine geringe Steifigkeit aufweisen. Klassische Ansätze der Optimierung, die auf der Minimierung einer Zielfunktion basieren sind zur Lösung dieses Optimierungsproblemes nur bedingt geeignet. Das resultierende Ergebnis spiegelt hier vielmehr die Gewichtungen der einzelnen Optimierziele wider und stellt nicht die hinsichtlich den festgelegten Kriterien optimale Lösung dar. Vor allem wird mit dieser Vorgehensweise nicht gewährleistet, dass alle Forderungen eingehalten werden.

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Der am Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik bestehende Prototyp eines Parallelmanipulators wird im Rahmen eines Forschungsprojektes als Führungsgetriebe zur Hanhabung eines hochdynamischen Nähkopfes mit einer neuartigen Nähtechnologie eingesetzt, siehe Abbildung 1. Hierzu muss der Roboter hinsichtlich mehrerer Kriterien optimiert werden. Ausgehend von den Anforderungen der Handhabungsaufgabe, wie z.B. die Größe der zu vernähenden Werkstücke, Stichgeschwindigkeiten usw. können Anforderungen hinsichtlich des Arbeitsraumes, Steifigkeit und Genauigkeit des Roboters abgeleitet werden. So müssen die zu realisierenden Nähte im Arbeitsraum des Roboters liegen. Darüber hinaus muss die Struktur steif genug sein, damit die auftretenden hochfrequenten Prozesskräfte keine Abweichungen vom Sollverlauf der Naht hervorrufen, die größer sind, als die zulässigen Grenzen.

In [1] und [2] werden ausgehend von der Handhabungsaufgabe eine Reihe von Anforderungen an die Parallelstruktur abgeleitet und mathematisch formuliert. Anschließend wird eine Multikriterien Optimierung durchgeführt, die die Einhaltung aller vordefinierten Kriterien gewährleistet. Hierbei werden das Volumen des Arbeitsraumes (Abbildung 2), die maximal erreichbaren Geschwindigkeiten des Endeffektors, die Genauigkeit (Abbildung 3), die Steifigkeit der Struktur, die singulären Stellen (Abbildung 4) und die Einschränkungen in den passiven Gelenken berücksichtigt. Zusätzlich werden Restriktionen definiert, um konstrutiv sinnvolle Ergebnisse zu erhalten.

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[1] Nefzi, M; Riedel, M; Corves, B.: Dimensional Synthesis of a Parallel Manipulator with Five Degrees of Freedom. In: 16th IFToMM International Workshop on Robotics (RAAD 2007). 7-9 June, 2007, Ljubljana, Slovenia. ISBN: 978-961-243-067-2

[2] Nefzi, M; Riedel, M; Corves, B.: Optimal Design of a Parallel Manipulator for Use in a High-Speed Sewing Machine. To appear: In: 13th IEEE IFAC International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics. 27-30 August, 2007, Szczecin, Poland

 

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