ROBOTER IN DER GERÄTETECHNIK

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1 ROBOTER IN DER GERÄTETECHNIK Herausgegeben von Prof. Dr. sc. techn. Gerhard Bögelsack Prof. Dr. sc. techn. Eberhard Kallenbach Prof. Dr.-Ing. Gerhard Linnemann u VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung in die Robotertechnik Zielstellung Grundbegriffe und Klassifizierung Grundpositionen für Entwicklung und Einsatz Struktur und Eigenschaften von Industrierobotern Struktur der Führungsmechanismen Kinematische Struktur Konstruktive und antriebstechnische Strukturaspekte Greifertechnik Prinzipielle Aufgabenstellung Wirkpaarung und Haltekrafterzeugung Greiferinternes Bewegungssystem Adaptilität und Sensibilität Beispiel für die Entwicklung eines Greifers Gebrauchseigenschaften und Kenngrößen Auswahlaspekte Arbeitsraum Arbeitsgenauigkeit Arbeitstaktfrequenz, Belastbarkeit, Flexibilität Zuverlässigkeit Kinematik, Dynamik und Schwingungen von Industrierobotern Kinematische Analyse der offenen kinematischen Kette Punkt- und Gliedlagen Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Punktes Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung eines Gliedes Analysebeispiel für eine offene 5D-Struktur Kinematische Analyse der geschlossenen kinematischen Kette Übergang zur geschlossenen Kette durch aufgabenbezogene Orientierung des Arbeitsorgans Allgemeine Ermittlung der Antriebskoordinaten Explizite Darstellung der relativen Drehwinkel in der geschlossenen Kette Dynamische Analyse unter Anwendung von Übertragungsmatrizen Zielstellung und Grundlagen Kinetostatische Berechnung der Antriebsmomente und Gelenkreaktionen Beispiel zur dynamischen Berechnung einer Struktur in ebener Bewegung Dynamische Analyse unter Anwendung des Lagrange-Formalismus Kinematische Voraussetzungen und mechanisches Modell 92

3 8 Inhaltsverzeichnis Beispiel zur Berechnung einer DDD-Struktur Bewegungsdifferentialgleichungen Ermittlung von Führungsgrößen Grundaufgaben Optimale Bahnsteuerungen Optimalfolgen möglicher Konfigurationen Splineapproximation Beispiel zur Positionierungsaufgabe Optimale Punktsteuerungen Aufgabenstellung Mathematische Formulierung Beispiel zum Dimensionieren Schwingungen Schwingungsprobleme Modellbildung Eigenfrequenzen Resonanzerscheinungen Fundamenteinflüsse Antriebseinflüsse Berechnung von Schwingungen Schwingungsdämpfung und Schwingungsisolierung Schwingungsdämpfung Schwingungsisolierung Beispiel Ableitung der Schwingungsdifferentialgleichungen mit Drehimpuls- und Impulssatz Systemtechnische Darstellung der Schwingungsdifferentialgleichungen Ableiten der Schwingungsdifferentialgleichungen nach Lagrange Linearisierung des Differentialgleichungssystems für die Schwingungen Lösung des linearisierten Differentialgleichungssystems für Drehschwingungen Zahlenwerte für Eigenfrequenzen und Amplituden Ergebnisse der Schwingungsberechnungen Weiterentwicklung der Schwingungsberechnungen Steuerungen und Antriebe Funktion und Struktur von Robotersteuerungen Funktionelle Hierarchie Gerätetechnische Struktur Programmtechnische Strukturen Funktion und Struktur von Roboterantrieben Einführung in die Antriebstechnik für Industrieroboter Elektromechanische Antriebselemente Anforderungen Elektromagnete Elektromagnetische Schrittmotoren Gleichstromstellmotoren Wechselstromstellmotoren Piezoelektrische Antriebselemente Integrierte Mehrkoordinatenantriebe Leistungsstellglieder mit Transistoren Probleme beimschalten der Wicklungen elektromagnetomechanischer Antriebselemente 199

4 Inhaltsverzeichnis Maßnahmen zur Beschleunigung des Stromanstiegs und Stromabfalls in den Wicklungen der Antriebselemente Schalten induktiver Lasten mit Transistoren Einachsige Antriebssysteme mit Gleichstrommotoren Übertragungsfunktion des Gleichstrommotors Regelstrukturen einachsiger Gleichstromantriebe Gütegrößen geregelter Antriebssysteme Auswahl und Eigenschaften linearer Regler für Antriebsregelungen Mikrorechnergesteuerte mehrachsige Antriebssysteme Besonderheiten Aufbau und Struktur Realisierung von Punkt- und Bahnsteuerung - Steuerungsarten Mehrachsige Antriebe mit Schrittmotoren in offener Steuerkette Mehrachsige Antriebe mit Gleichstrommotoren Sensorik Einleitung Definition Sensoren" Klassifizierung von Sensoren Taktile Sensoren Taktile Sensoren zur Kraft- und Druckmessung Taktile Sensoren zur Temperaturmessung Approximative Sensoren Fluidische Sensoren Radiometrische Sensoren Kapazitive Sensoren Induktive Sensoren Magnetische Sensoren Akustische Sensoren Mikrowellensensoren Optische approximative Sensoren Optoelektronische Bildsensoren und Erkennungssysteme Bedeutung und Aufbau optoelektronischer Bildsensoren und Erkennungssysteme Elemente der Primärwahrnehmung Optische Signalverarbeitung und Beleuchtung Sensorelemente Verfahren der Sensorinformationsverarbeitung Merkmalextraktion Klassifikation Kamerasysteme Aufnahmesysteme mit punktförmigen Empfängern Lageerkennung spezieller Objekte unter Verwendung von CCD-Zeilen Lageerkennung linienhafter Objekte mit Liniensensor Erkennung von ruhenden Objekten mit Hilfe mehrerer ortsfest ausgerichteter Liniensensoren Aufnahme flächenhafter Objekte Problemstellung Aufnahme von Objekten mit eigener Relativbewegung Aufnahme von ruhenden Objekten durch Sensorrelativbewegung 282

5 10 Inhaltsverzeichnis Aufnahme ruhender Objekte durch optische Ausgleichselemente Aufnahme ruhender Objekte durch optische Bilddatenreduktion CCD-Linienkamerasysteme Kamera mit CCD-Flächensensor Kamera mit Flächensensor auf Röhrenbasis Optoelektronische Erkennungssysteme Einfache Erkennungseinheit zur Erkennung von Vorzugslagen, vororientierten Werkstücken und Ausschuß Modulares Bilderkennungssystem mit Dialogfähigkeit Schnelles Bilderkennungssystem mit Bildspeicher Kamera mit integriertem Einchiprechner Bilderkennungssystem mit Bildvergleich Konstruktive Probleme bei Robotern Spezifische Konstruktionsmerkmale von Robotern der Gerätetechnik Funktionelle Gliederung Mechanischer Aufbau Zur Anwendung des Baukastenprinzips in der Robotertechnik Grundlagen Aufbau von Roboterbaukästen Mechanische Funktionsgruppen in Robotern Führungen Lagerungen Kupplungen Festhaltungen Feineinstellmechanismen Der konstruktive Entwicklungsprozeß von Robotern Aufgabenpräzisierung Ermittlung von Funktionsstrukturen Prinzipfindung Bewertung und Entscheidung Konstruktionsprinzipien Grundlagen Funktionentrennung und Funktionenintegration Vermeiden von Überbestimmtheiten Prinzipien des Kraftflusses Prinzip der Fehlerminimierung Gestaltungsrichtlinien Gestaltungsrichtlinien für das kraftgerechte Konstruieren Gestaltungsrichtlinien zur Beherrschung des Bewegungsspiels Einsatzperspektiven von Industrierobotern 379 Literaturverzeichnis 382 Sachwörterverzeichnis 394