Hochschule Augsburg University of Applied Sciences

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1 Hochschule Augsburg University of Applied Sciences Vorlesung Robotertechnik Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Prof. Dr.-Ing. Eberhard Roos Fakultät für Maschinenbau Folie 1/32 Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Einführung und Definitionen Kinematische Bauarten von Industrierobotern Bewertungskriterien von Roboterkinematiken Analyse ausgewählter Kinematiken Simulation des Bewegungsverhaltens Zusammenfassung Gliederung Folie 2/32 1

2 Kinematik ist die Lehre von geometrischen und zeitlichen Bewegungsabläufen, ohne dass auf Kräfte als Ursache oder Wirkung der Bewegung eingegangen wird. (aus: Hauger, Technische Mechanik, Band 3) Eine kinematische Kette besteht aus einem feststehenden Teil und einzelnen Gliedern, die sich aufeinander abstützen. Automatisierung nennt man alle Maßnahmen zum völlig oder teilweise selbsttätigen Ablauf von Produktionsprozessen. (aus: Reinhardt, Automatisierungstechnik) Steuerungstechnik umfasst das Speichern, die logische Verarbeitung und die Übertragung von Weg- und Schaltinformationen sowie die Ansteuerung von Aktoren. (aus: Weck, Werkzeugmaschinen, Band 3) Definitionen Folie 3/32 Offene kinematische Kette Geschlossene kinematische Kette Serielle Kinematik Parallele Kinematik Kinematische Strukturen Unterscheidungsmerkmale Folie 4/32 2

3 Translatorische Achse teleskopisch Verfahrachse Translatorische Achse nicht fluchtend Greifer Rotatorische Achse nicht fluchtend Systemgrenze Rotatorische Achse fluchtend Abgrenzung der Nebenachsen Symbole für die Darstellung von Roboterkinematiken (VDI 2861) Folie 5/32 Definition: Der mechanische Freiheitsgrad f ist die Anzahl der möglichen unabhängigen Bewegungen (Verschiebungen, Drehungen) eines starren Körpers gegenüber seinem Bezugssystem. f = 6 : 3 translatorische Freiheitsgrade (Verschiebungen) X, Y, Z, 3 rotatorische Freiheitsgrade (Drehungen) A, B, C Definition in der Handhabungstechnik: Translatorische Bewegungen verändern die Position. Rotatorische Bewegungen verändern die Orientierung des Körpers Lage (engl. pose): Position und Orientierung Begriffe Freiheitsgrad, Translation, Rotation, Pose Folie 6/32 3

4 BKS mechanische Schnittstelle l 8 5 y y z z z y y z z z c 2 y y EKS l 4 l 3 l 2 l 1 y z c c c 4 c 3 Basiskinematik des 6-Achsen-Roboters KUKA 163/15/30.1 (Doppelwinkelhand) c 7 z y y z c 8 BKS: Basiskoordinatensystem EKS: Effektorkoordinatensystem Für eine beliebige Positionierung und Orientierung des Werkzeugs ist ein Industrieroboter (IR) mit 6 Freiheitsgraden erforderlich (6-Achsen-Roboter). IR mit weniger als 6 Freiheitsgraden werden als global degeneriert bezeichnet. Kinematische Ketten mit mehr als 6 Freiheitsgraden werden als redundant bezeichnet. Mit zunehmender Achsenzahl steigt der mechanische und elektrische Aufwand bei Auslegung und Bau des Roboters und der Steuerung. Roboterkinematik Grundlagen Folie 7/32 KUKA Roboter KR 125/2 Zentralhand Achse 3 Achse 4 Achse 6 Achse 5 Nebenachsen (Handachsen): Achse 4-6 Achse 2 Hauptachsen: Achse 1-3 Achse 1 Arbeitsraum Werkbild KUKA Roboter Begriffe Haupt- und Nebenachsen Folie 8/32 4

5 Die charakteristischen Eigenschaften von Industrierobotern werden in der Deutschen Norm DIN EN (ISO 9946) Industrieroboter: Darstellung charakteristischer Eigenschaften beschrieben. Die dort aufgelisteten Leistungskriterien werden in der deutschen Fassung der EN Leistungskriterien und zugehörige Testmethoden erläutert. Im folgenden werden hieraus die Bewertungskriterien von Roboterkinematiken hinsichtlich Ihrer Bedeutung für Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik abgeleitet. Bewertungskriterien von Roboterkinematiken Folie 9/32 Charakteristische Eigenschaften von IR (DIN EN 29946): Arbeitsraum Koordinatentransformation äußere Maße und Masse Basisaufstellfläche Kabelführung (intern, etern) Steuerung Programmierverfahren (on-line, off-line) Umgebung Belastung Geschwindigkeit Auflösung Sicherheit (EN 775) Leistungskriterien (EN 29283) Bewertungskriterien von Roboterkinematiken Folie 10/32 5

6 Leistungskriterien von Industrierobotern (EN 29283): Pose-Genauigkeit in einer Richtung Pose-Wiederholgenauigkeit in einer Richtung Streuung der Pose-Genauigkeit in mehreren Richtungen Abstandsgenauigkeit Abstandwiederholgenauigkeit Pose-Stabilisierungszeit Pose-Überschwingen Drift von Pose-Kenngrößen Abweichungen beim Fahren einer Ecke Kenngrößen der Bahngeschwindigkeit Mindestpositionierzeit statische Nachgiebigkeit Bewertungskriterien von Roboterkinematiken Folie 11/32 RTT Schwenkarmroboter (SCARA) RRTR RRT Linearroboter Portalroboter Vertikal-Knickarmroboter TTT RRR Robotertypen mit verschiedener Anordnung der Bewegungsachsen (Hauptachsen 1-3) Folie 12/32 6

7 Gegenüberstellung der Gelenkbauformen für Hauptachsen Linearachsen: - frei konfigurierbarer Arbeitsraum - beliebig erweiterbarer Arbeitsraum - günstige Kinematik für Handhabungs- und Palettieraufgaben - steife Gesamtkonstruktion durch mechanische Entkopplung der Achsen Rotatorische Achsen: - schnelle Bewegungen - kostengünstig für kleine Arbeitsräume - vorteilhafte Kinematik für Bearbeitungsaufgaben Zwangsgekoppelte Achsen: - Kosteneinsparung - Reduzierung der Bewegungsfreiheiten Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Folie 13/32 Handpunkt Doppelwinkelhand (DWH) Winkelhand (WH) Zentralhand (ZH) Handpunkt Handtypen mit verschiedener Anordnung der Bewegungsachsen (Nebenachsen 4-6) Folie 14/32 7

8 Gegenüberstellung der Gelenkbauformen für Handachsen Kriterium Zentralhand Winkelhand Doppelwinkelhand Bauform günstig ungünstig günstig Bewegungsfreiheit gut gut sehr gut Störkontur sehr gut schlecht sehr gut Motoranbau am Oberarm am Abtrieb am Oberarm Bauteile viele wenige sehr viele Kabelführung einfach aufwändig einfach Kosten günstig sehr günstig sehr hoch Transformierbarkeit einfach kompliziert einfach Bei heutigen Robotern kommt überwiegend die Zentralhand zum Einsatz. Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Folie 15/32 Werkbild Reis Robotics 3 Hauptachsen als Linearachsen, entkoppelt 1 bis 3 rotatorische Nebenachsen Arbeitsraum quaderförmig Arbeitsraum (AR) modular erweiterbar, ideal für große Bauteile, z. B. AR = (15 3 3) m 3 hoch belastbare Führungen erforderlich stabil, für schwere Lasten geeignet aufwändige Mechanik, teuer einfache Koordinatentransformation einfache Steuerung leistungsstarke Antriebe für die Hauptachsen Automatisierungsaufgaben: Bearbeitung, Handhabung großer Teile Beispiel: Punktschweißen mit Portalroboter Be- und Entladen von Maschinen einfache Montageaufgaben Analyse ausgewählter Kinematiken Linearroboter TTTR(RR) Folie 16/32 8

9 Achsen: A1 - A6 Gelenkwinkel: ϕ1 - ϕ6 BKS: Basiskoordinatensystem FKS: Flanschkoordinatensystem Vertikal-Knickarmroboter RRRRRR Folie 17/32 KUKA Roboter KR 125/2 Achse 3 Achse 1 Achse 4 Achse 6 Achse 5 Achse 2 Werkbild KUKA Roboter weitest verbreitete Kinematik (6-Achsen-IR) 3 rotatorische Hauptachsen 3 (ggf. auch nur 2) rotatorische Nebenachsen torusähnlicher Arbeitsraum für mittelgroße Bauteile (KR 125: AR = 39 m 3 ) hohe Beweglichkeit, schnelle Bewegungen für Lasten bis zu 500 kg geeignet einfache, modulare Mechanik aufwändigere Koordinatentransformation Universalsteuerung für mindestens 6 Achsen leistungsstarke Antriebe für die Hauptachsen Automatisierungsaufgaben: Schweißen (Punktschweißen, Bahnschweißen) Beschichten (Lackieren: Eplosionsschutz erf.) Handhaben, Be- und Entladen von Maschinen komplee Montageaufgaben Vertikal-Knickarmroboter RRRRRR Folie 18/32 9

10 Baukastensystem Modulbauweise senkt Kosten Einfaches Bausteinkonzept Weniger Baugruppen sorgen für mehr Verfügbarkeit Einfache Austauschbarkeit Werkbild KUKA Roboter Mechanische Schnittstellen sind genau definiert Vertikal-Knickarmroboter RRRRRR Modulbauweise Folie 19/32 Vorteil Parallelogramm: Parallelogramm: geschlossene Teilkette (Viergelenk) verwindungssteife Kinematik einfacher Gewichtsausgleich Vorteil KUKA Kinematik: Günstige Gewichtsverteilung der Motoren für mehr Dynamik Offene kinematische Kette größerer Arbeitsraum, Roboter kann über Kopf arbeiten Werkbild KUKA Roboter Motoren, Kabelschlepp gut zugänglich und leicht austauschbar Vertikal-Knickarmroboter RRRRRR Kinematik mit und ohne Parallelogramm Folie 20/32 10

11 Arm 2 Zentralhand 3 Schwinge 4 Karussell 5 Grundgestell 6 Gewichtsausgleich 7 Steuerung (KR C2) 8 Programmierhandgerät (PHG) 9 Verbindungsleitungen 9 Die wichtigsten technischen Daten des KR 125/2 sind: Anzahl der Achsen: 6 Traglast (Nennlast): 125 kg Zusatzlast: 120 kg Wiederholgenauigkeit: ± 0,2 mm Arbeitsraumvolumen: ca. 39 m 3 bei Bezugspunkt im Schnitt der Achsen 4 und 5 Interpolationstakt: 12 ms Vertikal-Knickarmroboter IR-System KUKA KR125/2 mit KR C2 Folie 21/32 KUKA Portalroboter Fahrerloses Transportsystem (FTS) KUKA IR761 DWH auf 7. Achse Punktschweißen von LKW-Fahrerhäusern mit Portal- und Vertikal-Knickarmrobotern (Werkbild Mercedes-Benz AG, Wörth) Folie 22/32 11

12 3 Hauptachsen: 1 linear, 2 rotatorisch 3 rotatorische Nebenachsen Arbeitsraum hohlzylinder- oder nierenförmig vertikale Ausdehnung des Arbeitsraumes in z durch Länge der Linearachse begrenzt für hohe zylinderförmige Bauteile gut geeignet hohe Bahngenauigkeit in z-richtung aufwändige Linearachse Universalsteuerung für mindestens 6 Achsen leistungsstarke Antriebe für die Hauptachsen Werkbild Reis Robotics Automatisierungsaufgaben: Bahnschweißen Be- und Entladen von Maschinen Montage Horizontal-Knickarmroboter RTRRRR Folie 23/32 SCARA-Konfiguration (Selective Compliance Assembly Robot Arm) horizontaler Schwenkarmroboter mit selektiver Nachgiebigkeit 3 rotatorische Achsen, 1 Linearachse Arbeitsraum zylinderförmig vertikale Ausdehnung des Arbeitsraumes in z durch Länge der Linearachse begrenzt hohe Wiederholgenauigkeit: ± 0,03 mm einfache Koordinatentransformation einfache 4-Achsen-Steuerung schnelle Bewegungen für kurze Taktzeiten einfache Mechanik, kostengünstiger Roboter Automatisierungsaufgaben: Handhaben (Pick and Place), Be- und Entladen Werkbild Bosch Montage (Platinenbestückung) Bohren, Löten, Schrauben in der Ebene Schwenkarmroboter (SCARA) RRTR Folie 24/32 12

13 KUKA Roboter KR 180 PA Werkbild KUKA Roboter 3 rotatorische Hauptachsen (Achse 1-3) 1 rotatorische Nebenachse (Achse 6) Achse 5 ist zwangsgekoppelt (Kosteneinsparung) torusähnlicher Arbeitsraum vertikale Ausdehnung des Arbeitsraumes durch Parallelogramm in z begrenzt ausreichende Wiederholgenauigkeit ± 0,35 mm für Palettierungsaufgaben Roboterarm aus Kohlefaser (geringe Massenträgheit) schnelle Bewegungen für kurze Taktzeiten höhere Kosten als bei 6-Achsen-Roboter Automatisierungsaufgaben: Palettieren (Pick and Place) allg. Handhaben (in der Ebene), Be- und Entladen Sonderkinematik RRRR mit Zwangskopplung Folie 25/32 Achse 5 Achse 4 Achse 3 Achse 6 Achse 7 Achse 2 4 rotatorische Hauptachsen (Achse 1-4) 3 rotatorische Nebenachsen (Achse 5-7) torusähnlicher Arbeitsraum hohe Beweglichkeit durch 7 Achsen (Redundanz) komplizierte Koordinatentransformation inverse Transformation nur iterativ lösbar aufwändige 7-Achsen-Steuerung komplizierte Mechanik höhere Kosten als bei 6-Achsen-Roboter Automatisierungsaufgaben: Achse 1 Beschichten (Lackieren) RRC K-1207i.6 Redundante 7-Achsen-Kinematik RRRRRRR Folie 26/32 13

14 3, 4 oder 6 Achsen (Stäbe) ggf. 3 zusätzliche rotatorische Handachsen (Tricept) verhältnismäßig kleiner Arbeitsraum steife Kinematik, hohe Druckkräfte übertragbar komplizierte, sehr aufwändige Mechanik hohe Auflösung, hohe Genauigkeit Delta-Struktur Heapod-Struktur komplizierte Koordinatentransformation Vorwärtstransformation nur iterativ lösbar aufwändige Steuerung mathematische Begrenzung der Achsen erforderlich (Kollisionsvermeidung der Achsen) hohe Kosten (Werkzeugmaschine) Automatisierungsaufgaben: Fräsen, Bohren, Schweißen (Heapod, Tricept) Handhaben (Delta-Struktur), Positionieren Mikrobearbeitung, Mikrochirurgie Parallelkinematiken Delta-Struktur, Hea-Struktur, Tripoden, Heapoden Folie 27/32 Technische Daten Tornado TM von Heel : Standfläche: 7,5 m 2 Höhe: 3,8 m Gewicht: 8000 kg Leistung: 45 kw Arbeitsraum: X,Y,Z: 400 mm Kippen: ± 45 Genauigkeit: 25 µm Wiederholgenauigkeit: 10 µm ma. Vorschub: 300 mm/s Spindel: 20 kw, /min Beispiel: Bearbeitung einer 4-seitigen Pyramide an allen Seiten Tornado TM : 6 h mit einer Aufspannung herkömmliche 3-Achsen-CNC: 24 h mit mehreren Aufspannungen Parallelkinematik 5-Achsen-Heapod-Fräsmaschine Folie 28/32 14

15 Aufblasbarer Delta-Roboter Delta-Roboter im OP Flugsimulator mit Heapod-Struktur Heapod-Roboter für Reit-Therapie Weitere Einsatzmöglichkeiten von Parallelrobotern Folie 29/32 Zusammenfassung Linearroboter, Portalroboter: - Hauptachsen linear TTT, Nebenachsen rotatorisch RRR - frei konfigurierbarer, quaderförmiger Arbeitsraum - beliebig erweiterbarer Arbeitsraum - günstige Kinematik für Handhabungs- und Palettieraufgaben - steife Gesamtkonstruktion durch mechanische Entkopplung der Achsen - einfache Transformation (meist Standardsteuerung) Vertikal-Knickarmroboter: - Rotatorische Haupt- und Nebenachsen RRRRRR - schnelle Bewegungen - kostengünstig für kleine Arbeitsräume (torusähnlich) - vorteilhafte Kinematik für Bearbeitungsaufgaben - Standard-6-Achsen-Roboter für Schweißen, Handhaben, Beschichten, Montage - aufwändigere Steuerung (Standardsteuerung) Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Folie 30/32 15

16 Applikation Schweißen, Montage,... Technologische Standards Instandhaltung,... Zusammenfassung Schwenkarmroboter (SCARA): - Achskonfiguration RRTR, 3 rotatorische Achsen, 1 lineare Achse - zylinderförmiger Arbeitsraum - günstige Kinematik für Montageaufgaben in der Ebene - einfache Transformation, einfache 4-Achsen-Steuerung - einfache Mechanik, kostengünstiger Roboter Parallelroboter (Heapod): - Stabkinematik mit hoher Steifigkeit, Druckkräfte übertragbar - sehr aufwändige Mechanik mit hoher Genauigkeit - komplizierte Koordinatentransformation - aufwändige Steuerung - Werkzeugmaschine für 5-Achsen-Bearbeitung - hohe Kosten Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Folie 31/32 Bahngenauigkeit Absolutgenauigkeit Produkt Arbeitsraum, Genauigkeit Wiederholgenauigkeit Statische Nachgiebigkeit Bewertung von Roboter- kinematiken Eplosionsgeschützte Kinematik Sichere Steuerung Bahngeschwindigkeit Koordinatentransformation Wirtschaftlichkeit Taktzeit, Systemkosten,... Bei der Bewertung von Roboterkinematiken sind eine Vielzahl von Kriterien zu beachten. Zwangsgekoppelte Achsen DIN EN EN Mindestpositionierzeit Bewertung von Roboterkinematiken hinsichtlich Automatisierungsaufgaben und Steuerungstechnik Folie 32/32 16