SFB. Entwurf von Parallelrobotern. Entwurf von Parallelrobotern. Gliederung. M. Krefft J. Hesselbach. Fertigungsmaschinen Übersicht

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1 Gliederung Fertigungsmaschinen Übersicht Anforderungen Bestimmung von Kennwerten Kinematik Dynamik Parametrierung der Kinematiken Normierung der Jacobi-Matrix Optimierungsverfahren Normierung der Jacobi-Matrix Neuer xy-vorschubantrieb für Werkzeugmaschinen Ausblick Einsatzgebiete Prinzip und Eigenschaften Braunschweig 28. Januar

2 Gliederung Einleitung Ausgangssituation Handlungsbedarf Struktursynthese Vollparallel Strukturen Möglichkeiten der Erweiterungen Prototypen Maßsynthese Modellbildung Kennwerten Optimierung Zusammenfassung 2

3 Ausgangssituation Handhabungs- und Montageprozesse sind gekennzeichnet durch niedrigen Automatisierungsgrad machen bis zu 70% der Herstellungskosten aus (BMBF) haben hohes Rationalisierungspotenzial Handarbeitsplätze Automatisierte Montagelinie 3

4 Ausgangssituation Handhabungs- und Montageprozesse sind gekennzeichnet durch niedrigen Automatisierungsgrad machen bis zu 70% der Herstellungskosten aus (BMBF) haben hohes Rationalisierungspotenzial Handhabungs- und Montageprozesse lassen sich optimieren durch Verkürzung der Taktzeiten durch leistungsfähige(re) Robotersysteme Verbesserung der Prozessqualität Zeitoptimale Montage- und Bewegungsplanung sowie anwenderfreundliche und flexible Programmierung Prozesskette 4

5 Handlungsbedarf Hochgeschwindigkeitsaufgaben Erhöhung der Steifigkeit und / oder der Dynamik konstruktive Versteifung leistungsfähige Antriebe erfordert bedingt Erhöhung der zu bewegenden Robotermasse erfordert Leistungsgrenzen serieller Roboter 5

6 Handlungsbedarf Vorteile Gering mitbewegte Masse Dynamik Hohe Steifigkeit Genauigkeit Nachteile Kleiner Arbeitsraum Geringe Beweglichkeit Seriell vs. parallel Hochdynamische Parallelrobotersysteme mit adaptronischen Komponenten Methoden und Werkzeuge zum anforderungsgerechten Entwurf von Parallelstrukturen für hochdynamische Robotersysteme»Wie entwickelt man einen Parallelroboter?«6

7 Vorgehen bei der Strukturentwicklung Anforderungen: Arbeitsraum, Freiheiten vollparallel hybrid eben räumlich Anzahl der Gelenkketten Verteilung der Gelenkfreiheiten Kinematisches Schema Auswahl der Gelenkketten Auswahl der Antriebe Kinematisches Prinzip Maßsynthese: Festlegung der Optimierung Anordnung der geometrischen Abmessungen Struktur des Parallelroboters Kinematische Struktur Struktursynthese 7

8 Verteilung der Gelenkfreiheiten Freiheitsgrad des Basisschemas nach Grübler vollparallele Strukturen Diagonale hybride parallel Strukturen obere Dreiecksmatrix hybride serielle Strukturen Basis vollparallele Strukturen 22=4+6(4-1) (b) Serial hybrid structure seriell hybrid Fanuc M410i Fanuc M410i (d) Parallel parallel hybrid hybrid structure Stewart-Plattform Plattform räumliche Strukturen 8

9 Auswahl der Gelenkketten Dreh- (D), Kardan- (D 2 ), Kugel- (D 3 ) und Schubgelenke (S) sowie Kreuztische (S 2 ) Ketten mit 3 Gelenkebenen Kompromiss zwischen Konstruktion und Steifigkeit Keine passiven Schubgelenke angetriebene Gelenke nahe Gestell Auswahl von Gelenkketten mit 6 Freiheiten 9

10 Auswahl der Gelenkketten Dreh- (D), Kardan- (D 2 ), Kugel- (D 3 ) und Schubgelenke (S) sowie Kreuztische (S 2 ) Ketten mit 3 Gelenkebenen Kompromiss zwischen Konstruktion und Steifigkeit Keine passiven Schubgelenke angetriebene Gelenke nahe Gestell Baukastenkonzept 10

11 HEXA Leistungsdaten: Geschwindigkeit: 5 [m/s] Beschleunigung: 5 [g] Genauigkeit: - [µm] Nutzlast: 3 [kg] 11

12 Strukturelle Erweiterungen ebene Strukturen Ebene Strukturen hohe Dynamik»einfacher«Aufbau durchschlagende Mechanismen Grundstruktur für hybride Systemen Zwangsführungen redundante Strukturen 12

13 Strukturelle Erweiterungen hybrid seriell zusätzl. Antriebszweig zusätzl. Zweischlag 13

14 FÜNFGELENK FÜNFGELENK mit aktiven Stäben Aktive Schwingungsunterdrückung durch Adaptronik Leistungsdaten Geschwindigkeit: 4 [m/s] Beschleunigung: 10 [g] Genauigkeit: - [µm] Nutzlast: 1 [kg] 14

15 PARAPLACER Arbeitsraum der Konfiguration 1 TCP Antrieb 1 C v C A v A Arbeitsraum der Konfiguration 2 B v B Antrieb 2 - ausgeschaltet Arbeitsraum beider Konfigurationen Hybrides Konzept [serielle Dreh-Hub-Achse] Arbeitsraumvergrößerung durch Durchschlagen von Singularitäten Leistungsdaten Geschwindigkeit: 3 [m/s] Beschleunigung: 2 [g] Genauigkeit: 25 [µm] Nutzlast: 3 [kg] PARAPLACER 15

16 PORTYS PORTYS Parallelführung des Endeffektors Leistungsdaten Geschwindigkeit: 3 [m/s] Beschleunigung: 4 [g] Genauigkeit: 10 [µm] Nutzlast: 3 [kg] 16

17 PARMA PARMA Redundante Struktur Leistungsdaten Geschwindigkeit: 4 [m/s] Beschleunigung: 10 [g] Genauigkeit 10 [µm] Nutzlast: 0,5 [kg] 17

18 Übergang zur Maßsynthese (a) Freiheitsgrad der Struktur [F=2] Zuweisung der Gelenkfreiheiten (b) Gelenkverteilung Auswahl der Antriebe und Gelenke ebene Strukturen (c) Anordnung der Antriebsachsen»parallel«größerer Arbeitsraum, Symmetrie höhere Steifigkeit in z-richtung für d 0 L 1 L 2 (d) Optimierung der geometrischen Abmessungen großer Arbeitsraum, Gleichteile α q max gute kinematische und dynamische Eigenschaften L 0 (c) und (d) werden zusammen im Rahmen der Maßsynthese betrachtet 18

19 Modellbildung Auswahl und Zusammenfassung von Strukturparameter Symmetrie modularer Aufbau L /2 Y L / 2 einfachere Optimierung Normierung L /2 q L L Grenzen für Strukturparameter Erfassung Restriktionen (Hub von Aktoren) L L /2 L 0 q L L C X Berechnung IKP, IDM Parameter: L q, L 3 Referenz: L 0 Gelenkwinkel Singularitäten Beschränkung: L q >2L 0 Abmessungen müssen Durchschlagen ermöglichen 19

20 Kennwerte (1) Arbeitsraum / Bauraum Übertragungsverhalten Geschwindigkeit Kraft Isotropie Trägheit 20

21 Kennwerte (2) Bestimmung globaler Werte Werte müssen eingehalten werden min max als RB in Arbeitsraum Werte sollen möglichst groß klein sein Mittelwert als Kennwert 21

22 Kennwerte (3) Gegenläufige Ziele Wichtung oder Mittelung 22

23 Optimierungsverfahren Deterministische Verfahren Stochastische Ansätze Genetische Evolutionäre Algorithmen hohe Anzahl an Parametern stark nichtlineare Zielfunktion diskontinuierlichen Zielfunktionen Individuum Struktur / Lösung Population Mehrere Strukturen / Lösungen Gen Parameter Chromosom Parametervektor Generation Iterationsschritt Fitness Güte der Zielfunktion 23

24 Optimierungsverfahren Deterministische Verfahren Stochastische Ansätze Genetische Evolutionäre Algorithmen hohe Anzahl an Parametern stark nichtlineare Zielfunktion diskontinuierlichen Zielfunktionen Startpopulation Fitness Selektion Rekombination Mutation Pareto optimale Individuen Wichtung Bestes Individuum 24

25 Zusammenfassung Parallelroboter können zu einer erhöhten Produktivität in der Handhabung und Montage beitrage, wenn deren kinematischen Nachteile minimiert und die strukturellen Vorteile genutzt werden Struktursystematik für [voll-]parallele Strukturen erlaubt anforderungsgerechten Entwurf Strukturelle Erweiterungen helfen die Nachteile von Parallelstrukturen zu minimieren Bereits erste Prototypen liefern viel versprechende Ergebnisse Die Eigenschaften einer Struktur sind maßgeblich von den Abmessungen abhängig Maßsynthese Besichtigung der Roboter im Versuchsfeld des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) 25

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