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DER KONSTRUKTEUR 6/2016

DER KONSTRUKTEUR 6/2016

ROBOTIK I SPECIAL

ROBOTIK I SPECIAL Mechatronik in Reinkultur Ansteuerung von Achsen in der Robotik Urs Kafader Robotik ist in der industriellen Automation schon lange ein zentrales Thema, und mit der Service-Robotik werden Roboter in Zukunft auch zunehmend Aufgaben außerhalb der Fabriken übernehmen. Gemeinsam ist allen das enge Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Software. Im Folgenden erfahren Sie, was bei der Auslegung und Ansteuerung von Achsen in der Robotik zu beachten ist. Wie findet man geeignete Antriebskomponenten für die Robotik? Nun, grundsätzlich folgt man der gleichen Logik wie bei allen Anwendungen. In der Robotik haben aber mechatronische Aspekte einen Dr. rer. nat. Urs Kafader, maxon motor, Sachseln (CH) speziell hohen Stellenwert: Aktuatoren, Sensorik, Mechanik und Elektronik – alle verbunden mit einer geeigneten Programmierung. Regelungstechnisch gilt es meist ein Mehrachssystem zu koordinieren. Der Grad an Koordination und Synchronisation ist dabei abhängig von der konkreten Aufgabe und der geforderten Dynamik. Wichtig ist die Balance zwischen Modularisierung und zentraler Koordination der Achsen. Motoren und mechanische Aspekte Arm- oder Beinprothesen sind typische Beispiele für mechatronische Systeme. Die eingesetzten Motoren können ganz unterschiedlichen Zwecken dienen: der Bewegung eines Greifers, eines einzelnen Fingers oder der Bewegung eines ganzen Arms oder Beins. Der Motor am Schultergelenk muss relativ stark und groß sein, während die Motoren in der Hand klein und leicht sein sollten, um Gewicht und Massenträgheit zu sparen. Die Auswahl des Motors richtet sich nach dem benötigten Drehmoment und der Dynamik der Anwendung. Dabei ist die Dynamik weniger eine Frage der Rotationsgeschwindigkeit als des Beschleunigungsvermögens, d.h. des Verhältnisses von Drehmoment zu Massenträgheit. Regelungstechnisch hat die verwendete Mechanik einen großen Einfluss. Einerseits 44 Der Konstrukteur 6/2016

SPECIAL I ROBOTIK 01 Mechatronik als programmiertes Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik, Aktuatoren und Sensoren 02 Grundstruktur dezentraler Mehrachskoordination mit den Vorteilen von kurzen Verbindungsleitungen zwischen Regler und Antrieb, auf unterschiedliche Motoren angepasste Endstufen und Vernetzung via Feldbus tragen mechanische Komponenten zur Massenträgheit bei, können eine Lastträgheit aber auch auf ein erträgliches Maß für den Motor verkleinern. So reduziert ein untersetzendes Getriebe die Massenträgheit mit dem Quadrat der Untersetzung. Andererseits weisen mechanische Komponenten Spiel und elastisches Verhalten auf. Das erschwert eine steife und genaue Regelung. Bei hochpräzisen und hochdynamischen Anwendungen versucht man deshalb, Direktantriebe zu verwenden. Das können drehmomentstarke Torque-Motoren sein oder echte Linearmotoren bei translativen Lastbewegungen. Modularisierung Modularisierung für Antriebe heißt: Jeder Motor wird lokal über einen intelligenten Regler angesteuert. Die Bewegungsbefehle verschickt der zentrale Rechner über einen Feldbus. Solche dezentralen Strategien erlauben eine hohe Flexibilität und haben verschiedene Vorteile: n Das Reglermodul kann präzise auf den jeweiligen Motortyp angepasst werden, was Leistung, Gestaltung der Endstufe und Regelparameter betrifft. n Die lokale Verkabelung von Motor und Istwertgeber spart die aufwändige Abschirmung. Einzig die Busleitung und die Leistung müssen an das jeweilige Modul geführt werden. n Modularisierung erlaubt es, kostengünstige Standardkomponenten einzusetzen. Der Entwicklungsaufwand fokussiert sich auf die Integration ins Gesamtsystem. Im einfachsten Fall müssen mehrere Achsen unabhängig voneinander eingestellt werden. Wie bei einem Greifer, der auf einem x-y-Tisch montiert ist. Der Greifer kann einen Gegenstand packen und los- lassen – unabhängig von der aktuellen Position. Die Bewegung in x- und y-Richtung an eine bestimmte Position kann nacheinander oder miteinander erfolgen. Man spricht hier von lose gekoppelten Achsen, die über den Feldbus einzelne Bewegungsbefehle vom zentralen Mastersystem erhalten. In den Modulen werden die Bewegungen autonom ausgeführt und geregelt. Im Portfolio von Maxon Motor entspricht die Epos-Produktfamilie im Positioniermodus solchen lose gekoppelten dezentralen Modulen. Epos-Positioniersteuerungen werden über den kostengünstigen und kompakt zu bauenden, aber mit 1 Mbit/s nicht allzu schnellen CANopen-Feldbus angesprochen. Allerdings stößt diese Art der Regelung an Grenzen. Zum präzisen Zuschneiden von Leder oder Folien auf einem x-y-Tisch müssen die Achsen viel stärker koordiniert und synchronisiert sein. Your Global Automation Partner Alles im Blick! Der Schaltschrankwächter Das IMX12-CCM im 12,5-mm-Hutschienengehäuse überwacht den Schutzgrad und die Umgebungsvariablen in Schaltschränken und Schutzgehäusen Nach einfachem Teach-in vor Ort meldet das Gerät nicht korrekt geschlossene Türen ebenso wie Überschreitungen von Temperatur und Innenraumfeuchte Einfach installier- und nachrüstbares Condition Monitoring, dank eigensicherer 2-Leiter-Messumformerspeise-Schnittstelle selbst im Ex-Bereich www.turck.de/ccm

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