Industrieroboter: Eine umfassende Übersicht

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Geschrieben am 9. März 2025 in Deutsch mit einer Größe von 10,79 KB

Industrieroboter

Ein Industrieroboter ist ein automatisch gesteuerter, umprogrammierbarer, multifunktionaler Manipulator mit drei oder mehr Achsen zur Positionierung und Orientierung von Material, Teilen, Werkzeugen oder Spezialgeräten, um verschiedene Aufgaben in der industriellen Produktion auszuführen, entweder in einer festen Position oder in Bewegung (IFR, ISO / TR 83737, 1988).

Freiheitsgrade (DOF)

Jede der unabhängigen Bewegungen, die jedes Gelenk in Bezug auf das vorhergehende ausführen kann. (3 DOF - ist das Minimum (im Sinne von Robotern) / 6 DOF - ist das Maximum (für Positionierung und Orientierung) / 7 + DOF - Redundanz)

Redundanz

Erhöhung der Anzahl der Freiheitsgrade für bessere Manövrierfähigkeit und größere Reichweite.

Antriebe

Antriebe werden eingesetzt, um die Bewegung der Elemente des Roboters gemäß den von der Steuereinheit gegebenen Befehlen zu erzeugen. Die Antriebe in der Robotik können pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein.

Reduziergetriebe

Erhöhung des Drehmoments: T_ausgang = n * T_eingang * η / ω_ausgang. Höhere Genauigkeit bei der Messung der Drehung der Welle, ohne Spiel.

Getriebetypen

Planetengetriebe:
- Vorteile: Geringe Kosten, große Auswahl, hohe Drehmomentübertragung.
- Nachteile: Hohe Trägheit, großes Gewicht, großes Spiel.
Zykloidgetriebe:
- Vorteile: Mittlere Trägheit, geringes Gewicht, mittleres Spiel.
- Nachteile: Durchschnittliche Kosten, niedrige Drehmomentübertragung.
Harmonic Drive (HD):
- Vorteile: Trägheitsarm, geringes Gewicht, kleines Spiel.
- Nachteile: Hohe Kosten, nicht allzu hohe Drehmomentübertragung.

Zykloidgetriebe

Basiert auf der zykloiden Bewegung einer Scheibe, die von einer exzentrischen Kurve angetrieben wird, die mit der Eingangswelle verbunden ist. Bei jeder Umdrehung der Exzenterscheibe bewegt sich eine Projektion der Kurve auf den Rollen. Diese Bewegung wiederum zieht die Abtriebswelle. Die Untersetzung wird durch die Anzahl der Projektionen bestimmt.

Harmonic Drive Getriebe

Basiert auf einer starren äußeren Krone mit Innenverzahnung (Circular Spline) und einem flexiblen Glas (Flexspline), das mit einer Außenverzahnung in den Circular Spline eingreift. Im Inneren dreht sich ein ellipsoides Lager (Wave Generator), das das Glas verformt und die äußere Krone mit dem Glasbereich verbindet, der dem maximalen Durchmesser der Ellipse entspricht. Mit einem Unterschied von Zähnen Z = Nc - Nf, nach einer Drehung der Wellengenerator, bewegen sich die flexiblen Spline-Zähne nur Z. Das Übersetzungsverhältnis ist Z / Nf.

Kraftübertragungssysteme

Übertragen die Bewegung der Motoren auf die beweglichen Teile des Roboters. Sie bestehen aus zwei Teilen: dem Untersetzungsgetriebe und dem Übertragungsnetz. Das Untersetzungsgetriebe reduziert die schnelle Rotation der Achsen der Motoren, um das Drehmoment zu erhöhen. Problem: Die Bewegungen der Antriebe auf die Gelenke übertragen, um die Trägheit zu reduzieren. Ziel: Die statischen Momente zu reduzieren (vor allem am Ende). Methode: So viel Gewicht wie möglich in die Nähe der Basis des Roboters verlagern. Zusätzliche Funktion: Kreisbewegung in eine lineare Bewegung umwandeln oder umgekehrt. Technische Daten: Reduzierte Abmessungen und Gewicht, kleines Spiel, große Leistung, geringe Reibung, geringer Verschleiß, "wartungsfrei", fähig, Dauerbetrieb bei hohem Drehmoment standzuhalten.

Sensoren

Anwesenheitssensoren: Erkennen die Anwesenheit eines Objekts mit oder ohne Kontakt in einem bestimmten Umkreis. Induktive Sensoren werden verwendet, um die Anwesenheit zu bestimmen oder die Anzahl der Metallobjekte berührungslos zu zählen. Kapazitive Sensoren werden ebenfalls verwendet, sind aber größer. Hall-Effekt-Sensoren werden verwendet, um ferromagnetische Objekte zu erkennen, während optische Sensoren die Reflexion eines Lichtstrahls von einem Objekt nutzen.
Typen: Induktiv, kapazitiv, Hall-Effekt, Reed-Kontakt, optisch, Ultraschall, Kontakt.
Positionssensoren: Für die Winkelstellung werden Encoder und Resolver verwendet. Potentiometer werden aufgrund ihrer geringen Leistung nicht verwendet, außer in seltenen Fällen (Bildungsroboter, kleine Achsen).
Drehgeber: Bestehen aus einer transparenten Scheibe mit einer Reihe von undurchsichtigen Markierungen, die radial und in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind; einer Beleuchtungseinrichtung (LED-Strahler) und einem Fotoempfangsteil. Die Achse, deren Position gemessen werden soll, ist mit der transparenten Scheibe gekoppelt. Sie liefern digitale Informationen.
Analog: Potentiometer, Resolver, Synchro, LVDT, Inductosyn.
Digital: Absolutwertgeber, Inkrementalgeber, optischer Lineal.
Geschwindigkeitssensoren: Sie messen die translatorische Geschwindigkeit oder die Drehzahl.
Typ: Tachogenerator.

DH-Parameter

Anzahl der Verbindungen von 0 bis N. Die Verbindung 0 ist die feste Basis des Roboters.
Anzahl der Gelenke von 1 bis N.
Bestimmen Sie, welche Achsen jedes Gelenk hat (Rotation oder Translation).
Von 0 bis N-1: Setzen Sie die z_i-Achse auf die Achse des Gelenks i+1.
Setzen Sie den Ursprung des S₀-Basissystems irgendwo auf die z₀-Achse. Wählen Sie x₀ und y₀ mit der Rechte-Hand-Regel.
Von 1 bis N-1: Verschieben Sie das System an den Schnittpunkt von z_i mit der gemeinsamen Normalenlinie zwischen z_i-1 und z_i. Platzieren Sie x_i in der gemeinsamen Normalenlinie zwischen z_i-1 und z_i.
Setzen Sie y_i, um das rechtshändige System mit x_i und z_i zu vervollständigen.
Platzieren Sie das S_n-System am Ende des Roboters, mit z_n parallel zu z_n-1 und x_n normal zu z_n und z_n-1.
Ermitteln Sie θ_i: Drehen Sie z_i-1, so dass x_i-1 und x_i parallel sind.
Ermitteln Sie d_i: Bewegen Sie sich entlang z_i-1, so dass x_i-1 und x_i ausgerichtet sind.
Ermitteln Sie a_i: Bewegen Sie sich entlang x_i, bis der Ursprung von S_i-1 und S_i übereinstimmt.
Ermitteln Sie α_i: Drehen Sie x_i, so dass die Systeme S_i und S_i-1 übereinstimmen.

Singuläre Konfigurationen

Physikalische Definition: Singuläre Roboterkonfigurationen sind solche, bei denen extreme Geschwindigkeiten nicht mit endlichen Gelenkgeschwindigkeiten ausgeführt werden können oder bei denen ein gewisses Maß an Bewegungsfreiheit verloren geht.
Mathematische Definition: Der Roboter befindet sich in einer singulären Konfiguration, wenn der Rang der Jacobi-Matrix [m x n] kleiner als m ist. Im Fall, dass n = m: Singularität liegt vor, wenn die Determinante der Jacobi-Matrix Null ist (det J(q) = 0).
Konkret: Wenn der Roboter sich am Rand seines Arbeitsbereichs befindet, weil er Bewegungsmöglichkeiten verliert, oder wenn zwei oder mehr Achsen der Gelenke in der gleichen Art (Rotation oder Translation) ausgerichtet sind.

Bahn-Typen

Punkt-zu-Punkt: Der Weg des Roboters ist unwichtig. Es kommt nur darauf an, den angegebenen Endpunkt zu erreichen.
Typen:
- Bewegung Achse für Achse: Eine Achse bewegt sich nur jedes Mal (erhöhte Zykluszeit) (nur in sehr einfachen Robotern oder bei begrenzter Steuerung).
- Gleichzeitige Bewegung der Achsen: Die Achsen beginnen sofort. Jede Achse bewegt sich unabhängig (hohe Anforderungen, unbrauchbar).
- Koordinierte Bewegung: Beginn und Ende zur gleichen Zeit.
Koordinierte und isochrone Bewegung: Der Weg des Roboters ist unwichtig, aber die Achsen werden gleichzeitig bewegt, wobei die schnelleren Gelenke verlangsamt werden, so dass alle Achsen rechtzeitig abgeschlossen werden. Gesamtzeit = Minimum. Vermeidung unnötiger Anforderungen an Geschwindigkeit und Beschleunigung.
Kontinuierliche Bahn: Die Absicht ist, dass das Ende des Roboters eine bestimmte und bekannte Bahn beschreibt. Der Weg ist wichtig, da der Roboter in diesem Bereich seine Aufgabe erfüllt (Schweißen, Laserschneiden usw.). Typische Bahnen: Gerade, Bogen, andere.

Methoden der Roboterprogrammierung

Programmierung durch Führen: Der Roboter wird auf den Weg geführt, den er später im Automatikmodus wiederholen soll.
Passiv: Der Programmierer liefert die Energie zum Bewegen.
- Direkt: Verschiebt das Ende des Roboters direkt.
- Dummy: Anstelle des realen Roboters wird ein Dummy mit der gleichen kinematischen Konfiguration bewegt, der aber viel leichter und einfacher zu bewegen ist.
Aktiv: Nutzt das reibungslose Funktionieren des Robotersystems, gesteuert über eine Tastatur oder einen Joystick.
Textuelle Programmierung: Basiert auf der Existenz einer formalen Programmiersprache, die Befehle an den Roboter gibt. PROGRAMM: Eine Folge von Befehlen, die zuerst vom Benutzer bearbeitet und geschrieben und dann vom Roboter ausgeführt werden.
Arten der Ausführung:
- Interpretiert: Erleichtert das Debugging und die Feinabstimmung.
- Kompiliert: Notwendig für Sprachen mit komplexer Syntax, erhöht die Ausführungsgeschwindigkeit.

Implementierungskriterien

Layout: Schema der Anordnung von Ausrüstung, Maschinen und anderen Anlagen.
Steuerungsarchitektur: Hardware und Software.
Auswahl der Ausrüstung: Insbesondere des Roboters.
Sicherheit: Speziell behandelt, um Maschinen mit Automatisierung zu versehen.
Wirtschaftliche Motivation für die Implementierung.

Auflösung

Minimaler Schritt, den die Steuerung ausführen kann. Begrenzt durch elektronische Sensoren, Wandler usw.

Genauigkeit

Abstand zwischen dem geplanten Punkt und dem Durchschnittswert der tatsächlich erreichten Punkte. Kalibrierungsfehler, Verzerrungen, Modellierungsfehler usw.

Wiederholbarkeit

Radius des Bereichs, der die Punkte abdeckt, die der Roboter nach vielen Wiederholungen erreicht. Aufgrund des mechanischen Systems: Reibung, Hysterese, Totzonen usw.