antriebstechnik 10/2019

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
ausführen. Intime stellt Entwicklungs-Tools bereit
mithilfe derer Apps mit Microsoft Visual Studio in C
oder C++ entwickelt werden können. Die Echtzeitfähigkeit
der Apps lässt sich mithilfe des Thread-
Analyse-Tools INScope vorab analysieren. Die Entwicklung
einer dem Stand der Technik entsprechenden
Steuerungsapplikation erfordert Mannjahrzehnte
an Entwicklungsaufwand, weshalb hierfür
auf den CNC-Kern der Industriellen Steuerungstechnik
GmbH (ISG) gesetzt wird. Dies entspricht
demselben Kern, der auch von Kuka als Kuka.CNC
vertrieben und oftmals für Bearbeitungsaufgaben
eingesetzt wird. Dessen Initialisierung erfolgt über
Listen, die als Parametrierdateien (.lis-Files) abliegen
und beim Hochlauf ausgelesen werden. Darin
sind u. a. Parameter für die Bahnplanung sowie zur
Berechnung von Vor- und Rückwärtstransformation
abgespeichert. Der CNC-Kern kommuniziert über
einen weiteren Shared Memory mit einem als App
vorliegenden Sercos III SoftMaster, welcher die Sollwerte
für die Achsregelung über den Feldbus an die
Frequenzumrichter weiterreicht. Auf diese Weise
kann auf einen Hardware-Master verzichtet werden.
Stattdessen lässt sich ein preiswerter Ethernet-Controller (z. B.
Intel I210) einsetzten, während die Servos III Treiberfunktionalität
vom Softmaster emuliert wird.
ALTERNATIVE BAHNPLANUNGS- UND
REGELUNGSALGORITHMEN
Auf den Umrichtern ist standardmäßig eine konventionelle Kaskadenregelung
implementiert. Zur Untersuchung alternativer Antriebsregelungsalgorithmen
muss die Kaskadenregelung jedoch
ersetzt oder erweitert werden. Dies ist auf den Umrichtern von
Herstellerseite so nicht vorgesehen und daher technologisch nur
eingeschränkt möglich. Allerdings bietet die hier vorgestellte offene
Steuerungsplattform die Möglichkeit die äußeren Regelkreise
(Lage- und Geschwindigkeitsregelung) als App auf dem Echtzeitbetriebssystem
auszuführen und lediglich die unterlagerte Stromregelung
auf Umrichterseite zu belassen. Hierzu stellt der Soft-
Master einerseits der Antriebsregler-App die erforderlichen
Geberwerte zur Verfügung und andererseits den Umrichtern die
notwendigen Sollwerte für die Stromregelung. Damit lässt sich
bspw. auch eine direkte Lageregelung umsetzen, die im Werkzeugmaschinenbereich
etabliert ist, bei Robotern allerdings noch keine
weite Verbreitung genießt. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass
IR bis heute stark von den klassischen Einsatzbereichen geprägt
sind. Gleichwohl kann durch die direkte Lageregelung insbesondere
für die Fräsbearbeitung eine erhebliche Genauigkeitssteigerung
erzielt werden. Die dazu notwendigen, auf der Getriebeabtriebsseite
der Gelenkachsen zu integrierenden, Geber wurden vom ISW
bereits nachgerüstet.
Über die hier vorgestellte Architektur ist es außerdem möglich,
alle über den Feldbus kommunizierte Daten aufzuzeichnen und als
Messdaten auf der Festplatte abzulegen (Messdaten-Logger). Dies
ist bspw. notwendig, um die erzielte Genauigkeitssteigerung quantitativ
bewerten zu können. Außerdem liegt eine Sollwerterzeuger-
App vor, welche vom CNC-Kern nicht generierbare Testprofile, wie
ideale Sollwertsprünge oder Sinus-Sweeps, vorgeben kann. Hiermit
können in der Systemtheorie übliche Bewertungsgraphen (z. B.
Sprungantworten oder Bode-Diagramme) erzeugt werden.
BEISPIELHAFTE FUNKTIONSERWEITERUNGEN
Da zu Forschungszwecken im universitären Umfeld die Regelungen
an den Stabilitätsrand getrieben werden, wurde ergänzend zu
Windows 10
Echtzeitbetriebssystem
Hardware
Digitaler
Zwilling
Parametrierdateien
02 Offene Steuerungsarchitektur des Industrieroboters
CNC-
Kern
Sercos 3
Shared Memory
Sercos 3
Softmaster
Sollwerterzeuger
Antriebsregler
Safety-
Monitor
Shared Memory
Mess-
daten-
Logger
den Sicherheitsfunktionalitäten von Kern und Umrichter ein
Safety-Monitor entwickelt, mit welchem u. a. der TCP im
kartesischen Arbeitsraum online überwacht wird. Außerdem
lassen sich programmierte Trajektorien gefahrlos mithilfe eines
digitalen Zwillings simulativ testen. Hierfür wird ein ISG Virtuos
Modell eingesetzt.
Zusammengefasst ermöglicht die vom ISW entwickelte offene
und erweiterbare Steuerungsplattform die forschungstechnische
Untersuchung alternativer Bahnplanungs- und Regelungsalgorithmen.
Für Anwender aus dem industriellen Umfeld ist die
Steuerungsplattform ebenfalls interessant, sofern das Einsatzgebiet
des Roboters die Bearbeitung darstellt oder ganz allgemein
Funktionalitäten gebraucht werden, die herstellerseitig nicht mitgeliefert
werden.
DIE AUTOREN
Michael Neubauer, M.Sc.,
Gruppenleiter,
ISW Universität Stuttgart
Patrick Mesmer, M.Sc.,
Wissenschaftlicher
Mitarbeiter,
ISW Universität Stuttgart
GUI
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/10 97
…
Messdaten
Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl,
Institutsleiter,
ISW Universität Stuttgart
Dr.-Ing. Armin Lechler,
Stellvertretender
Institutsleiter,
ISW Universität Stuttgart