antriebstechnik Marktübersicht 2021

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FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ANSÄTZE ZUR GENAUIGKEITS- UND DYNAMIKSTEIGERUNG VON INDUSTRIEROBOTERN MITTELS ABTRIEBSSEITIGER WINKELERFASSUNG Industrieroboter werden heutzutage immer noch größtenteils für Handhabungsaufgaben eingesetzt. Trotz ihrer kostengünstigen Kinematik besetzen Industrieroboter in anderen Anwendungsgebieten, wie der spanenden Bearbeitung, nur einen geringen Marktanteil. Grund ist ihre im Vergleich zu Werkzeugmaschinen geringere dynamische Bahngenauigkeit. Mit einer abseitigen Winkelerfassung will das ISW der Uni Stuttgart die Genauigkeit steigern. Dadurch kann der Kostenvorteil gewahrt und dennoch neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. 20 antriebstechnik Marktübersicht 2021 www.antriebstechnik.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG EINLEITUNG Die in den Gelenken eines Industrieroboters (IRs) verbauten Antriebsstränge, zumeist bestehend aus einem Präzisionsgetriebe und einer permanenterregten Synchronmaschine, sind größtenteils für die im Vergleich zu Werkzeugmaschinen (WZM) geringere dynamische Bahngenauigkeit verantwortlich. Üblicherweise werden zur Regelung der Gelenke die für die Motorregelung benötigten motorseitig angebrachten Winkelmesssysteme verwendet. In Kombination mit der Nachgiebigkeit der Getriebe führt dies jedoch zu einer Positionsabweichung unter Last, die nicht detektiert werden kann. Zur Steigerung der Genauigkeit können IR mit zusätzlicher, abtriebsseitiger Winkelerfassung an den Gelenken ausgestattet werden. Diese Zusatzsensorik kann für Ansätze, die die dynamische Bahngenauigkeit steigern, genutzt werden. Erst durch eine Genauigkeitsund Dynamiksteigerung können viele anspruchsvollere Anwendungen wirtschaftlich und technisch umgesetzt werden. Die geregelten Antriebsstränge eines IRs weisen eine große Ähnlichkeit zu denen einer WZM auf. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass die Kaskadenregelung, ein bewährtes Prinzip für industrielle Vorschubantriebe, immer noch das mitunter am meisten verbreitete Regelungskonzept für IR ist. Die größten Unterschiede sind die deutlich geringeren Eigenfrequenzen und die aus der Kinematik resultierende ausgeprägtere Postenabhängigkeit. Aufgrund der Gelenkelastizitäten führen sowohl externe Kräfte, wie z. B. Prozesskräfte, als auch Trägheitskräfte zu einer unerwünschten Regelabweichung und Schwingungsanregung. Bei der Bearbeitung dominiert die Anregung durch den Bearbeitungsprozess, wohingegen bei anderen Anwendungen die Anregung durch Trägheitskräfte überwiegt. Im WZM-Bereich wird deswegen oftmals die äußerste Regelkaskade mittels einer Positionsrückführung nach dem mechanischen Getriebe geschlossen. Dadurch können sowohl durch externe Kräfte bedingte Abweichungen als auch Übertragungsfehler der Getriebe erfasst und ausgeregelt werden. Die Bandbreite der Positionsschleife wird jedoch durch die erste Eigenfrequenz der mechanischen Übertragungselemente begrenzt. WERKZEUGMASCHINE ALS VORBILD Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche Methoden entwickelt, um das dynamische Verhalten von elektromechanischen Vorschubantrieben von Hochleistungs- und Hochpräzisions-WZM zu verbessern. Soll die dynamische Bahngenauigkeit von IR gesteigert werden, ist ein dem WZM-Bereich angelehnter Ansatz der logische Schluss. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass die Eigenfrequenzen um den Faktor 5- bis 10-mal geringer sind, womit ein massiver Einbruch an Lageregelbandbreite einhergeht. Folglich können Störungen, wie z. B. Hysterese, kinematische Getriebefehler oder auch durch Prozesskräfte bedingte Abdrängungen, nur sehr niederfrequent ausgeregelt werden. Deswegen wird am ISW an Methoden geforscht, um das volle Potential abtriebsseitiger Winkelerfassung auszuschöpfen und dadurch eine wesentliche Steigerung der dynamischen Bahngenauigkeit zu erzielen. Hierfür werden unter anderem Methoden, die sich für Werkzeugmaschinen als geeignet erwiesen haben, auf den IR portiert. Es existiert eine Vielzahl an Verfahren, die allerdings nicht alle geeignet für den Einsatz am IR sind. Für die Vermeidung der Schwingungsanregung durch Trägheitskräfte werden sowohl für WZM als auch IR zumeist beschleunigungs- und ruckbegrenzte Geschwindigkeitsprofile verwendet. Für WZM existieren darüber hinaus zahlreiche filterbasierte Ansätze mit denen Frequenzanteile im Bereich der Eigenfrequenzen aus den Sollsignalen gefiltert werden. Bei mehrachsigen Anwendungen führt dies jedoch zu ungewollten Bahnverzerrungen. Die daraus resultierenden Bahnfehler sind aufgrund der deutlich geringeren Eigenfrequenzen eines IRs und der dadurch begrenzten Bandbreite deutlich größer und nicht tolerierbar. Darüber hinaus gibt es eine Fülle an linearisierungsbasierten Regelungsansätzen. Diese Ansätze weisen in der Regel keine besonderen Robustheitseigenschaften auf und sind folglich unter der Berücksichtigung der nichtlinearen Roboterdynamik im industriellen Umfeld als kritisch anzusehen. Die theoretisch ansprechenden Ergebnisse können zumeist experimentell nicht bestätigt werden. Des STUTTGARTER LAGEREGELSEMINAR (LRS) Das ISW Uni Stuttgart veranstaltet im Frühjahr 2021 das Stuttgarter Lageregelseminar (LRS). Dort werden einerseits industrienahe Forschungsthemen des ISWs im Bereich Antriebs- und Maschinentechnik sowie Industrierobotik vorgestellt, andererseits werden Vorträge von Vertretern aus der Industrie gehalten. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter: http://bit.ly/lagsem 01 Blockdiagramm der um den Dämpfungsregelungsalgorithmus erweiterten PPI-Kaskadenregelung für ein Robotergelenk www.antriebstechnik.de antriebstechnik Marktübersicht 2021 21
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