7_Kinematik

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Kinematik

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7 Kinematik (griech. Kinema) = Bewegung, Bewegungslehre Die Kinematik ist die Lehre von Bewegung. Man kann aber auch den Bewegungsapparat eines Handhabungsgerätes mit dem Begriff Kinematik kennzeichnen. Die Kinematik eines Handhabungsgerätes wird hauptsächlich durch die Anzahl der Freiheitsgrade seines Bewegungsapparates bestimmt. Konzepte für die kinematische Gestaltung orientieren sich häufig am menschlichen Vorbild (siehe Dreh- bzw. Rotationsgelenke), wenn an eher universelle Verwendbarkeit gedacht ist. Begriffe/Erläuterungen: Die Dynamik befasst sich mit der Betrachtung von Kräften (Trägheitskraft, Schwerkraft, Antriebe), die auf die Handhabungsgerät-Komponenten einwirken. Die Kinematik beschreibt den mechanischen Aufbau des Handhabungsgerätes, d.h. die räumliche Zuordnung der Bewegungsachsen nach Folge und Aufbau (z.B. Positionen, Orientierung). Sie beschäftigt sich mit der Geometrie und den zeitabhängigen Aspekten der Bewegung (z.B. Beschleunigung). In der Kinematik wird von allen dynamischen Aspekten abstrahiert. Die Statik bezeichnet den konstruktiven Aufbau des Handhabungsgerätes. Die Mechanik ist die zusammenfassende Bezeichnung für Kinematik, Dynamik, Statik.

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7.1 Kinematische Kette Die einzelnen i Glieder eines Handhabungsgerätes sind über Linearführungen und Drehgelenke zu einer kinematischen Kette miteinander verbunden. Die Glieder, Gelenke und deren Antriebe bilden die Achsen des Gerätes. Die kinematische Kette prägt auch das äußere Erscheinungsbild einer Handhabungsmaschine. Je beweglicher die Maschine ist, um so vielgliedriger muss sie ausgeführt sein. Haben Anfangs- und Endglied einer einfachen kinematischen Kette nur einen Gelenkanschluss, ist es eine offene kinematische Kette (serielle Strukturen). Bei geschlossenen kinematischen Ketten (parallele Strukturen) ist jedes Glied über zwei Gelenkanschlüsse verbunden. Kombinationen von kinematischen Ketten werden als komplexe kinematische Ketten bezeichnet. Während der Bewegung eines aktiven Mechanismus kann eine kinematischen Kette mehrfach ihre Gestalt von offen nach geschlossen und umgekehrt ändern. Das ist z.B. bei einem Montagevorgang der Fall. Im Moment des Fügens eines Teiles durch einen Industrieroboter (z.B. durch Einstecken) entsteht eine geschlossene kinematische Kette. Gelenk 23 23 Glied 2 Glied 3 2 3 34 Gelenk 12

4

34 Gelenk 12

5 4

Glied 1 Glied 1

offene kinematische Kette

geschlossene kinematische Kette

komplexe kinematische Kette

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7.1.1 Freiheitsgrad Es ist zu unterscheiden, ob es um den Freiheitsgrad eines Körpers im Raum geht oder um die Beweglichkeit eines Handhabungsgerätes. Der Freiheitsgrad f eines frei beweglichen starrer Körper im Raum ist f = 6, der sich aus drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten zusammensetzt. Es sei hier weiterhin darauf hingewiesen, dass sich diese Definition nur auf starre Körper bezieht. Nimmt man die Verformbarkeit eines Körpers noch mit in die Betrachtungsweise auf, wird die Beschreibung sehr kompliziert. Um die Beweglichkeit einer kinematischen Kette bzw. eines Handhabungsgerätes zahlenmäßig auszudrücken, kann man den Freiheitsgrad F einer kinematischen Kette als Ausdruck seiner Beweglichkeit verstehen. Es gilt nach Grübler: g

F = 6 ⋅ (n − g − 1) + ∑ f i − f id i =1

im Raum

mit n Anzahl der Glieder g Anzahl der Gelenke fi Freiheitsgrad des i-ten Gelenkes fid Anzahl der identischen Freiheitsgrade g

F = 3 ⋅ (n − g − 1) + ∑ f i − f id in der Ebene

i =1

Grübler‘sche Formel

Damit z.B. ein Universalroboter seinen Effekt im Raum beliebig positionieren und ausrichten kann, müssen insgesamt 6 voneinander unabhängige Bewegungen ausgeführt werden, d.h. das Gerät benötigt 6 Freiheitsgrade. Bei offenen und unverzweigten kinematischen Ketten wie die des seriellen Industrieroboter bzw. Universalroboter, ist der Freiheitsgrad gleich der Anzahl der Gelenke (Gelenkfreiheitsgrad). g

F = ∑ fi = g i =1

Für einfache Handhabungsaufgaben reichen aber auch 5,4 oder sogar nur 3 Freiheitsgrade aus.

Animation: Freiheitsgrade von Robotern

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7.2 Achsen und Gelenke Der kinematische Aufbau eines Handhabungsgerätes ist durch die Anordnung und die Anzahl der an der Bewegung beteiligten Achsen bestimmt. Achsen sind geführte, unabhängig voneinander angetriebene Gelenke. Man unterscheidet prinzipiell drei Arten von Achsen: • Linearachsen / translatorische Achsen / Schubachsen, • rotatorische Achsen und • gekoppelte Achsen. Die rotatorischen Achsen unterteilt man wiederum in Achsen, die um sich selbst drehen: • vertikale Achsen bzw. fluchtende Achsen und • horizontale oder nicht fluchtende Achsen (Achsen, die in einem Drehgelenk liegen). Bei den translatorischen Achsen unterscheidet man drei Teilgruppen: • Verschiebeachsen, nicht fluchtend, • Teleskopachsen, fluchtend und • Verfahrachsen, z.B. Linearschlitten. Je nach Gelenkbauform ergeben sich für das Handhabungsgerät unterschiedliche Vorteile. Schubachsen • beliebig erweiterbarer Arbeitsraum • günstige Kinematik für Handhabungs- und Palletieraufgaben • steife Gesamtkonstruktion durch mechanische Entkopplung der Achsen Rotatorische Achsen • schnelle Bewegungen • kostengünstig für kleine Arbeitsräume • vorteilhafte Kinematik für Bearbeitungsaufgaben Gekoppelte Achsen Handachse („Zentralhand“) eines IR (Reis): Drei • Kosteneinsparung sich in einem Punkt schneidende Drehachsen

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7.2.1 Gelenke und dessen Freiheitsgrade Drehgelenk

Schubgelenk

Drehschubgelenk

Kardangelenk

Kugelgelenk

(Revolute)

(Prismatic)

(Cylindric)

(Universal)

(Spherical)

F=1

F=1

F=2

F=2

F=3

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7.3 Kinematische Symbole Je nach Hersteller ergeben sich, was die äußere Gestalt des Handhabungsgerätes betrifft, unterschiedliche Bauweisen. In der VDI-Richtlinie 2861 hat man deswegen, um die einzelnen Roboter vergleichbar zu machen und das Wesentliche ihrer Kinematik herauszustellen, kinematische Ersatzbilder erstellt. In ihr sind die Symbole für die Achsen, für Effektoren und das Fundament aufgeführt. Durch die kinematischen Ersatzbilder ist eindeutig verdeutlicht, ob sich die Achse linear oder rotatorisch bewegt. Des Weiteren ist aber auch etwas über Gelenke, das bei rotatorischen Achsen vorhanden sein muss, ausgesagt. Die Drehbewegung der Achse kann einmal um sich selbst erfolgen (fluchtende Achse) oder einmal um das Gelenk herum (nicht fluchtend).

Achsen

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Symbol

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Symbol mit Angabe der Bewegungsmöglichkeit

Translationsachse Fluchtend (Teleskop) Translation nicht fluchtend Verfahrachse Rotationsachse fluchtend Rotationsachse nicht fluchtend Werkzeuge

Klebepistole, Schweißzange

Greifer

Vakuumgreifer Parallelgreifer

Kennzeichnung von Systemgrenzen

Kurzer Trennstrich bedeutet echte Schnittstelle (z.B. auswechselbare Werkzeuge)

Trennung zwischen Haupt- und Nebenachsen

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Darstellung eines IR mit Hilfe der kinematischen Ersatzbilder

Reale Darstellung

Symbolische Darstellung Transformation Transformation

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7.3.1 Bestimmung der Achsbezeichnungen bei Industrierobotern (1/2) Um die Achsen eines Industrieroboter eindeutig bezeichnen zu können, verwendet man die Symbolik zur Darstellung des kinematischen Aufbaues nach VDI 2861. Die Achsbezeichnungen für Industrieroboter beziehen sich auf ein ortsfestes kartesisches Koordinatensystem mit den horizontalen Achsen X und Y und der vertikalen Achse Z (linksdrehendes System). Zur Bestimmung der Achsbezeichnungen wird der IR in die Grundstellung überführt, dazu werden alle Achsen des Roboters parallel bzw. symmetrisch zum Bezugskoordinatensystem ausgerichtet.

Überführung eines Siebenachsigen Industrieroboters aus einer beliebigen Arbeitsstellung in die Grundstellung im Bezugskoordinatensystem zur Bestimmung der Achsbezeichnungen (VDI 2861 Blatt 1)

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Bestimmung der Achsbezeichnungen bei Industrieroboter (2/2) Des Weiteren erhalten die entsprechenden Haupt- und Nebenachsen festgelegte Buchstabenkennzeichen. Diese Bezeichnung der Achsen lehnt sich an die DIN 66217 „Koordinatenachsen und Bewegungseinrichtungen für numerische gesteuerte Arbeitsmaschinen“ an, da die Industrieroboter in die allgemeine Klasse der numerisch gesteuerten Arbeitsmaschinen einzuordnen sind. HAUPTACHSEN Translationsachsen parallel zur x-Achse parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse

NEBENACHSEN

Rotationsachsen X Y Z

parallel zur x-Achse parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse

Translationsachsen A B C

parallel zur x-Achse parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse

Q, R, S und T für sonstige Achsen Trennstrich „/“ um Hauptachsen von Nebenachsen zu trennen

Rotationsachsen U V W

parallel zur x-Achse parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse

E F G

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7.4 Grundstrukturen von Handhabungsmaschinen Charakteristische Merkmale kinematischer Strukturen von Handhabungsmaschinen sind: • Arbeitsraum (siehe Kapitel Industrieroboter), • Bewegungsraum (siehe Kapitel Industrieroboter), • Bahngeschwindigkeiten und –beschleunigungen in ausgewählten Bahnpunkten, • Verfahrzeiten für ausgewählte Bahnabschnitte, • Positions-, Orientierungs- und Bahngenauigkeit, • Steifigkeit und • Wirkungsgrad. Da der Arbeitsraum im Wesentlichen aus der Grundstruktur des Handhabungsgerätes gegeben ist, steht die Frage nach Anzahl und Art unterschiedlicher Grundstrukturen. Unterschiede entstehen aus • der Kombination von Dreh- und Schubachsen und • dem Kreuzungswinkel zwischen den einzelnen Achsen. Zur Variation V von Dreh- und Schubachsen:

V = nk

n = Anzahl Elemente ist zunächst 2 (Drehen, Schieben); werden die Achskombinationen mit einbezogen, so ergeben sich je Elementart nochmals 3 ( X, Y, Z und A, B, C). k = Elemente je Struktur (3 = Grundstruktur)

⇒ V = ( 2 ⋅ 3) 3 = 216 Varianten

Von diesen 216 offenen kinematischen Ketten erfüllen einige die Bedingung nicht, einen Arbeitsraum zu erzeugen. Nur die 129 rot markierten Kinematikketten (siehe nächste Seite) bilden einen Arbeitsraum. Verschiedene Kinematikketten unterscheiden sich nur in der Bezeichnung und sind ansonsten identisch (z.B. die Ketten AYC und CYA). Werden noch diejenigen Kinematikketten eliminiert, die sich durch Drehen ineinander überführen lassen, verbleiben noch 36 unterschiedliche. Fordert man eine allgemeine Bewegung im Raum, verbleiben nur noch 20 sinnvolle Regionalstrukturen (siehe übernächste Seite).

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7.4.1 Mathematische mögliche Kinematikketten DDD (RRR)

DSD (RTR)

SDD (TRR)

SSD (TTR)

AAA AAB AAC ABA ABB

ABC ACA ACB ACC

BBB BBC BBA BCB BCC

BCA BAB BAC BAA

CCC CCA CCB CAC CAA

CAB CBC CBA CBB

DDS

AXA AXB AXC AYA AYB

AYC AZA AZB AZC

BYB BYC BYA BZB BZC

BZA BXB BXC BXA

CZC CZA CZB CXC CXA

CXB CYC CYA CYB

DSS

XAA XAB XAC XBA XBB

XBC XCA XCB XCC

YBB YBC YBA YCB YCC

YCA YAB YAC YAA

ZCC ZCA ZCB ZAC ZAA

ZAB ZBC ZBA ZBB

SDS

XXA XXB XXC XYA XYB

XYC XZA XZB XZC

YYB YYC YYA YZB YZC

YZA YXB YXC YXA

ZZC ZZA ZZB ZXC ZXA

ZXB ZYC ZYA ZYB

SSS

(RRT)

(RTT)

(TRT)

(TTT)

AAX AAY AAZ ABX ABY

ABZ ACX ACY ACZ

BBY BBZ BBX BCY BCZ

BCX BAY BAZ BAX

CCZ CCX CCY CAZ CAX

CAY CBZ CBX CBY

AXX AXY AXZ AYX AYY

AYZ AZX AZY AZZ

BYY BYZ BYX BZY BZZ

BZX BXY BXZ BXX

CZZ CZX CZY CXZ CXX

CXY CYZ CYX CYY

XAX XAY XAZ XBX XBY

XBZ XCX XCY XCZ

YBY YBZ YBX YCY YCZ

YCX YAY YAZ YAX

ZCZ ZCX ZCY ZAZ ZAX

ZAY ZBZ ZBX ZBY

XXX XXY XXZ XYX XYY

XYZ XZX XZY XZZ

YYY YYZ YYX YZY YZZ

YZX YXY YXZ YXX

ZZZ ZZX ZZY ZXZ ZXX

ZXY ZYZ ZYX ZYY

3. Klassen aus den Elementen A, B, C und X, Y, Z (D Drehachse, S Schiebeachse, R Rotation, T Translation). Die rot markierten haben einen Arbeitsraum.

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7.4.2 Auswahl kinematisch sinnvoller 3achsiger Regionalstrukturen

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7.5 Arbeitsräume Es ist ersichtlich, dass die Anordnung der Achsen auch beträchtliche Auswirkungen auf die Form eines Arbeitsraumes haben muss. Die äußere Umgrenzung eines Arbeitsraumes entsteht aus der vektoriellen Addition der Bewegungen von Gliedern einer kinematischen Kette.

z

x DSS (CZX)

z

Quaderförmig

x

SSS (YZX)

Zylinderförmig

c

y

Torusförmig

Kugelförmig B B

B

x DDS (CBX)

c

c

SSS (CBB)

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7.5.1 Grundformen von Arbeitsräumen Kartesisches Koordinatensystem

_

_

_

Trotz der vielfältigen Möglichkeiten einer kinematischen Struktur, Arbeitsräume auszubilden, gibt es einige typische Grundformen. Die drei wichtigsten sind jene, die einen quaderförmigen, zylindrischen und kugelförmigen Arbeitsraum ausbilden. Die Position P eines Effektors wird gewöhnlich als Vektor r dargestellt und bezieht sich auf ein kartesisches Basiskoordinatensystem mit den Vektoren x0, y0, und z0.

Zylindrisches Koordinatensystem

_

_

_

r = s1 ⋅ cos θ 2 ⋅ x0 + s1 ⋅ sin θ 2

r = a ⋅ x0 + b ⋅ y 0 + c ⋅ z 0

_

_

⋅ y0 + s3 ⋅ z0 _

_

r = s3 ⋅ sin θ 2 ⋅ cos θ1 ⋅ x0 + s3 ⋅ sin θ 2 _

_

⋅ sin θ1 ⋅ y0 + ( s3 ⋅ cos θ 2 + c) ⋅ z0

Kugelkoordinatensystem

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7.5.2 Bauarten und Arbeitsräume von Industrierobotern Mit Hilfe der kinematischen Beschreibung der Starrkörperkette der Hauptachsen kann eine Einteilung der Industrieroboter vorgenommen werden. Betrachtet man die unterschiedlichen Konstruktionen, lassen sich charakteristische Bewegungsmöglichkeiten der jeweiligen Konstruktion erkennen. Die Art und Anordnung der einzelnen Achsen und Gelenken entspricht der jeweiligen Kinematik des Roboters. Die Roboterkonstruktionen setzen sich aus einer Kombination der folgenden drei Grundbauformen für Gelenke zusammen: • translatorische Achsen (T-Achsen) • rotatorische Achsen (R-Achsen) • gekoppelte Achsen (z.B. Parallelogramme) KINEMATIK

Linear

Hybrid

Rotatorisch

Sonderform

TTT

RTT, RRT, TRR, RTR

RRR

z.B. Parallelanordnung

Portalroboter TTT- Kinematik

SchwenkarmRoboter (RTT)

SCARARoboter (RRT)

Universal-/VertikalKnickarmroboter

ParallelarmRoboter

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7.5.2.1 Lineararm-Roboter/Portalroboter (kartesische Roboter) Die drei Hauptachsen sind als translatorische Achsen (TTT-Kinematik) ausgeführt. Weitere Freiheitsgrade ergeben sich, wenn zusätzliche Handachsen eine Drehung des Effektoren ermöglichen. Der sich durch diese Anordnung ergebende Arbeitsraum hat kubische Form. Vorteile • Konstruktion mechanisch steif • große Traglasten • präzise Positionierung • einfache Steuerung • lange Verfahrwege • sehr großer Arbeitsraum • Bodenbereich wird freigehalten (nur bei Portalbauweise) Nachteile • Linearachsen eher langsam • aufwendiges Portal • geringe Beweglichkeit • großer Platzbedarf (nur bei Lineararm-Roboter) Portalroboter (Liebherr)

Animation: Portalroboter

Einsatzgebiete • Maschinenbeschickung • Palettieren • Fügearbeiten (Nebenachsen erforderlich)

Portalroboter bei Schweißen (IGM) Spannweite über 20 m

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Beispiel Portalroboter und Arbeiträume

Portalroboter (Bleichert)

Arbeitsräume einer TTT-Kinematik

Film: Portalschweißroboter (Messe „Schweißen & Schneiden“)

Animation: Portalroboter Arbeitsraumanimation

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7.5.2.2 Schwenkarm-Roboter (mit RTT- Kinematik) Bei dem Schwenkarm-Roboter mit RTT- Kinematik sind zwei translatorische Achsen auf einer rotatorischen Achse aufgesetzt. Die erste rotatorische Achse ist am Fundament befestigt. Die beiden translatorischen Achsen dienen zum einen zur Höheneinstellung und zum anderen zur Einstellung der Reichweite. Der Arbeitsraum ist zylinderförmig. Vorteile • robuste Bauweise • hohe Positioniergenauigkeit • schnelle Bewegung um die Rotationsachse • große Reichweite • großer Arbeitsraum

Nachteile • großen Platzbedarf • kein Umgreifen von Hindernissen

Einsatzgebiete • Werkstückhandhabung • Maschinenbestückung • Palettieren

Schwenkarm-Roboter (Fanuc)

Arbeitsraum eines Schwenkarm-Roboter

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7.5.2.3 Schwenkarm-Roboter (mit RRT- Kinematik) Bei der RRT- Kinematik ist die erste Achse als rotatorischfluchtende Achse ausgebildet (nicht bei SCARA-Roboter). Die Bauformen der zweiten und dritten Achse sind je nach Anwendungsfall verschieden. Der Schwenkarm-Roboter (siehe Bild) hat die zweite Achse rotatorisch, nicht fluchtend und die dritte Achse translatorisch (teleskop) aufgebaut. Der daraus resultierende Arbeitsraum ist halbkugelförmig. Einsatzbereiche • Punktschweißen, Lackieren • Maschinenbeschickung

Schwenkarm-Roboter (Unimate 200) Vorteile • robuste Bauform • große Armlänge • großer Arbeitsraum • gute Positioniergenauigkeit

Nachteile • großer Platzbedarf • aufwendige Steuerung • kein Umgreifen von Hindernissen

Film: Schwenkarmroboter beim Punktschweißen von Karosserieteilen (Ford)

Kugelförmiger- Arbeitsraum einer RRT- Kinematik

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7.5.2.4 SCARA-Roboter (von engl. Selective Compliance Assembly Robot Arm)= Montageroboterarm Eine häufige Anordnung der RRT-Kinematik ist ein Horizontalknickarm-Roboter mit waagrechtem Arm, der sog. SCARA-Roboter. Hierbei liegen die erste und die zweite rotatorische nicht fluchtende Achse waagrecht („Faltwand“). Die dritte translatorische Achse dient zur Höheneinstellung. Der entstehende Arbeitsraum dieser Kinematik ist zylinderförmig. Vorteile • mechanisch sehr steif in der Vertikalen • hohe Fügekräfte • hohe Positioniergenauigkeit • hohe Geschwindigkeit • hohe Tragfähigkeit • einfache Mechanik • geringer Platzbedarf • kostengünstige Lösung

Nachteile • weniger steif in der Horizontalen • aufwendige Steuerung • begrenzter Arbeitsraum Einsatzbereiche • Montagebereich mit vertikalen Fügeprozessen • Palettieren

Film: SCARA-Roboter beim Verpacken (Adept)

SCARA-IR (Adept)

Animation: SCARA-Roboter

SCARA-IR (Adept)

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SCARA-Roboter (Bosch SR 800): Beschreibung und Arbeitsraum Steckanschluss zum Steuerschrank.

Wegmeßsysteme

Anwenderstecker zur Belegung für Energie und Signale. Hübe bis 640 mm

Animation: SCARA- Roboter Arbeitsraum

Gleichstromantriebe Normflansch Höhenverstellbares Stativ für Tischaufbauten

Robuste Gelenke

Einstellbare Arbeitsraumbegrenzung mit Endschaltern und Festanschlägen

Zylinderförmiger-Arbeitsraum

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7.5.2.5 Horizontal-Knickarmroboter Der Horizontal-Knickarmroboter ist im Aufbau der Achsen 1 bis 3 vergleichbar mit dem SCARA-Roboter (RTR-Kinematik). Auch hier werden für die Hauptachsen zwei Gelenke mit Drehachsen um die z-Richtung und eine Linearachse in z-Richtung genutzt. Zusätzlich zu den 3 Hauptachsen sind jedoch bei dieser Kinematik zusätzlich 3 Kopfachsen eingesetzt, um die 6 Freiheitsgrade des Roboters zu ermöglichen. Der Horizontal-Knickarmroboter hat einen hohlzylinderförmigen Arbeitsraum.

R

Vorteile • steife Konstruktion • großer Arbeitsraum • hohe Tragkraft

Nachteile • großer Platzbedarf • kein Umgreifen von Hindernissen

Einsatzbereiche • Maschinebeschickung • Palettieren

T

R

Horizontal-Knickarmroboter (Reis)

Arbeitsraum eines Horizontal-Knickarmroboter

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7.5.2.6 Universalroboter/ Vertikalknickarm-Roboter/ Gelenkarm-Roboter Die am weiteste verbreitete Konstruktionsart für Industrieroboter ist die RRR-Kinematik eines Universalroboters. Er ist mit drei rotatorischen Hauptachsen ausgestattet. In fast allen Fällen ist die erste Achse eine fluchtende Achse, während die Achsen zwei und drei nicht fluchtend sind. Als Vertikalknickarm-Roboter hat er einen „faustkugelförmigen“ Arbeitsraum. Vorteile • „ universelles“ Gerät • hohe Beweglichkeit • hohe Geschwindigkeit • kleinsten Beschleunigungskräfte • geringsten Platzbedarf bezüglich des Arbeitsraumes • günstigen Arbeitsraum • geringes Störvolumen • Umgreifen von Hindernissen möglich Nachteile • hohe Belastung für Antriebe durch das Eigengewicht • Gewichtsausgleich erforderlich • weniger steif als SCARA • aufwendige Steuerung • hoher Grundaufwand

Einsatzbereiche • Werkzeughandhabung • Beschichten und Lackieren • Punkt- und Bahnschweißen • Prüfen • Werkstückhandhabung • Maschinenbeschickung • Palettieren • Entgraten Animation: Universalroboter

Film: Universalroboter beim Palettieren (Stäubli)

Knickarm-Schweißroboter (KUKA KR 6 arc)

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Universalroboter (KUKA KR 500): Beschreibung und Arbeitsraum Lochbild für Zusatzlast

Handachs- AC-Servomotoren als Gegengewicht

Armverlängerungen – für mehr Reichweite

Anbauflansch für Effektor

Schlauchpaket für die Energieund Mediendurchführung

Hydropneumatischer Gewichtsausgleich Kompaktgelenk mit Motor-Getriebe-Einheit

Grundgestell ist die Schnittstelle zwischen dem Roboter und der Umgebung. Hier befinden sich Energie- und Mediendurchführung

Animation: Universalroboter Arbeitsraum

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Achserweiterung (Kuka Lineareinheit) Häufig werden den 3 Hauptachsen noch eine Linearachse zur Arbeitsraumerweiterung hinzugefügt, indem man den Roboter auf eine oder zwei Schienen setzt. Außerdem können Roboter auch an Wand und Decke, von oben nach unten an Portalen mit Lineareinheiten hängend angeordnet werden (siehe nächste Folie). Auf diese Weise kann ein einziger Roboter die Bedienung von zwei Maschinen übernehmen, die in größerem Abstand voneinander entfernt stehen.

Lineareinheit (KUKA KL 250 und KL 1500)

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Universalroboter hängend am Portal (Fibro)

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7.5.2.7 Sonderbauform: Parallelogramm-Roboter Neben den klassischen Kinematiken gibt es eine Vielzahl von Sonderbauformen, die zum Teil für spezielle Aufgabenstellungen entwickelt wurden z.B. bessere Zugänglichkeit, Seifigkeit oder Bewegungsfreiheit. Zum Teil sind es Abwandlungen der klassischen Bauformen, die durch unterschiedliche Reihenfolge bei der Anordnung der Achsen entstehen. Beim Parallelogramm-Roboter sind die Drehachsen über ein Parallelogramm fest mit einander verbunden (gekoppelt) und führen somit translatorische Bewegungen durch. Der Arbeitsraum hat die Form einer Halbkugel. Vorteile • relativ kostengünstig • große Auskraglänge • hohe Traglast und Steifigkeit

Nachteile • schwere Grundkonstruktion • viele Gelenke beeinträchtigen die Positioniergenauigkeit • eingeschränkte Bewegungsfreiheit • kleiner Arbeitsraum • aufwendige Steuerung Einsatzgebiete • Handhabung schwerer Werkstücke • Palettieren • Punktschweißen

Parallelogramm-Roboter (ABB)

Palettierroboter (KUKA KR 40 PA)

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Parallelogramm-Roboter Arbeitsraum Die ungünstige Gewichtsverteilung der Motoren wirkt negativ auf Dynamik, Wiederhol- und Absolutgenauigkeit.

Durch die Schubstangenanbindung werden bei der Parallelstangen- Kinematik grundsätzlich Begrenzungen des Bewegungsraumes wirksam, die sich sehr ungünstig auf den Arbeitsraum des Roboters auswirken.

ungünstige Gewichtsverteilung der Motoren Drehachsen des Parallelogramms Gegengewicht

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7.5.2.8 Sonderbauform: Parallelarm-Roboter Der Parallelarm-Roboter ist eine Sonderbauform, der für spezielle Aufgabenstellungen erst in den letzten Jahren entwickelt wurde. Die Bewegung erfolgt durch gleichzeitiges Anfahren aller Antriebselemente. Die Parallelkinematik besteht in der Regel aus einer festen und einer bewegten Plattform, die über mehrere parallele kinematische Glieder miteinander verbunden sind. Der Arbeitsraum ist meist nicht sehr groß. bewegte Plattform

Vorteile • Übertragung großer Kräfte • hohe Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen • sehr große Wiederholgenauigkeit kinematisches Glied

Nachteile • geringer Arbeitraum • sehr aufwendige Steuerung

Tricept Parallelroboter (ABB IRB 940)

Einsatzbereiche • Kleinteilmontage • Palettieren • Füge- und Trennaufgaben, die hohe Kräfte erfordern feste Plattform

Parallelroboter (Fanuc F-200i )

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HEXA Parallelroboter (griech. Hexapot = Sechsfüßler) Freiheitsgradbestimmung

Randbedingungen Randbedingungen 14(Anzahl (Anzahlder derGlieder) Glieder) nn==14 (Arbeitsplattform,Gestell, Gestell,12 12Glieder) Glieder) (Arbeitsplattform, 3·6==18 18(Anzahl (Anzahlder derGelenke Gelenke) ) gg==3·6 Dreh-,66Kardan-, Kardan-,66Kugelgelenke) Kugelgelenke) (6(6Dreh-, 36; ΣfΣfi i==66· ·11++66· ·22++66· ·33==36; fidfid==00

fi=1

fi=2

fi=3

g

F = 6 ⋅ (n − g − 1) + ∑ f i − f id i =1

F = 6 ⋅ (14 − 18 − 1) + (6 ⋅1 + 6 ⋅ 2 + 6 ⋅ 3) − 0 = 6 => Der Freiheitsgrad eines Parallelroboters ist gleich der Anzahl seiner Antriebe.

Erreichbarer Arbeitsraum eines HEXA- Parallelroboter

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Beweglichkeit

−

0

0

0

SCARA-Roboter

−

0

0

Horizontal-Knickarmroboter

0

−

+

Universalroboter

+ − −

0

0

+ + −

−

+ +

Schwenkarm-Roboter

Parallelogramm-Roboter Parallelarm-Roboter

0

0

+

Wirtschaftlichkeit

Steifigkeit

+

Lineararm-Roboter

+

0

0

+ −

0

+

+

0

0

0

0

0

+

+

0

0

− − −

+ − ++

+

+ + +

0

+ − −

+

−

+

Steuerung

Tragfähigkeit

+

0

− −

− negativ

Geschwindigkeit

Platzbedarf

+

0 mittel

Genauigkeit

Arbeitsraum

+ positiv

Universalität

7.5.2.9 Bewertungen der Industrieroboter-Bauformen

0 0

0

− + −

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7.6 Grundsatzfrage: Komplettgerät oder Baukasten? GRUNDSATZFRAGE

Komplettgerät (z.B. Universalroboter)

Baukastensystem (z.B. elektrische Einheiten)

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7.6.1 Baukastensysteme So wie man einen komplexen Handhabungsablauf in Teilfunktionen auflösen kann, so lassen sich auch für die einzelnen Bewegungen Funktionsträger gestalten. Sie wachsen schließlich zu einem Baukastensystem mit passfähigen Schnittstellen bezüglich mechanischem Zusammenbau und energetischer Anbindung. Baukastensysteme haben sich in der Technik vielfach bewährt. Der Sinn besteht darin, für eine gerade vorliegende Handhabungsaufgabe einen passgerechten d.h. nicht überqualifizierten Ausführungsmechanismus, zusammenstellen zu können. Dazu wird ein ausreichend großes Sortiment an Funktionsträgern benötigt und von verschiedenen Herstellern auch angeboten. Der Baukastengedanke umfasst inzwischen alle Bestandteile eines Handhabungssystem: • Linear- und Rotationseinheiten (siehe nächste Folien) • Antriebselemente • Koppelstellen (Schnittstelleverbindung) • Greifer • Steuerungen • Interfaces (Datentechnik) Greifer Mit Winkel- oder Parallelbewegung, pneumatisch, hydraulisch, oder federspannend, motorischen Antrieb.

Translatorischer Kurzhub-Modul Hydraulische Modul-Kombinationen

Translatorischer Modul

Rotatorischer Modul

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7.6.1.1 Modulare Komponenten Für die Ausführungen von Bewegungen im Raum stehen Translationsmodule und Rotationsmodule in abgestuften Baugrößen zur Verfügung. Der Antrieb kann pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen.

pneumatisch Kurzhubeinheit pneumatisch Translationseinheit

pneumatisch Rotationseinheit

elektromotorische Rotationseinheit

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7.6.1.2 Wo setzt man Linearachsen ein? 1. Dort wo lineare Kräfte benötigt werden. Dabei ist die Einbaulänge beliebig, z.B.: - als Antriebs- und Führungsmodul für Vorschübe - als Abstapeleinrichtung, Niveauregelung - als Transportantrieb - zur Bewegung von Maschinenabdeckungen - als Kassettenantrieb für Industrieroboter - als Antriebsmodul für Bearbeitungseinbauten.

2. Dort wo genaues Positionierung und hohe Wiederholgenauigkeit verlangt wird, z.B.: - Positionierung der Materialanschläge an Sägen, Pressen, Scheren - Stelltrieb in der Holzmaschinen-Industrie - Förderantriebe

4. Dort wo lineare Bewegungen geführt werden müssen, z.B.: - einfache Führungen mittels Gleitleisten - verstärkte Führungen mit zusätzlichen Anbauelementen - genaue Führungen mittels 3. Dort wo Bewegungen in einer und mehreren Kugeleinsätze und Rollen Achsen erfolgen sollen, z.B.: - 2-dimensinale Antriebe (Kreuztisch) in einfacher und paralleler Ausführung - 3-dimensionale Koordinaten-Systeme - Düsenbewegungen in Lackierstraßen - Verpackungsmaschinen - Förder- und Handhabungselemente - Zubringer innerhalb von Werkzeugmaschinen.

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Beispiele für Baukastensysteme (Fibro)

Be- und Entladen von Schleifmaschine

Portal für Drehmaschine Be- und Entladen

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7.6.1.3 Kombinationen von Baukastenelementen (1/3) Die Kombinationen von Baukastenelementen zu kompletten mehrachsigen Handhabungsmaschinen wird an Beispielen (Firma Gemotec), die häufig in der Industrie zu finden sind, dargestellt. Bei ausreichendem Sortiment von Elementen lassen sich alle typischen Arbeitsräume hervorbringen.

1. Zwei Linearachsen für C-Zyklus Bewegung

2. Drei-Achsen-Gerät wie Einleger mit 2 Linearachsen aber zusätzlich einer Handdrehachse

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Kombinationen von Baukastenelementen (2/3) Je nach Baukastensystem lässt sich der Zusammenbau direkt oder mit Hilfe von Adaptern (Platten, Scheiben, Winkel), um die Passfähigkeit sicherzustellen, mehr oder weniger komfortabel (Montagezeit, Anpassarbeiten, Baugrößenstufungen, Greiferbauart) erledigen.

3. Portalvariante mit Horizontaleinheit

(Draufsicht)

4. Linearachse mit zusätzlicher Kronenrevolverdrehachse für Doppelgreifer

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Kombinationen von Baukastenelementen (3/3) Die Trennung in Komponenten führt allerdings vom zentralen zum dezentralem Antrieb. Es werden somit auch modulare Antriebselemente nötig. Die Motoren sind häufig gestellfest angebracht. Die Verwendung von elektrischen Servo- und Schrittmotoren als Antrieb erlaubt natürlich programmierbare Zyklen zu fahren, was mit pneumatischen Geräten fast nicht möglich ist (außer mit Zwischenanschlägen).

5. Gerät mit der Konfiguration Drehen- Heben- Drehen

Trotz vieler Vorteile kann nur bei Kenntnis aller Einsatzbedingungen eine qualifizierte Entscheidung zwischen kompakter und baukastenmäßiger Bauform getroffen werden. Viele Verbindungsstellen machen nämlich die offene kinematische Kette „weich“, d.h. das Genauigkeits-, Last- und Schwingungsverhalten ist anders, im Vergleich zu Kompaktrobotern schlechter.

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7.6.2 Komplettgerät oder Baukasten? Der Vergleich! KOMPLETTGERÄT

BAUKASTENSYSTEM

• Universell einsetzbares Gerät • Häufig bessere Genauigkeits-, Last- und Schwingungsverhalten • Anpassungsfähiger in den Bewegungsbahnen • Erprobung des Gesamtsystems vom Hersteller und somit Garantie auf Last-, Geschwindigkeits- und Genauigkeitskennwerte • Möglichkeit zur Verarbeitung von Sensorsignalen (bei Baukastensystemen nur bedingt möglich) • Bezogen auf die Gelenkzahl kostengünstige Gesamtlösung • Größer Arbeitsraum bezogen auf den Platzbedarf • Schnelle Abänderung des Bewegungsprogramms ohne mechanische Veränderung vorzunehmen • Keine Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit des Gesamtgerätes • Gute Gewichtsverteilung von Antrieben und Achsen • Komplette technische Dokumentation aller Teilsysteme und somit bedienungsfreundlicher • Handhabung großer Tragmassen

• Bessere kinematische Anpassung an Handhabungsaufgabe möglich • Keine brachliegenden Funktionsträger • Als Folge einer Serienfertigung preiswert, umfassend erprobt und qualitativ hochwertig • Grundbaugruppen lassen sich in größeren Stückzahlen wirtschaftlicher herstellen. • Die meisten Module sind ohne Wartezeit beziehbar. • Komplexere Aufbauten aus einem System entwickelbar • Durch niedrige Gelenkzahl höhere Steifigkeit • Zerlegte Systeme sind mit hohem Anteil wiederverwendbar. • Beim Projektieren werden Zeitvorteile durch Bereitstellung CAD-fähiger Datensätze erreicht.

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7.7 Anhang Normen DIN EN ISO 8373:

Industrieroboter: Wörterbuch. Berlin: Beuth Verlag, 1996

DIN EN ISO 9787:

Industrieroboter: Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklaturen. Berlin: Beuth Verlag, 1999 DIN EN 29946 (ISO 9946): Industrieroboter: Darstellung charakteristischer Eigenschaften. Berlin: Beuth Verlag DIN EN 29283:

Industrieroboter: Leistungskriterien und zugehörige Testmethoden. Berlin: Beuth Verlag

DIN EN 775:

Industrieroboter: Sicherheit. Berlin: Beuth Verlag, 1993

DIN 66217:

Koordinatenachsen und Bewegungseinrichtungen für numerische gesteuerte Arbeitsmaschinen. Berlin: Beuth Verlag, 1975

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Richtlinien VDI 2739 Blatt 2: Matrizenrechnung – Anwendungen in der Kinematik und bei Eigenwertproblemen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1996 VDI 2853: Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb von Industrierobotern. Düsseldorf: VDI-Verlag VDI 2860: Montage- und Handhabungstechnik – Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1990 VDI 2861 Blatt 1: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Achsbezeichnungen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988 VDI 2861 Blatt 2: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Einsatzspezifische Kenngrößen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988 VDI 2861 Blatt 3: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Prüfung der Kenngrößen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988 VDI 2864: Montage- und Handhabungstechnik, Adressen von Koordinaten und Funktionen bei der Programmierung numerisch gesteuerter Handhabungssysteme. Düsseldorf: VDI-Verlag

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Literaturhinweise • Hans B. Kief: FFS- Handbuch `92/93 (3. Auflage). München/ Wien: Hanser, 1992 • Stefan Hesse: Handhabungsmaschine. Würzburg: Vogel, 1993 • Bartenschlager/ Hebel/ Schmidt: Handhabungstechnik mit Robotertechnik. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg, 1998 • Stefan Hesse: Fertigungsautomatisierung. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg, 2000 • Steuern und Regeln (9. Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2003 • Automatisierungstechnik (4.Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2001 • Lektor Handhabungstechnik (Version 1.0). Berlin: Technik und Medien, 2001 • Prof. Dr.-Ing. H. Brüggemann: Vorl. Handhabungs- und Montagetechnik. FH Braunschweig/Wolfenbüttel, SS 2004 • Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann: Vorl. Robotertechnik. Technische FH Berlin: WS 2004/2005 • Dr. Ing. Eberhard Kroth: Lehrmaterial Reis Robotics • Prof. R. D. Schraft: Vorl. Automatisierung in der Montage und Handhabungstechnik. Universität Stuttgart, SS 2005 • Prof. Georg Stark: Vorl. Robotik. FH Augsburg • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. J. Hesselbach & Dipl.-Ing. Mathias Krefft: Vorl. Industrieroboter. TU Braunschweig

Filme [Adept]:

Adept Technology GmbH D-44227 Dortmund [Ford]: Ford –Werke AG D-50742 Köln [Stäubli]: Stäubli GmbH D-95448 Bayreuth

Internet-Links www.bleichert.de www.kuka-roboter.de www.fibro.de www.gemotec.com