Von Gerhard Raml

Hersteller von Standard-Robotern nutzen innerhalb der Bewegungssteuerung zunehmend mathematische Modelle, welche das dynamische Verhalten ihrer Geräte beschreiben. Diese sogenannten dynamischen Modelle dienen zur Vorsteuerung der Antriebsregler, zur Planung des dynamischen Bahnverhaltens sowie zur Kompensation von Abweichungen und ermöglichen somit die exakte Vorhersage von Antriebsdrehmomenten und -kräften für jeden gewünschten Bewegungsablauf. Besonders große Performance-Steigerungen lassen sich auf diese Weise bei allen nicht-kartesischen Kinematiken wie Scara- und Knickarm-Anwendungen erzielen. Darüber hinaus stellt das Modell wichtige Informationen zur Verfügung, die für die Auslegung und Konstruktion von Robotern nötig sind. Der Nachteil daran: Die Modelle der diversen Roboteranbieter beziehen sich auf deren Fabrikate und sind nur bedingt auf Anwendungen mit anderen Robotern adaptierbar.

Als Redaktion hierauf hat Keba mit KeMotion eine frei konfigurierbare Steuerung entwickelt, die beliebige Robotertypen ansteuern kann und dabei ein universell anwendbares, dynamisches Robotermodell beinhaltet. Dieses Modell ist die Grundlage für vier wichtige Features, mit denen sich die Performance von Robotikkonstruktionen deutlich verbessern lässt: Momentenbegrenzer, Momentenvorsteuerung, Elastizitätskompensation sowie Kollisionserkennung. Was lässt sich mit diesen Funktionen im Detail anfangen?

Der Momentenbegrenzer

Der Momentenbegrenzer arbeitet in Echtzeit und erlaubt in erster Linie ein exakteres, schnelleres Abfahren von kartesischen Roboterbahnen (Gerade, Kreis, Spline). Diese Funktion überprüft während der Ausführung des Roboterprogramms automatisch die Grenzwerte der Antriebe und berechnet aufgrund der in der Steuerung hinterlegten Maxima für Drehmomente und Drehzahlen die höchstmögliche Ausführungsgeschwindigkeit beziehungsweise Beschleunigung – und dies unter Berücksichtigung aller Antriebsmomente und Belastungen durch Trägheit, Gewicht sowie Reibung. Auf diese Weise ist es möglich, jeden Roboter im optimalen Bereich zu bewegen. Das bedeutet, dass die Ausführung der Bahn so schnell erfolgen kann, wie es die Mechanik des Roboters und die Dynamik der Antriebe erlauben. Seine volle Stärke kann der Momentenbegrenzer vor allem dann ausspielen, wenn die Roboterbahn von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich ist, zum Beispiel bei Anwendungen mit

• variabler Werkstückposition, wobei die Lage jedes einzelnen Werkstücks vor der Bearbeitung – etwa mittels Bild-Erkennung – neu bestimmt wird,
• bewegten Werkstücken, wenn sich diese etwa auf einem Förderband oder Drehteller kontinuierlich bewegen und dabei gleichzeitig eine Bearbeitung stattfindet,
• sensorgeführter Bahnkorrektur, wie dem Erfassen von Werkstückskonturen mittels geeigneter Sensoren und entsprechender Anpassung der Roboterbahn.

Existierende SPS- und CNC-basierte Robotersteuerungssysteme verwenden typischerweise eine Beschleunigungslimitierung, um die maximal zulässigen Motormomente nicht zu überschreiten. Die Einstellung dieser Beschleunigungsgrenzen ist jedoch ein iterativer Prozess, bei dem in mehreren Durchläufen ein Kompromiss zwischen Ausführungszeit und Motorbelastung gefunden werden muss. Für die Referenzbahn ergibt sich bei Beschleunigungsbegrenzung der in Bild 2 ersichtliche Momentenverlauf. Zu erkennen ist darauf, dass es – obwohl die Maximalmomente nur suboptimal ausgenutzt werden – an einigen Bahnpunkten zu Momentenüberschreitungen kommt.

Der Momentenlimiter hingegen (siehe Bild 3) sorgt für ein exaktes Einhalten der Maximalmomente sowie für eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Leistung der Antriebe. Dadurch lässt sich die Bewegung letztlich in kürzerer Zeit ausführen. Der konkrete Vergleich der Ausführungszeiten beider Verfahren – 3,6 gegenüber 2,6 Sekunden – zeigt, dass mithilfe der Momentenbegrenzung eine Performance-Steigerung von mehr als 27% erzielbar ist; und dies ohne Mehrkosten für Mechanik oder Antriebstechnik – allein durch intelligentere Bahnplanung!

Die Momentenvorsteuerung

Neben der Geschwindigkeitssteigerung durch den Momentenbegrenzer ermöglicht das dynamische Robotermodell eine präzise Vorhersage der für eine Bahn notwendigen Antriebsmomente und -kräfte. Die Momentenvorsteuerung bezeichnet die Übertragung dieser vorhergesagten Momente an die Antriebsregler und deren Nutzung in den Regelkreisen. Die Antriebsregler können damit im Vorhinein auf erwartete Momente reagieren und müssen nicht nachträglich die durch geplante Sollwertänderungen entstehenden Regelabweichungen ausgleichen. Das bewirkt eine schnellere und präzisere Antriebsregelung und daraus resultierend auch reduzierte Schleppfehler in den Motoren sowie eine erhöhte Bahngenauigkeit. Bei hohen Anforderungen an die Bahndynamik nähert sich der Antrieb seinen Momentengrenzen und die Reglerabweichungen vergrößern sich. In diesem Bereich wirkt sich der Effekt der Momentenvorsteuerung noch mehr auf einen Gewinn an Bahngenauigkeit aus.

Kompensation elastischer Verformungen

Dieser vom Roboter erstellte Schriftzug verdeutlicht den Präzisionsgewinn auf der Bahn bei Verwendung der Momenten-Vorsteuerung (oberer Schriftzug). Ohne Momentenvorsteuerung (unterer Schriftzug) kommt es zu einem Präzisionsverlust: Der Roboter fährt immer wieder über die vorgegebene Bahn hinaus ”“ der Schriftzug wirkt verwackelt.

Besonders bei Achsen mit langen Antriebssträngen – bestehend aus den Komponenten Roboterachse, Getriebe und Motorwelle – wirken sich Abweichungen aufgrund elastischer Verformung besonders stark beziehungsweise negativ auf die Bahngenauigkeit des Roboters aus. Mit Hilfe der berechneten Momente und eines elastischen Modells jedes Antriebsstrangs lassen sich diese Verformungen in Echtzeit berechnen und kompensieren. Einerseits ist damit ein Gewinn an Bahngenauigkeit sowie eine Verminderung von Vibrationen zu erzielen. Andererseits versetzt dieses Feature der Steuerung den Robotikkonstrukteur zusätzlich in die Lage, Applikationen in Leichtbauweise zu realisieren, indem größere, durch den Verlust an Steifigkeit bedingte Bahnabweichungen mittels intelligenter Bewegungssteuerung kompensierbar sind.

Intelligente Kollisionserkennung

Zur Kollisionserkennung vergleicht die entsprechende Funktion der KeMotion-Steuerung die Ist-Momente der Antriebe mit den errechneten Momenten. Bei signifikanten Abweichungen, die auf eine Kollision hindeuten, können Notfall-Reaktionen wie etwa ein Stromlos-Setzen der Antriebe oder Ausweich- beziehungsweise Rückzugsbewegungen eingeleitet werden.

Summa summarum lässt sich festhalten: Neben der Betriebsoptimierung individueller Robotik-Anwendungen unterstützen frei programmierbare Steuerungen mit integriertem dynamischen Robotermodell den Applikationsentwickler bereits bei der konzeptionellen Auslegung seines Roboters. Auf Basis geplanter Roboterbewegungen sind die erwarteten Antriebsmomente und Belastungen bestimmbar und dadurch die Robotermechanik und -elektrik optimal auslegbar. Dabei lässt sich der Roboter in jeder Entwicklungsphase in voller Dynamik virtuell testen. Dies senkt die Entwicklungskosten eines Roboters sowie das Risiko einer Fehldimensionierung der Mechanik.

Autor

Gerhard Raml ist Leiter Produktmanagement bei Keba im österreichischen Linz.

Die KeMotion-Plattform

Die frei programmierbare Robotersteuerung KeMotion erlaubt unter anderem den Umgang mit bewegten Werkstücken (Tracking-Anwendungen), verfügt über ein einfach zu handhabendes Teach-in-System und ermöglicht die Integration eines Produktionsprozesses in das Ablaufprogramm der Roboterbewegung. In viele Teile der Steuerung kann der Anwender nach seinen Vorstellungen eingreifen: zum Beispiel zusätzliche Befehle aufnehmen und bestehende modifizieren, eine individuelle Prozessvisualisierung integrieren oder eigene prozess-spezifische Tools anbinden. Auch das Verhalten des Systems lässt sich in jeder Betriebsart anpassen und in der Steuerung verankern. So kann der Anwender genau definieren, welche Maßnahmen in welcher Reihenfolge etwa beim Erkennen einer Kollision gesetzt werden sollen.

Wesentliche Teile des Roboterbetriebssystems stehen als Baukastensystem mit vorgefertigten Applikationsmodulen zur Verfügung. Ebenfalls vorhandene Motion-Bausteine helfen, die Integration der Roboterperipherie zu beschleunigen. Ein fertiges Online-Programmiersystem und ein vordefinierter Befehlssatz ermöglichen nicht zuletzt eine schnelle Inbetriebnahme von Prototypen und in Folge eine rasche Serieneinführung mit wenigen Entwicklungsressourcen.