Heute gilt es im Maschinenbau komplexe Produktionsprozesse immer effizienter und schneller umzusetzen - und das zu einem wirtschaftlichen Preis. Diese Anforderung treibt den Einsatz von Roboter-Kinematiken für unterschiedliche Handlingsaufgaben quer durch alle Branchen voran - sei es in der Kunststoffbranche, der Nahrungsmittel und Verpackungsindustrie, im Werkzeugmaschinenbau oder auch in der Montagetechnik. Gerade wenn hohe Ansprüche an die Performance gestellt werden, können beim Einsatz von Standard-Robotern mit ihren meist proprietären Steuerungen jedoch Probleme bei der Echtzeit-Synchronisation auftreten.

Die Lösung hierfür ist meist nur ein aufwendiger und großer Puffer, der das Material zwischen den einzelnen Verarbeitungsmodulen einer Anlage speichert. Auch die Programmierung der Schnittstellen bringt einen erheblichen Engineering- Aufwand mit sich. Ein weiterer Nachteil ist die erforderliche Einarbeitungszeit der Programmierer und Service-Techniker in die speziellen Programmiersprachen und Tools der verschiedenen Steuerungssysteme.

Eine deutliche Vereinfachung versprechen hier Steuerungsarchitekturen, die Robotik, SPS und Motion-Control in einem einzigen zentralen Steuerungssystem integrieren, wie dies etwa beim System von Sigmatek der Fall ist. Eine leistungsfähige CPU übernimmt dabei die Steuerung des Systems, sämtliche I/Os und die Servoantriebe für die Bewegungsachsen hängen an einem echtzeitfähigen, ethernetbasierten Bussystem wie dem Varan.

Durch die enorme Performance moderner Prozessortechnologie ist es sogar möglich, mehrere Maschinenmodule zu steuern und gleichzeitig die aufwendige Koordinaten-Transformation komplexer Roboter-Kinematiken - sprich die Umrechnung der Koordinaten im kartesischen Arbeitsraum des Roboters in die Drehbewegungen der einzelnen Roboterachsen - in Echtzeit durchzuführen. Bedenkt man zudem die Möglichkeiten, die sich durch ein einheitliches, integriertes Safety-Konzept ergeben, so liegen die Vorteile einer solchen zentralen Systemarchitektur klar auf der Hand.

Vorteile durch Integration

Mit einem integrierten Steuerungssystem lassen sich unterschiedliche Roboter-Kinematiken, wie Knickarm-, Gantry-, Scara-, Portal- oder Delta-Roboter ansteuern. Einzelne Roboter-Module können nach dem Baukastenprinzip einfach zusammengefügt und in die Maschinensoftware integriert werden. Die Applikationssoftware ist dabei so aufgebaut, dass sich ein Roboter-Modul wie jedes andere Maschinen- Modul in das Gesamtprojekt einbinden lässt. So entsteht eine einheitliche Struktur der Maschinen-Software, und der Programmierer kann sich auf die eigentlichen Maschinen- und Bewegungs-Funk- tionalitäten konzentrieren. Auch die Einbindung mehrerer Roboter-Kinematiken in einer Anlage kann ohne größeren Programmieraufwand erfolgen.

Für den Maschinenbau entsteht durch das beschriebene Systemkonzept eine Lösung aus einem Guss: Einerseits entfallen durch die Umsetzung des Steuerungskonzeptes mit einer integrierten Architektur sämtliche externe Schnittstellen in Hard und Software; proprietäre Robotersteuerungen sind nicht mehr notwendig. Andererseits resultiert aus dieser Durchgängigkeit auch eine einheitliche Programmierung, was zu einer Reduzierung des Engineering- und Service-Aufwandes führt.

Die Bewegungsbahn des Roboters, die sogenannte Trajektorie, wird im beschriebenen System in Form von Linear-, Zirkular- oder Punkt-zu-Punkt-Bewegungen vorgegeben. Komplexere Trajektorien werden durch Sequenzen einzelner Bewegungsabschnitte (Bahnsegmente) angenähert. Da die Robotersteuerung eine Bahn mit einer möglichst hohen Laufruhe erzielen soll, sind stoß- und ruckfreie Bewegungen die Voraussetzung für hohe Taktraten, einen schonenden Betrieb des Roboters und nicht zuletzt für ein behutsames Handling der Produkte.

Ein Stoß ist ein theoretisch unendlicher Geschwindigkeitssprung, der entsteht, wenn die Bewegungsbahn einen Knick aufweist und daher innerhalb extrem kurzer Zeit eine neue Position erreicht werden soll. Ein Ruck hingegen ist ein endlicher Beschleunigungssprung, der auftritt, wenn die Wegkurve zwar keine Knicke aufweist, aber der dazugehörende Geschwindigkeitsverlauf einen Knick hat. Dies ist dann der Fall, wenn zwei Bahnsegmente mit unterschiedlicher Krümmung aufeinandertreffen.

Mögliche Bahnsteuerungen

Die Bewegungsbahn (Trajektorie) des Roboters wird in Form von Linear-, Zirkular oder Punkt-zu-Punkt-Bewegungen vorgegeben.

Um ruck- und beschleunigungsbegrenzte Trajektorien zu erzeugen, bietet die Sigmatek- Bahnsteuerung folgende Möglichkeiten:

Genauhalt nach jedem Bahnsegment

Beim Genauhalt wird die Bewegung an jedem Segmentübergang kurz angehalten und dann - mit oder ohne Wartezeit - ruck- und beschleunigungsbegrenzt wieder fortgesetzt. Die programmierte Trajektorie lässt sich auf diese Weise exakt abfahren, ohne die Leistungsfähigkeit der Maschine zu überfordern. Allerdings liegt dann weder eine optimale noch eine konstante Bahngeschwindigkeit vor. Bei schnell abgefahrener Bewegungsbahn kann es zudem zu einer unerwünschten Anregung der schwingungsanfälligen mechanischen Struktur kommen.

Überschleifen der Segment-Übergänge

Beim Überschleifen erfolgt eine automatische Verrundung der Segment Übergänge innerhalb eines Toleranzbereiches, dem so genannten Überschleifradius. Dabei kommt es zu einer Veränderung der Sollbahn gegenüber der programmierten Trajektorie. Dafür lässt sich - je nach Anforderungen der Applikation - entweder eine größtmögliche oder auch eine möglichst gleichförmige Bahngeschwindigkeit erreichen. Bei zu klein gewählten Überschleifradien kann es allerdings zu einer Überforderung der Maschine und Antriebe kommen, aus der eine zusätzliche Abweichung der Bahn vom Sollwert und möglicherweise auch eine Schwingungsanregung der Mechanik resultieren.

Interpolation von stützpunktbasierten Bewegungsvorgaben

Sollen die Stützpunkte exakt und mit definierter Geschwindigkeit durchfahren werden, so erfolgt die Interpolation der Bewegungsbahn durch Splines beziehungsweise Polynome 5. Ordnung. Daraus resultieren ruck- und stoßfreie Trajektorien, die an die dynamischen Möglichkeiten der Maschine anpassbar sind.

Vorausschauende Geschwindigkeitsanpassung (Look-ahead)

Mit der Look-ahead-Funktion ermittelt die Robotersteuerung für die programmierte und gegebenenfalls überschliffene Kontur vorab die erforderlichen Beschleunigungen und passt die Bahngeschwindigkeit an die dynamischen Möglichkeiten der Maschine an. Durch die Geschwindigkeitsanpassung kommt es an Ecken und engen Konturradien zu Abweichungen, die jedoch meist tolerierbar sind. Dank der Leistungsfähigkeit und Rechengeschwindigkeit moderner Prozessoren kann die Bewegungssteuerung online gerechnet werden. Dies ist vor allem für die Überwachungsfunktionen und die Betriebssicherheit der Maschine vorteilhaft.

Der Vorteil des durchgängigen Engineering

Voraussetzung für eine Senkung der Kosten bei der Entwicklung und Inbetriebnahme solcher robotergestützter Anlagen sind durchgängige Engineering-Tools. Im Bereich des klassischen Software-Engineering haben sich die Methoden des objektorientierten Programmierens und entsprechende Engineering-Tools durchgesetzt und zu einer deutlichen Verkürzung der Entwicklungszeiten beigetragen.

Das objektorientierte Programmierkonzept basiert auf einer Repräsentation der verschiedenen Teile einer Maschine in Form von Objekten. Hinter einem Objekt steht jeweils eine Klasse, die den Programmcode und die dazugehörenden Datenelemente kapselt.

Die Implementierung des Programmcodes eines Objektes erfolgt in den gebräuchlichen Sprachen der IEC 61131-3, wie beispielsweise Strukturiertem Text, Kontaktplan oder auch in C. Dies ist ein wesentlicher Akzeptanzfaktor, da so die Methoden der objektorientierten Programmierung als durchgängige Erweiterung der vertrauten und bewährten Sprachen zur Verfügung stehen.

Durch Vererbung lässt sich eine Klasse verfeinern, das heißt spezialisieren, indem zu der Basisklasse zusätzliche Informationen und Programmcode hinzugefügt werden. Per Aggregation kann der Programmierer einzelne Klassen zu einer komplexen Klasse zusammenfassen. Mit dieser Technik ist es möglich, neue Ausprägungen von Maschinenteilen mit minimalem Programmieraufwand umzusetzen.

Die für eine bestimmte Roboter-Kinematik spezifischen Algorithmen zur Koordinaten- Transformation werden beispielsweise in einer abgeleiteten Klasse implementiert, während die Realisierung grundlegender Funktionen der Bahnsteuerung in der Basisklasse erfolgt.

Schneller Überblick für Entwickler

Im Fall des Engineering-Tools „Lasal" von Sigmatek unterstützt den Programmierer eine grafische Darstellung der Klassen und Objekte. Die Komplexität der Software- Implementierung wird verborgen, der Programmcode selbst ist auf den ersten Blick nicht ersichtlich. Dargestellt werden lediglich die Beziehungen von Objekten zueinander sowie die wichtigsten Daten.

Somit können sich die Entwickler schnell einen Überblick über die Projektstruktur verschaffen, und die Zusammenhänge der einzelnen Programmmodule werden verdeutlicht. Servicetechnikern ist es so rasch und einfach möglich, eine Diagnose der Fehlfunktion einer Maschine zu treffen.

Kurzum: Objektorientierte Programmierung eröffnet dem Anwender entscheidende Vorteile. Bereits erstellte Applikationsteile sind einfach wieder verwendbar. Zudem können bei komplexen Applikationen mehrere Entwickler gleichzeitig programmieren. Auf diese Weise können sich Roboterexperten auf spezielle Funktionen in ihrem Bereich konzentrieren, die völlig von der restlichen Software der komplexen Gesamtapplikation getrennt sind.

Autor: Dr. Thomas Cord ist Director Technology & Markets bei Sigmatek.