Mittels einer virtuellen Steuerung lassen sich Roboteranwendungen heute zu einem großen Teil in der Simulation entwerfen. Auf diese Weise können grundsätzliche Anforderungen beziehungsweise Problematiken abgeklärt werden wie:

• Arbeitsraum und Erreichbarkeit von Punkten;
• mögliche Kollisionen und Singularitäten;
• Bahn- und Bearbeitungsgeschwindigkeiten;
• Taktzeiten;
• Belastungen der Robotermechanik und Antriebstechnik (Motor/Getriebe/Umrichter).

Die Anforderungen, die durch den Arbeitsraum und die darin zu erreichenden Punkte entstehen, haben wesentlichen Einfluss auf die Auswahl des Robotertyps und dessen Größenauslegung. Der Aufstellort des Roboters, die Positionierung der Werkstücke und die Gestaltung des Werkzeugs beziehungsweise Greifers sind weitere wichtige Variationsparameter, die in der Simulation ermittelt werden können.

Hinzu kommt, dass sich das Auftreten von Singularitäten - sprich für eine Bewegung ungeeignete Stellungen des Roboters - erst durch die ganzheitliche Betrachtung von Roboter, Werkzeug und Arbeitsbahn beurteilen und gegebenenfalls entsprechend beheben lässt.

Bei Bahnbearbeitungsaufgaben ist es zudem wichtig zu prüfen, ob die erforderlichen Bahngeschwindigkeiten mit dem Roboter überhaupt erzielbar sind. In beiden Fällen kann eine Variation der Roboterposition, eine Umplatzierung des Werkstücks oder gar eine Änderung des Werkzeugs notwendig sein.

Realitätsgetreue 3D-Simulation

Simulation des dynamischen Verhaltens eines Knickarmroboters mit Hilfe der Forschungssoftware Hotint zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme.

Damit nicht genug: Meist ist die Ausführungszeit eine wichtige Größe für die Rentabilität einer Roboterlösung. Realistische Simulationsergebnisse lassen sich hier nur erzielen, wenn die Bahnplanung der vorgesehenen Steuerung verwendet wird. Last but not least sind für die sichere gesamtheitliche Auslegung eines Roboters (Robotermechanik, mechanische / elektrische Antriebstechnik, Fundamente, zusätzliche Verfahrachsen) neben der Geometrie und Geschwindigkeit die auftretenden Kräfte und Momente von Bedeutung.

Diese lassen sich ebenfalls über ein in die virtuelle Steuerung integriertes, dynamisches Robotermodell zuverlässig vorhersagen und dienen damit zur massiven Reduktion sowohl des Entwicklungsrisikos als auch der Entwicklungsdauer von Roboteranlagen.

Damit die geschilderten Vorteile von Simulationen im Entwicklungsalltag auch tatsächlich zum Tragen kommen, dürfen allerdings keine hohen Einmalkosten für Softwarelizenzen oder Einrichtungsarbeiten wie etwa die händische Erstellung von Simulationsmodellen anfallen. Auch muss es sich bei der virtuellen Version der Steuerung um eine vollständige, realitätsgetreue Simulation handeln, die die originale Steuerungssoftware verwendet und nicht bloß eine Nachbildung mit reduziertem Funktionsumfang. Erst dadurch ermöglicht die virtuelle Steuerung eine präzise Simulation des Verhaltens der echten Steuerung. Sämtliche Konfigurationsdateien und Programme werden dabei unverändert verwendet.

Ein Beispiel für eine solche integrierte Lösung ist das Robotersteuerungssystem KeMotion. Zur Bedienung der virtuellen Steuerung steht bei dieser Plattform ein simuliertes Handbediengerät zur Verfügung. Diesem wird ebenso wie bei der realen Steuerung die originale Systemsoftware eingespielt. Damit stehen in der Simulation alle Bedienfunktionen der Steuerung in gleicher Weise zur Verfügung. Ein Software-Oszilloskop ermöglicht die Visualisierung des Steuerungsverhaltens.

Neben der Darstellung von Signalen in Form von y/t- und x/y-Diagrammen sowie einer Anzeige von Variablenwerten ist zusätzlich eine 3D-Ansicht vorhanden. Die 3D-Visualisierung ist durch die Verwendung des offenen Standards VRML einfach erweiterbar und erlaubt den Import von Daten aus gängigen CAD-Programmen. Alle vom Oszilloskop aufgezeichneten Signale sind dazu verwendbar, Eigenschaften der 3D-Darstellung zu beeinflussen. So kann der Anwender neben einer Verschiebung und Drehung von Maschinenteilen deren Sichtbarkeit oder Farben verändern.

Virtuelle Steuerung läuft auf Standard-PC

Die virtuelle Steuerung in KeMotion lässt sich auf jedem aktuellen Standard-PC ohne spezielle Zusatzsoftware installieren. Sie bietet neben der Simulation in Echtzeit eine beschleunigte Ausführungsgeschwindigkeit. Dafür kann der Prozessor zu 100 % ausgelastet werden, um so eine je nach vorhandenerApplikation zwischen 3- und 50-fach beschleunigte Simulation der Steuerungsfunktion zu erhalten. Weiterhin verfügt die Steuerung über ein Remote-Interface entsprechend dem unter Federführung des Fraunhofer IPK entwickelten Standard „Virtual Robot Controller" (VRC), womit sie auch von Offline-Programmiersystemen bedient werden kann.

Auf diese Weise ist beispielsweise die Automatisierung einer Abkantpresse mit einem Roboter simulierbar: Im Programmiersystem für die Presse wird das Blechteil mit den auszuführenden Biegungen programmiert. Über die Simulationsschnittstelle sind außerdem die zugehörigen Roboterbewegungen definierbar. Mit Hilfe der virtuellen Steuerung kann der Anwender nun die Bewegungen zusammen mit der Maschine überprüfen und visualisieren. Die erweiterte Simulation Wie die bisherigen Ausführungen zeigen, lassen sich viele Fragen, die den Robotereinsatz betreffen, allein mit Hilfe der virtuellen Steuerung abklären. Diese Simulation ist jedoch auf die Modellierung eines starren Roboters und idealer Antriebsregler beschränkt.

Wenn es hingegen um Hochgeschwindigkeitsanwendungen geht, gewinnen dynamische Effekte in den Antriebsreglern und in der Robotermechanik an Bedeutung: Schleppfehler und elastische Verformungen des Roboters führen zu Bahnabweichungen, die umso größer werden, je schneller der Roboter fährt. Weiterhin kann es bei schnellen Bewegungen zur Anregung von Vibrationen kommen, die einerseits die Mechanik belasten, andererseits die Genauigkeit von Prozess-Ergebnissen negativ beeinflussen - etwa beim Materialauftrag oder -abtrag.

Forschungs-Software simuliert flexible Mehrkörpersysteme

Zur Simulation dieser komplexen dynamischen Effekte bietet sich die Kopplung der Steuerung an gängige Simulationswerkzeuge wie Matlab/Simulink und Dymola an. In diesen Tools ist die ganze Breite der Bibliotheken für die Simulation von Reglern und Mechanik nutzbar. Zudem steht im Fall von KeMotion eine Kopplung mit dem Mehrkörpersimulationssystem Hotint zur Verfügung.

Bei Hotint handelt es sich um eine Forschungs-Software zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme. Diese bietet Möglichkeiten zur Simulation auch komplexer Thematiken wie hochelastische Körper, Kontaktprobleme oder Massenströme.

Für die Integration mit KeMotion wurde Hotint um Funktionen erweitert, die es gestatten, für serielle Kinematiken aus den Konfigurationsdaten der Steuerung ein Modell des Roboters einschließlich der Antriebsregler zu erzeugen. Auf diese Art ist es ohne Aufwand möglich, die Mechanik des Roboters einschließlich Elastizitäten im Antriebsstrang und dem dynamischen Verhalten der Antriebsregler zu simulieren.

Der Austausch der Daten zwischen Steuerung und Simulationsumgebung erfolgt bei allen genannten Tools synchronisiert im Interpolationstakt der Steuerung.

Autor: Michael Garstenauer ist Produktmanager bei Keba in Linz (Österreich).