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Inside Robotics

Text: A&D Foto: Kuka
Jede einzelne Roboterkomponente prägt einen Funktionsbaustein. Aber nur durch das harmonisierte Zusammenspiel aller Einzelteile werden alleAnforderungen und Vorgaben des Anwenders erfüllt. Am Beispiel desHerstellers Kuka beleuchtet A&D die beteiligten Disziplinen sowie derenRolle und Leistung im mechatronischen Verbund.

Festo stellt für Kuka Ventilinseln her, bei denen alle notwendigen Funktionen integriert werden, die zum Ansteuern eines Backengreifers oder auch eines Vakuumgreifers notwendig sind. Durch die Integration von Sensorik und auch von Steuerungskomponenten sowie eine Busanbindung kann diese Integrationskomponente genau an die Applikation von Kuka angepasst werden. Die Funktionsintegration bietet zudem eine kompakte Bauweise, so dass eine derartige Ventilinsel auf dem Arm des Roboters in der Nähe des Greifers mitgeführt werden kann. Dadurch werden die notwendigen Kabel- und Schlauchanbindungen, die über den Roboter verlegt werden müssen, deutlich reduziert. Festo sieht die Mechatronik mit den Möglichkeiten der Software als Basis einer weitaus umfassenderen Herausforderung und Chance. Neben den Grundfunktionen der Bewegung, die durch die Aktorik, Sensorik und die Regelungs- und Steuerungfunktionen sichergestellt werden, besteht eine Weiterentwicklung in zusätzliche Funktionen wie die der Selbstdiagnose und Selbstkalibrierung sowie in der immer wichtiger werdenden Vereinfachung des Mensch-Maschine-Interfaces.

Mit seinen Han-Industriesteckverbindern stellt Harting an Steuerschrank und Fuß des Roboters angepasste Komponenten zur Verfügung, um alle Peripherieelemente schnell und sicher zu verbinden oder bei Bedarf auch zu trennen. So werden mit Han-Modular-Lösungen schon seit Jahren die Servoantriebsleitungen zwischen Steuerschrank und Roboter verbunden. Die Basis bildet ein spezielles Modul, welches je einem Antrieb zugeordnet ist. Weitere Han-Steckverbinder stellen die Spannungsversorgung sicher oder geben die interne Datenkommunikation zum Roboter weiter. Vom Roboterschrank bis hinauf zur Achse 6 am Roboterkopf werden mit Han PushPull und Ha-VIS preLink angepasste Profinet-Infrastrukturlösungen verwendet, die Hersteller und Endanwender viel Flexibilität bei der Handhabung bieten. So lassen sich die 24V-Versorgung, die Signale sowie die Profinet-Datenkommunikation ohne großen Aufwand im Roboter verkabeln und an den spezifischen Stellen einfach fixieren. Neue spezifische Kupplungslösungen konnten hier zum Beispiel den Aufwand der Schlauchpaketfertigung und der Montage wesentlich reduzieren. Weil Roboter oft im Verbund arbeiten, bedarf es einer korrekten und sicheren Datenkommunikation untereinander. Mit der neuen mCon-Switchgeneration bietet Harting die Möglichkeit, ein Robotersystem aufzustellen, dass sich für unterschiedliche Kommunikationsprotokolle anpassen lässt.

Wird die Zahl der eingesetzten Baugruppen reduziert und auf proprietäre Hardware verzichtet, lässt sich die Verfügbarkeit der Robotik erhöhen. Ein Beleg dafür ist das Servo-Antriebssystem von Lenze für die aktuelle Kuka-Robotersteuerung KR C4. Der neue Steuerschrank punktet gegenüber seinem Vorgänger rein äußerlich durch geringere Abmessungen. Die inneren Werte werden bestimmt von offenen Industriestandards wie MultiCore, Echtzeit-Ethernet und integrierter Sicherheitstechnik. Das Lenze-Lösungspaket besteht aus zwei wesentlichen Elementen: Das Kuka Power Pack (KPP) integriert Versorgungsmodul und bis zu zwei Servoregler als standardisierte Lösung. Parallel dazu - und mit gleicher Maximalleistung sowie unverändertem Einbauraster - wurde für die weiteren Achsen das Kuka Servo Pack (KSP) konzipiert. Dieses vereint drei Servoregler zu einer Einheit mit Spitzenströmen bis 64 A pro Achse. In Summe kann der Schaltschrank drei Einheiten nebeneinander aufnehmen - und ist so in der Lage, acht Achsen zu versorgen und zu steuern. Die Leistungsversorgung der Antriebe ist über einen Zwischenkreisverbund realisiert. Dieser bietet sich gerade in der Robotik an, weil in der Regel die Antriebe eines Roboters nie gleichzeitig beschleunigen.

Das neue Steuerungssystem KR C4 umfasst Roboter-, Bewegungs-, Ablauf-, Prozess- und Sicherheitssteuerung - alles auf Ethercat-Basis von Beckhoff. Via interner Schnittstellen werden die Roboterachsen gesteuert und auch die sicherheitsgerichtete Kommunikation abgewickelt. Die Sicherheitsfunktionen mit Safety-over-Ethercat gehen dabei über die reine Überwachung der Achsen hinaus: Auch die Bewegung des Roboters wird sicher beeinflusst. Peripheriegeräte in der Roboterzelle können über die externe Ethercat-Schnittstelle der Robotersteuerung angeschlossen werden - auch diese gehört zum Standard-Lieferumfang der Steuerung. Ethercat ist auf die Anforderungen der PC-basierten Steuerungstechnik von Kuka abgestimmt: Die Verarbeitung im Durchlauf gewährleistet die Bandbreitennutzung und damit hohe Leistung. Durch die Distributed-Clock-Funktion sind nicht nur alle Roboterachsen hochgenau synchron, sondern auch zu den I/O-Funktionen. Dafür gibt es keine speziellen Hardware-Anforderungen im Master, für die PC-Steuerung genügt der On-Board-Ethernet-Port. Auch der fahrbare Kuka-Forschungsroboter youBot ist komplett ethercatbasiert. „Wir haben eine Beta-Version des youBots ins Labor bekommen - leider ohne Doku. Mit Ethercat waren wir dennoch in der Lage, ihn innerhalb von nur zwei Tagen in Betrieb zu nehmen und autonom ins Nachbar-Labor fahren zu lassen“, bringt es Koen Buys von der belgischen Universität Leuven auf den Punkt.

Sämtliche Roboterkomponenten von Igus, egal ob lineare Energiezuführungen für Achse 7, das Modell Twisterchain für Achse 1 oder TriflexR für die Achsen 2 bis 6, funktionieren nach den gleichen Grundprinzipien: Modularität, Montagefreundlichkeit und begrenzte Mindestbiegeradien. Sie können einfach gekürzt oder verlängert und in fast jeder Größe projektiert werden. Die einfache Montage spart Zeit und Kosten. Die Ketten verhindern durch einen vorgegebenen Mindestbiegeradius die Überbeanspruchung der zu führenden Leitungen und Schläuche, was nicht nur die Betriebsicherheit, sondern auch die Lebensdauer der Anwendung steigert. So verfügen die 3D-Roboterenergieketten aus der Triflex-R-Familie über einen zusätzlichen Torsionsanschlag in jedem Kettenglied. Damit wird die auftretende Torsion auf die gesamte Leitungs- und Schlauchlänge verteilt und nicht nur punktuell wie bei einem Schutzschlauch übertragen. Neben den Vorteilen bei Haltbarkeit und Flexibilität der Produkte stellt Igus verschiedene Tools und Services zur Verfügung. Das Spektrum reicht von Online-Konfiguratoren über vorkonfektionierte Leitungen und Energiezuführungen bis hin zum Montage- und Wartungsservice.

Als Frontend übernehmen die Module von Schunk wesentliche Funktionen in der Robotik. So leistet das abgestimmte Zusammenspiel aus Greifmodulen, Drehmodulen, Wechselsystemen und Sensoren einen wichtigen Beitrag zur Stabilität, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit des gesamten Handhabungsprozesses. Jede Komponente für sich muss dabei auf Höchstleistung getrimmt sein: Die Qualität von Drehdurchführungen und Wechselsystemen beeinflusst maßgeblich die dauerhaft zuverlässige Medien- und Signalübertragung; Kraft-Momenten-Sensoren bilden die Basis für neue Konzepte der mechatronischen Handhabung; leistungsdichte und gewichtsoptimierte Greifer erhöhen die Effizienz des Gesamtsystems. Einer der jüngsten Benchmarks von Schunk ist ein umfassendes Standardprogramm für mechatronische Greifmodule, das vom einfachen Greifer als Pneumatik-Alternative über Greifer mit integrierter Intelligenz bis hin zu adaptierbaren, mechanischen Greifern reicht. Mit ihm lassen sich neue Möglichkeiten der Prozessgestaltung und -steuerung erschließen. So kann der adaptierbare Großhubgreifer EGA mit Servomotoren ausstattet werden, die sich über den gleichen Befehlssatz ansteuern lassen wie der übergeordnete Roboter. Inkompatible Steuerungssignale gehören damit der Vergangenheit an, zudem können die Eigenschaften der Anlagensteuerung hinsichtlich Programmierung, Safety oder Feldbussen direkt genutzt werden.

Für die Übertragung von Energie, Signalen und Daten im Automobilbau gemäß den Anforderungen der Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA) liefert Weidmüller ein durchgängiges Installationssystem. Es entspricht der Verkabelungsrichtlinie für Profinet, besteht aus aufeinander abgestimmten Einzelsteckkomponenten für die Verdrahtung der Schlauchpakete und reduziert den Montageaufwand um rund 50 Prozent. Das System ist sowohl für Kupfer- als auch für LWL-Technik verfügbar. Durchgängig für die Roboterverkabelung konzipiert besteht es aus aktiven und passiven Steckkomponenten sowie Zubehör, welches die Verbindung vom Schaltschrank bis in den Roboterkopf gestattet. Bislang setzten Anwender hierbei vorrangig auf Kupferleitungen. Doch die Automationsanforderungen verlangen nach hohen Datenmengen und Immunität gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Deswegen wird dem Anwender freigestellt, in welcher Technik er die Installation von der Feld- bis in die Managementebene ausführt.

Mit dem Kuka-Tool mxAutomation ist es möglich, einen Roboter komplett über Bausteine der SPS zu projektieren und zu programmieren. Ein Interpreter auf der Robotersteuerung kommuniziert die SPS-Befehle an die Bahnplanung, die den Roboter präzise und zuverlässig in Bewegung setzt. Spezielle Kenntnisse der Roboterprogrammierung sind nicht notwendig, der Bewegungsablauf kann komplett in Step 7 projektiert werden. Das fertige Roboterprogramm kann dann mit der Sinumerik-Steuerung eingefahren werden, genauso wie NC-Programme. Auch Statusanzeige, Bedienung und Einrichtung erfolgen über die Sinumerik-Oberfläche. Das Roboterprogramm wird dazu im Einzelschrittmodus verfahren. An geeigneter Stelle kann dann zum Beispiel die Greifposition verändert und im Programm gespeichert werden. So übernehmen die Siemens-Steuerungen Bearbeitung und Zellensteuerung und binden den Roboter nahtlos in die Programmierung ein. Dadurch behält der Maschinenbediener seine gewohnte Sicht auch bei der Programmierung des Roboters.

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