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Roboter sind heute allgegenwärtig und aus der modernen Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken. Bild: Faulhaber; NTB
Robotersteuerung

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Vorangetriebene Robotik

Text: Rolf Leitner, Faulhaber
Roboter sind heute allgegenwärtig und aus der modernen Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken. Bisher gab es allerdings keine Roboterplattform, die es Anwendern erlaubte bis tief in die Steuerungssoftware hineinzuschauen. Hier knüpft die Education Robot Plattformder NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik an. Kompakte DC-Kleinstmotoren kombiniert mit Getriebe und Encoder haben dazu einen entscheidenden Beitrag geleistet.

Die Education Robot Plattform basiert auf der Software EEROS (Easy, Elegant, Reliable, Open and Safe Real-Time Robotics Software). Die leistungsfähige Open-Source-Framework-Lösung für die Robotersteuerung erlaubt die Implementierung von hardwarenahen Echtzeit-Reglern bis hin zu High-Level-Steuerungsapplikationen. An der NTB wurde dazu passend nun eine entsprechende Elektronik mit Motorenansteuerung, Programmierschnittstelle und Spannungsversorgung sowie die für die Umsetzung notwendige Mechanik entwickelt, also der Roboter, der zum Test der mit EEROS erarbeiteten Steuerungsabläufe dient.

Roboter passt auf Schreibtisch

Dieser Roboter sollte trotz gleicher oder sogar besserer Leistungsfähigkeit preislich weit unterhalb des bei Industrieroboter üblichen Rahmens liegen, um für Entwicklungs-, Schulungs- oder Demonstrationszwecke überhaupt interessant zu sein. Gleichzeitig waren kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht gefordert, damit sich das Equipment gut transportieren lässt, in einen Koffer passt, die Benutzung an einem Büroarbeitsplatz erlaubt und sich der Materialaufwand in Grenzen hält.

Die Konstrukteure entschieden sich schlussendlich für einen Delta-Roboter, der so aufgebaut ist, dass die im Prinzip würfelförmige Konstruktion eine Kantenlänge von jeweils etwa 200 Millimeter hat und je nach Gestell zwischen wenigen hundert Gramm und ein bis zwei Kilogramm wiegt.

Die spinnenähnlichen Roboter bestehen aus der fest mit dem Gestell verbundenen Grundplatte, die wiederum über drei um 120° versetzte Armsysteme, bestehend aus Ober- und Unterarmen, mit der Arbeitsplatte verbunden ist. Die Oberarme werden durch die an der Grundplatte montierten Motoren angetrieben. Die Unterarme sind alle mit der Arbeitsplatte verbunden, an der auch der Effektor montiert wird. Durch ihren besonderen Aufbau und ihre Kinematik bieten Delta-Roboter dynamische Vorteile gegenüber herkömmlichen Scara- oder Knickarmrobotern. Das Grundmodell des NTB ist vierachsig ausgelegt, verfügt jedoch über eine Schnittstelle, die es ermöglicht bei Bedarf für zukünftige Roboterentwicklungen weitere Achsen zu ergänzen. Als Effektor dient je nach Anwendung ein Magnet oder ein Greifer.

Spielfreie Antriebslösung

Anders als klassische Industrieroboter sind die kleinen Deltaroboter in der Lage, Kontaktkräfte in einem mitbewegten Koordinatensystem in jede Richtung individuell und unabhängig zu steuern. Das erlaubt Fügeprozesse, bei denen die Position eines Stiftes, der in eine Bohrung gefügt werden muss, in Fügerichtung steif geregelt wird, während die Kräfte in Querrichtung der Fügerichtung gegen Null gesteuert werden. Um solche Prozesse mit konventionellen Robotern realisieren zu können, braucht es einen Kraft-Momenten-Sensor. Im Delta-Roboter des NTB dagegen wird das alleine durch die Auswertung der hochauflösenden Encoder und der Ausnutzung der spielfreien Getriebe ohne zusätzlichen Sensor realisiert, was die gewünschte kostengünstige Problemlösung erst möglich macht.

Bei entsprechender Programmierung kann der Roboter dann ein Schloss öffnen oder die Höhe verschiedener Teile sensorlos ausmessen und die Teile entsprechend sortieren. An die eingesetzten Antriebe, die das physikalische Herzstück des Roboters bilden, stellt dies allerdings hohe Anforderungen. Ein möglichst geringes Spiel ist unabdingbar, um eine präzise Positionsregelung und gute Wiederholgenauigkeiten zu erzielen. Aus diesen Gründen fiel die Wahl auf eine Antriebslösung aus dem Hause Faulhaber.

Das Herz des Roboters

Die edelmetallkommutierten Gleichstrommotoren sind bei 15 mm Durchmesser nur 24 mm lang, was der beschriebenen Anwendung natürlich entgegenkommt. Sie liefern ein Dauer-Drehmoment bis 2,8 mNm bei Drehzahlen bis 4500 U/min. Die DC-Kleinstmotoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen hauptsächlich durch den Rotor. Dieser ist nicht auf einen Eisenkern gewickelt, sondern besteht aus einer freitragenden, in Schrägwicklung hergestellten Kupferspule. Der leichte Rotor hat ein geringe Trägheitsmoment und rastmomentfreien Lauf, was wiederum der Dynamik zugutekommt. Bei Motoren mit kleiner Leistung haben sich die Edelmetall-Kommutierungssysteme, laut Hersteller, wegen ihres geringen Übergangswiderstands bewährt.

Das nahezu spielfreie Stirnradgetriebe mit sechs Getriebestufen und einer Untersetzung von 76:1 hat den gleichen Durchmesser wie der Motor. Trotz dieser kleinen Abmessungen schafft die Motor-Getriebe-Einheit damit ein Dauerdrehmoment von 0,2 Nm und ein Spitzenmoment von 0,3 Nm. So kann der Roboter eine Kontaktkraft von 6 N aufbringen. Am zweiten Wellenende der Motoren wird der magnetische Encoder montiert. Die bei den Hauptantrieben Delta-Robotern eingesetzte dreikanalige Ausführung liefert 4000 Impulse pro Umdrehung. Mit dem Getriebe und einer Quadraturauswertung der Sensorwerte führt dies zu einer feinen Positionsauflösung von 1,2 Millionen Inkrementen pro Umdrehung am Getriebeausgang, was zu einer feinen Positionsauflösung von 0,26 mm führt. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von 6 bis 22 mm zur Verfügung, lassen sich mit unterschiedlichen Getrieben, Encodern und Steuerungen kombinieren und für besondere Anforderungen modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker.

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