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Motion Control für Robotik Harmonisch aufeinander abgestimmt

23.05.2017

Wenn sie wie ein Orchester zusammenspielen, können intelligente Servoregler und Motion Controller die Leistung und Funktionalität von kollaborierenden Robotern erhöhen. Dies zeigt ein neuer Siebenachs-Roboter, der zwei parallele Servosysteme nutzt.

Der Markt für kollaborierende Roboter wächst - immer häufiger arbeiten Mensch und Maschine Hand in Hand. Der Hersteller Siasun hat nun die Entwicklung des ersten kollaborierenden Roboters aus chinesischer Herstellung abgeschlossen. Der Siebenachs-Roboter nutzt Servoantriebstechnik von Elmo, einem Hersteller von High-End-Antriebstechnik für Robotik. Der Einsatz von zwei parallelen Servosystemen und hochauflösenden Absolut-Encodern waren zwei Herausforderungen, die während der Entwicklung in Rekordzeit zu lösen waren.

Dafür wählten die Entwickler die EtherCAT Gold-Servoregler, die unmittelbar an den Gelenken der Roboterarme montiert wurden. Dies erlaubt eine kompakte Bauform des Roboters. Ihre Position in unmittelbarer Nähe zum Feedbacksystem bietet zudem Vorteile in Bezug auf Effizienz, Robustheit, Minimierung der Verkabelung, Störaussendung (EMI) und – ganz allgemein – für die Zuverlässigkeit des Systems. Zwei ebenfalls leistungsstarke und ultrakompakte Servoregler vom Typ Gold Solo Guitar treiben die beiden Grundachsen an, auf der sich die gesamte mechanische Struktur des Roboters bewegt. Die Möglichkeit, diese Motoren kontinuierlich mit Stromstärken bis 50 Ampere und mit Spitzen bis 100 Ampere zu betreiben, schafft eine zentrale Voraussetzung, um die geforderten Werte bei Achsgeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung zu erreichen.

Darüber hinaus sind pro Roboter fünf Miniatur-Servoregler der Baureihe Gold Solo Whistle installiert. Sie treiben die fünf weiteren Achsen an und können dauerhaft mit 20 Ampere (Spitzenlast 40 Ampere) betrieben werden. Alle Antriebe arbeiten mit maximalen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Verzögerungsraten. Sie arbeiten aber auch bei niedrigen Geschwindigkeiten mit sehr hoher Positioniergenauigkeit. Diese gegensätzlichen Anforderungen mit ein und demselben Servoregler zu erfüllen, setzt einen dynamischen Strombereich von 1:2000 voraus sowie sehr kurze Antwortzeiten. Dafür sorgen die direkt am Robotergelenk installierten Servoregler.

Über das Elmo Application Studio EASII wurden die Entwickler bei der Abstimmung aller Servoregler im Netzwerk und im Zusammenspiel unterstützt. Es ist ein einfach zu bedienendes Konfigurations-Tool, mit dem eine sehr gute Servo-Performance erzielt werden kann. Um die höchstmögliche Leistung zu erreichen, gehören auch implementierte Funktionen wie eine zuverlässige Systemidentifikation und das passende Controller-Design dazu. Außerdem zählen Filter höherer Ordnung zum Umfang, die Unregelmäßigkeiten im mechanischen Antriebsstrang kompensieren. Vereinfachte Modi für die Multi-Achs-Identifikation mit einer besonderen Art der Positionserfassung ermöglichen es, die Crossover-Effekte zwischen den einzelnen Achsen zu beherrschen. Diese und weitere Features tragen dazu bei, dass das System mit einer großen Bandbreite sowie mit kürzester Reaktionszeit arbeitet. Dabei bleiben dennoch Stabilität und sanfte Bewegungsabläufe über die Servosysteme gewährleistet.

Controller für Echtzeit

Der Mehrachs-Controller Platinum Maestro (P-MAS) verfügt über Funktionen wie kartesische Koordinaten, Scara, 3-link und Delta. Der integrierte Kinematik-Support arbeitet entweder im MCS- (Machine Coordinate System) oder PCS-Modus (Product Coordinate System) mit voller Synchronisation zu Peripheriegeräten wie Drehtischen oder Förderbändern. Darüber hinaus bietet der P-MAS eine Echtzeitcode-Sektion für individuelle Applikationen. Sie ermöglicht es den Roboter-Entwicklern, eigene Kinematik-Gleichungen zu implementieren. Das schafft die Voraussetzung dafür, dass der P-MAS sämtliche High-End-Robotertypen unterstützt. Er nutzt einen 4-Core-Prozessor und eignet sich vor allem dann, wenn die Applikation die Echtzeitberechnung der Roboterbewegungen mit Netzwerk-Zykluszeiten von 250 Mikrosekunden fordert.

Die kinematischen Gleichungen, die im Controller hinterlegt sind, errechnen die Zielpositionen und -geschwindigkeiten oder das Drehmoment aller Achsen im System. Sie stellen diese für jeden EtherCAT-Zyklus bereit. Der Controller erlaubt zwei Betriebsweisen: den Teaching-Modus sowie den normalen Betriebsmodus.

Im Teaching-Modus bewegt der Bediener den Roboterarm zur Schlüsselposition des gewünschten Verfahrwegs. Der Mehrachs-Controller zeichnet die Positionen auf, um den gesamten Bewegungsablauf im Betriebsmodus zu wiederholen. Die Treiber arbeiten dann im Cyclic Synchronous Torque Modus. Der Controller berücksichtigt nicht nur den Drehmomentbedarf, sondern auch zusätzlichen Strom beziehungsweise zusätzliches Drehmoment. So können Faktoren wie Schwerkraft und Eigendynamik kompensiert werden. Zu dieser Antriebslösung gehört auch das einfache Teach-in, für das keine Programmierkenntnisse erforderlich sind.

In der zweiten Betriebsweise, dem Betriebsmodus, errechnet der Mehrachs-Controller die Zielpositionen und -geschwindigkeiten der sieben Achsen anhand des kinematischen Modells des Roboters. Wenn erforderlich, wird der Drehmomentbedarf kompensiert, beziehungsweise entsprechend den Anforderungen erhöht. Die Treiber arbeiten im Cyclic Synchronous Position Modus oder im Cyclic Synchronous Velocity Modus: Sie verarbeiten Befehle für Position, Geschwindigkeit und Drehmomentkompensation.

Insgesamt steigern die intelligenten Servoregler und Motion Controller von Elmo so die Leistung und erhöhen die Funktionalität von Siasun’s neuen kollaborierenden Robotern.

Bildergalerie

  • An den Robotergelenken installierte Miniatur-Servoregler benötigen wenig Platz und minimieren den Verkabelungsaufwand.

    Bild: Elmo

  • Bild: Elmo

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