Nachwuchsforschergruppe "Weiterentwicklung zukunftsorientierter Technologien am Beispiel eines Leichtbauroboters"






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Zielstellung: Entwicklung prozesseffizienter Regelstrukturen und Reglereinstellungen mit erweiterter Sensordatenintegration zur Bewegungskoordination und Achsregelung
 
Die Aufteilung erfolgt in zwei Aufgabengebiete:
  • Steuerung und Regelung der Einzelkomponenten (Aufbereiten der erfassten Informationen [DMC] zu verwertbaren Verformungen, Beschleunigungen, Momenten etc., Regelung von Einzelachsen)
  • Steuerung und Regelung der kombinierten Elemente an verschiedenen Roboterkinematiken
 
Die Reduktion der Masse von Maschinenelementen bringt verschiedene Vorteile mit sich, wobei hier in erster Linie die Verringerung der zur Beschleunigung notwendigen Energie und die dadurch höhere erreichbare Dynamik zu nennen sind. Letzteres ist besonders für Robotersysteme von Bedeutung, die Handlingaufgaben innerhalb eines schnellen Prozessablaufs erfüllen müssen.
 
So bestimmen heute teilweise die Beschickung von Maschinen und die Entnahme der Fertigteile die erreichbaren Taktzeiten maßgeblich. Zeiteinsparungen in diesem Bereich resultieren also aus einer höheren Maschinenauslastung, geringeren Taktzeiten und dadurch einer effizienteren Nutzung der gesamten Anlage. Gleichzeitig ergeben sich daraus jedoch Herausforderungen in Bezug auf die Automatisierung eines solchen Robotersystems. Die höhere Dynamik kann nur beherrscht werden, wenn zur Realisierung der Steuerungs- und Regelungsaufgaben entsprechend performante Steuerungshardware eingesetzt wird.
 
Zudem können die einzelnen Roboterelemente aufgrund der geringeren Steifigkeit der eingesetzten Leichtbaukomponenten und den höheren Beschleunigungen nicht als starre Körper betrachtet werden. Bei gleichzeitiger Reduktion der Reibung in den Lagerstellen entstehen so schwach gedämpfte dynamische Systeme.
 
Folgende mögliche Probleme müssen daher berücksichtigt werden:
  • statische und dynamische Bahnabweichungen
  • auftreten von Schwingungen innerhalb der Leichtbaustrukturen
  • anisotrope Materialeigenschaften, daher Abhängigkeit der statischen und dynamischen Eigenschaften von Lage und Orientierung (Arbeitspunktabhängigkeit)
  • durch die geringere Eigenmasse des Roboters steigt der Einfluss der Masse des manipulierten Werkstücks auf die statischen und dynamischen Eigenschaften
In Kombination mit der notwendigen, rechenaufwändigen Koordinatentransformation und Bahnplanung ergeben sich anspruchsvolle Aufgabenstellungen in der Automatisierung dieser Systeme.
 
Eine Reaktion auf die oben genannten Probleme kann nur durch eine Erweiterung der eingesetzten Sensorik erfolgen. Dabei besteht zum einen die Möglichkeit, Abweichungen an der Wirkstelle (Tool Center Point) über optische Verfahren direkt zu messen und diese Daten als Grundlage für eine Korrektur zu nutzen. Eine weitere Möglichkeit ist die Messung der Verformung der einzelnen Roboterkomponenten und eine entsprechende Korrektur bspw. der Sollposition. Die für die Konstruktion vorgesehenen Verbundwerkstoffe bieten dafür die Möglichkeit einer direkten Integration von Sensoren (DMC), für die jedoch eine entsprechende Auswertung zu entwickeln ist.
Unabhängig vom gewählten Korrekturprinzip ergeben sich folgende Anforderungen an die eingesetzte Automatisierungstechnik.
  • Möglichkeit zur Einbindung zusätzlicher Sensoren
  • schnelle und deswegen möglichst antriebsnahe Auswertung der zusätzlichen Sensordaten
  • hohe Rechenleistung zur Onlinekompensation der Lageabweichungen und eventueller aktiver Schwingungsunterdrückung sowie aufgrund der hohen gewünschten Dynamik
  • Eingriffsmöglichkeiten in die vorhandenen Reglerstrukturen der Antriebstechnik, um Sensordaten in die Antriebsregelung einfließen zu lassen
Zudem werden Untersuchungen notwendig, inwieweit bislang in der Antriebstechnik eingesetzte Reglerstrukturen den genannten Anforderungen gerecht werden und welche alternativen Ansätze zielführend eingesetzt werden können.
Weiterhin sind Forschungen bezüglich der Interaktion Mensch-Roboter nötig, wobei die Integration der Sensorik in die Roboterstruktur neue Ansätze für gewichtskraftfreies Manipulieren, Teachin- oder Playback-Programmierung ermöglicht.

Ansprechpartner:


Dipl.-Ing. (FH) Juliane Hädrich
 
Telefon:  +49 (0)371 531-38513
E-Mail:   juliane.haedrich@mb.tu-chemnitz.de
Raum:    2/A227
 
Dipl.-Ing. Michael Walther
 
Telefon:  +49 (0)371 531-37711
E-Mail:   michael.walther@mb.tu-chemnitz.de
Raum:    2/A228
Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Reimund Neugebauer