Schwingungsreduzierung

Suche nach der optimalen Bahn

Verringerung von Restschwingungen an Robotersystemen. Am Institut für Mechatronische Systeme (imes) der Leibniz Universität Hannover wird derzeit eine Methode entwickelt, die Bewegungsprofile für parallele und serielle Roboterkinematiken automatisch optimiert. Ziel ist die Reduzierung verbleibender Restschwingungen, insbesondere nach hochdynamischen Punkt-zu-Punkt-Positionierbewegungen.

Restschwingungen am Robotersystem besonders nach hochdynamischen Positionierbewegungen kosten Zeit im Produktionsprozess. (Foto: imes)

Roboter sind fester Bestandteil industrieller Automatisierungslösungen. Durch standardisierte Softwarebibliotheken für Motion Control, etwa PLCopen, gilt das nicht nur für Komplettlösungen etablierter Systemanbieter. Auch Sondermaschinenherstellern gelingt es immer leichter, individuell konstruierte, mehrachsige Kinematiken in ihre SPS-basierten Anlagen einzubinden. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Taktzeit und Produktivität. Trotz hochentwickelter Steuerungs- und Regelungstechnik beanspruchen verbleibende Restschwingungen nach Positionierbewegungen gerade in Hochgeschwindigkeitsprozessen einen elementaren Anteil der Prozesszeit. Das gilt vor allem für individuell entwickelte Kinematiken, bei denen die verfügbare Entwicklungszeit und das Budget weit unter denen eines Serienherstellers liegen.

Aber selbst proprietäre Robotersteuerungen erfordern eine präzise Parametrierung, wenn es um unbekannte Einflüsse wie Versorgungsleitungen, komplexe Werkzeuge oder von Greifern aufgenommene Lasten geht. Die dafür erforderliche Zeit und entsprechend geschultes Personal stehen bei der praktischen Inbetriebnahme oft nicht ausreichend zur Verfügung. Soll ein Werkstück exakt positioniert oder ein Schweißpunkt präzise gesetzt werden, müssen in der Folge resultierende Ausschwingzeiten am Ende einer Rast-in-Rast-Bewegung abgewartet werden, bis der Prozess fortgesetzt werden kann. Um diese Zeiten zu minimieren, werden die Roboterbewegungen üblicherweise manuell iterativ optimiert. Der Prozess wird Schritt für Schritt verändert, bis der beste Kompromiss aus Taktzeit und Genauigkeit gefunden ist. Dieses Vorgehen erfordert viel Zeit, Erfahrung und Expertenwissen seitens des Inbetriebnehmers.

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Forschungen am imes haben mit einem solchen System eine Reduzierung der Ausschwingzeiten erreicht. (Foto: imes)

Eine Vereinfachung dieser Aufgabe bietet großes Potenzial sowohl im Hinblick auf eine Verkürzung der Inbetriebnahmezeiten als auch auf die resultierende Zykluszeit des automatisierten Prozesses. Der am imes verfolgte Ansatz zur Bewegungsoptimierung vermeidet eine zeitintensive Identifikation und Analyse von Systemparametern ebenso wie elementare, manuelle Eingriffe in die Bewegungsplanung und Regelung. Stattdessen werden die von Robotersteuerungen oder Motion-Control-Systemen mit entsprechenden Softwarebibliotheken bereitgestellten Standard-Bewegungsprofile online modifiziert. Dabei wird das Schwingungsverhalten automatisch analysiert und durch gezielte Gegenanregungen kompensiert. In diesem Zusammenhang sind die nichtlinearen Eigenschaften mechanisch gekoppelter Mehrachssysteme eine besondere Herausforderung.

Bewegt sich ein Roboter, ändert sich die geometrische Konfiguration der Kinematik und damit die relativen Massenträgheiten, die von den Antrieben bewältigt werden müssen. Das führt zu einem konfigurationsabhängigen Schwingungsverhalten, genauer zu wegabhängigen Eigenfrequenzen. Um dieses variable Schwingungsverhalten in der Bahnmodifikation zu berücksichtigen, gibt es grundsätzlich die Möglichkeit, ein mathematisches Modell zu hinterlegen. Das erfordert allerdings ein detailliertes Systemwissen und damit eine aufwendige Bestimmung der Systemparameter. Hierfür fehlen im industriellen Alltag meist Zeit und Personal. Auch der eingeschränkte Bewegungsraum eines Roboters in der Produktionsanlage kann die ganzheitliche Vermessung in allen Arbeitspunkten erschweren. Praktikabler ist das automatische Anlernen des Systemverhaltens im laufenden Betrieb. Das Ausschwingverhalten wird ermittelt, die entsprechenden Parameter im System gespeichert und gegebenenfalls iterativ präzisiert und korrigiert. Um zusätzliche Hardwareinvestitionen gering zu halten, wird dabei möglichst auf vorhandene Sensorik zurückgegriffen.

Allerdings bieten Industrieroboter üblicherweise keine abtriebsseitige Sensorik. Folglich sind Systeme mit geringen Getriebeübersetzungen oder Direktantrieben im Vorteil, da das Schwingungsverhalten antriebsseitig über Resolver oder Motorstromverläufe abgebildet werden kann. Ein typisches Beispiel sind parallelkinematische Roboter, etwa die aus dem Pick&Place-Bereich bekannte Delta-Kinematik. Am imes wurden mit einem solchen System erste Ergebnisse mit deutlicher Reduzierung der Ausschwingzeiten gezeigt. Hierfür wurde eine handelsübliche Delta-Kinematik mit Antrieben, SPS und Umrichtern von Lenze verwendet. Bewegungsplanung und Steuerung wurde mittels Standardfunktionen der PLCopen-basierten Lenze-Motion umgesetzt. Motiviert durch diese Ergebnisse folgen künftig weitere Untersuchungen und eine Übertragung des Verfahrens auf weitere Roboterkinematiken. Außerdem werden Möglichkeiten zur Schwingungsanalyse bei hohen Getriebeübersetzungen untersucht. Für Systeme, deren interne Sensorik zur Schwingungserfassung nicht ausreicht, werden Low-Cost-Sensormodule entwickelt. Ebenfalls denkbar ist die Einbindung von bereits heute im Industriealltag verbreiteten Smart Devices, um die Schwingungsanalyse beispielsweise über Kameras oder integrierte Beschleunigungssensorik durchzuführen.

Dipl.-Ing. Julian Öltjen, imes/pb


Institut für Mechatronische Systeme (imes) der Leibniz Universität Hannover

Kurz erklärt: Das imes
Das Institut für Mechatronische Systeme (imes) der Leibniz Universität Hannover beschäftigt sich mit wissenschaftlichen Fragestellungen und Anwendungen, die die Grenzen der individuellen mechatronischen Fachdisziplinen „Mechanik“, „Elektrotechnik“ und „Informationsverarbeitung“ überschreiten und eine gesamtheitliche Betrachtung erfordern.

Hierfür bringt das imes unter anderem Methoden für Entwurf, Analyse und anschließende Optimierung, sowie Inbetriebnahme und Effizienzsteigerung mechatronischer (Mehrkörper-)Systeme ein. Diverse Projekte der Forschungsgruppen „Identifikation und Regelung“, „Robotik und autonome Systeme“ sowie „Medizintechnik und Bildverarbeitung“ verbinden das wissenschaftliche Know-how mit industriellen Fragestellungen. Am imes arbeiten derzeit gut 30 Mitarbeiter, davon 25 Wissenschaftler aus den Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik, Informatik, Wirtschaftsingenieurwesen und Physik.

Das imes, vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Tobias Ortmaier, ist Mitglied im MHI e.V., www.imes.uni-hannover.de.


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der TU Dortmund, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.

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