Mechatronik-Forschung und -Entwicklung

Mini-Roboter mit Deltakinematik

Hoher Wirkungsgrad und schnelle Beschleunigung
Der „Mikro Delta“-Roboter bei der Präzisionspositionierung.
Roboter mit Deltakinematik sind in puncto Geschwindigkeit herkömmlichen Robotern deutlich überlegen. Auf dem internationalen Forum Mechatronik ifm2007 am 12. und 13. September in Winterthur (CH) war ein derartiger Roboter in Aktion zu sehen. Er wurde an der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften entwickelt. Unser Autor Prof. Dr. Hans Wernher van de Venn leitet das IMS Institut für Mechatronische Systeme.

Müssen Handhabungsgeräte mit hohen Geschwindigkeiten bewegt werden, sind Roboter mit einer Parallelkinematik gegenüber Robotern mit seriellen Kinematiken wie Knickarm- oder Scararoboter klar im Vorteil: Sie haben deutlich geringere bewegte Massen.

Getriebetechnisch basieren Roboter mit Deltakinematik auf geschlossenen kinematischen Ketten. Sechsachsige Systeme in Form von Stewart-Plattformen sind bereits seit den 60er Jahren bekannt. Dreiachsige Systeme basieren meist auf der 1989 von Professor Reymond Clavel an der Ecole Polytechnique de Lausanne (EPFL), Schweiz, entwickelten Deltastruktur. Hierbei werden die Rotationsfreiheitsgrade der Steward-Plattform durch ein Parallelogramm unterdrückt. Besonders dreiachsige Systeme, bei denen die Orientierung unterdrückt wird, sind interessant für Handhabungsaufgaben, weil sie als Ersatz für eine kartesische Achsanordnung eingesetzt werden können.

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Aufgrund der speziellen Anordnung der Stäbe hat der Tool Center Point drei translatorische Freiheitsgrade, wobei die rotatorischen Freiheitsgrade unterdrückt werden. Weil alle Antriebe des Delta-Systems im Gestell gelagert sind, muss die Masse der vorderen Achsen nicht wie bei einer kartesischen Achskonfiguration beschleunigt werden. Das Verhältnis der zu beschleunigenden Eigenmasse zur Nutzmasse ist damit sehr gut. Somit weisen derartige Aufbauten einen hohen Wirkungsgrad auf. Das ermöglicht, Antriebe mit einer geringen Leistungsaufnahme oder Direktantriebe ohne zusätzliche Getriebestufe einzusetzen – ein weiterer Vorteil gegenüber seriellen Kinematiken.

Das IMS Institut für mechatronische Systeme der Zürcher Hochschule Winterthur ZHW (seit 1.9.2007 ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften) entwickelte einen schnellen, präzisen Roboter mit Deltakinematik. Um alle Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorteile nutzen zu können, wurde er zudem teilweise aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen gefertigt und mit spielfreien Harmonic-Drive-Getrieben ausgerüstet. In Zusammenarbeit mit dem Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie CSEM in Alpnach (Kanton Obwalden), das Teile der Elektronik und die Steuerungssoftware entwickelte, entstand ein Robotersystem, das die meisten heutigen Systeme in Genauigkeit und Geschwindigkeit übertrifft.

Der Roboter ist als Desktop-Factory-Komponente dimensioniert (Größe etwa 0,5 mal 0,5 mal 0,5 Kubikmeter), hat einen Arbeitsbereich von circa 200 mal 200 mal 50 Kubikmillimeter und erreicht Geschwindigkeiten bis fünf Zyklen pro Sekunde. Die Positioniergenauigkeit liegt im Mikrometer-Bereich. Dieser „Micro Delta“-Roboter wurde auf der Konferenz des Internationalen Forum Mechatronik ifm2007 vorgestellt, die dieses Jahr in Winterthur stattfand.

Neben dem Austausch von aktuellem Fachwissen rund um die Entwicklung und den Einsatz mechatronischer Systeme wurden auch aktuelle Forschungsergebnisse, Best-Practice-Beispiele, Entwicklungstrends und innovative Arbeitsansätze vorgestellt. Hans Wernher van de Venn

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