Mehr denn je spielt gerade in wirtschaftlich herausfordernden Zeiten die effiziente Auslegung von Robotersystemen für den Betrieb eine Schlüsselrolle im Prozess einer wettbewerbsfähigen Produktion. Die Aufgaben, die Roboter erledigen, erreichen dabei oft eine Komplexität, die eine iterative Entwicklung mit hohen Zeit- und Kostenaufwänden bedingt. Mit Hilfe von Simulationen, sogenanntem Virtual Engineering, ist es nun möglich, diese Entwicklungsaufwände wirkungsvoll zu reduzieren.

KeMotion virtual engineering

KeMotion virtual engineering

Wichtig dabei ist, dass keine hohen Einmalkosten für Softwarelizenzen oder Einrichtungsarbeiten wie etwa die händische Erstellung von Simulationsmodellen anfallen, damit die Vorteile von Simulationen auch tatsächlich zum Tragen kommen.

Der folgende Beitrag stellt die Anwendung der im KeMotion-Steuerungssystem der Firma KEBA integrierten Simulation, die sich nahtlos in die normale Arbeitsumgebung für Entwicklung und Betrieb des Roboters eingliedert, vor.

Das Robotersteuerungssystem KeMotion

KeMotion ist eine umfassende Steue­rungs­­lösung für Roboter. Es bietet Komponenten zur Steuerung und Bedienung, Antriebe und Sicherheitstechnik. Dieses Automatisierungssystem wurde als eine offene Robotersteuerung konzipiert und ist damit unabhängig von einzelnen Roboterherstellern und -typen. Es ist an individuelle Anwendungen anpassbar: Das Spektrum reicht von einfachen Pick&Place-Aufgaben über Handling am Förderband und an Maschinen bis hin zu Bearbeitungsprozessen wie Lackieren und Kleberauftrag. Und es eignet sich für sämtliche Robotertypen, egal ob Linear- oder SCARA-, Knickarm- oder Parallelroboter.

Überblick über die virtuelle Robotersteuerung

Im Lieferumfang von KeMotion befindet sich auch eine virtuelle Version der Steuerung. Dabei handelt es sich um eine vollständige, realitätsgetreue

Virtuelles Handbediengerät und 3D-Visualisierung.

Virtuelles Handbediengerät und 3D-Visualisierung.

Simulation der Steuerung, die die originale Steuerungssoftware verwendet und nicht bloß eine Nachbildung mit reduziertem Funktionsumfang. Da­durch ermöglicht die virtuelle Steuerung eine präzise Simulation des Verhaltens der echten Steuerung. Sämtliche Konfigurationsdateien und Programme werden unverändert verwendet.

Zur Bedienung der virtuellen Steuerung steht ein simuliertes Handbediengerät zur Verfügung. Ebenso wie bei der Steuerung wird diesem die originale Systemsoftware eingespielt. Damit stehen in der Simulation alle Bedienfunktionen der Steuerung in gleicher Weise zur Verfügung.

Ein Software-Oszilloskop ermöglichte die Visualisierung des Steuerungs­verhaltens. Neben der Darstellung von Signalen in Form von y/t- und x/y-Diagrammen sowie einer Text-Anzeige steht zusätzlich eine 3D-Ansicht zur Verfügung. Die 3D-Visuali­sierung ist durch die Verwendung des offenen Standards VRML sehr einfach erweiterbar und erlaubt den Import von Daten aus gängigen CAD-Programmen. Alle vom Oszilloskop aufgezeichneten Signale können dazu verwen­det werden, Eigenschaften der 3D-Darstellung zu beeinflussen. So können neben einer Verschiebung und Drehung von Maschinenteilen auch deren Sichtbarkeit, Farben etc. verändert werden.

Die virtuelle Steuerung kann auf jedem Computer ohne spezielle Zusatzsoftware installiert werden und hat keine hohen Hardwareanforderungen. Sie bietet neben der Simulation in Echtzeit auch eine beschleu­nigte Ausführungsgeschwindigkeit. Dafür kann der Prozessor zu 100 % ausgelastet werden, um so eine wesentlich schnellere Simulation der

HOTINT zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme.

HOTINT zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme.

Steuerungs­funktion als in Echtzeit zu erhalten.

Die Steuerung besitzt ein Remote-Interface entsprechend dem RRS-II-Standard, womit sie auch von Offline-Programmiersystemen bedient werden kann. Damit kann z. B. die Automatisierung einer Abkantpresse mit einem Roboter simuliert werden: Im Programmiersystem für die Presse wird das Blechteil mit den auszuführenden Biegungen programmiert. Über die Simulationsschnittstelle können außerdem die zugehörigen Roboterbewegungen definiert werden. Mithilfe der virtuellen Steuerung können die Bewegungen zusammen mit der Maschine überprüft und visualisiert werden.

Praktische Überlegungen für Roboterprojekte

Dank der virtuellen Steuerung können Roboteranwendungen zu einem großen Teil in der Simulation entwickelt werden. Auf diese Weise können grundsätzliche Anforderungen bzw. Problematiken wie: Arbeitsraum und Erreichbarkeit von Punkten, mögliche Kollisionen und Singularitäten, Bahn- und Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie Taktzeiten abgeklärt werden.

Die Anforderungen, die durch den Arbeitsraum und die darin zu erreichenden Punkte entstehen, beeinflusst die Auswahl des Robotertyps und dessen Größenauslegung wesentlich. Der Aufstellort des Roboters, die Positionierung der Werkstücke und die Gestaltung des Werkzeugs bzw. Greifers sind weitere wichtige Variationsparameter, die in der Simulation ermittelt werden können.

Das Auftreten von

Techview

Techview

Singularitäten – für eine Bewegung ungeeignete Stellungen des Roboters – kann erst durch ganzheitliche Betrachtung von Roboter, Werkzeug und Arbeitsbahn beurteilt und gegebenenfalls entsprechend behoben werden. Bei Bahnbearbeitungsaufgaben ist es auch wichtig zu prüfen, ob die erforderlichen Bahngeschwindigkeiten mit dem Roboter überhaupt erzielbar sind. In beiden Fällen kann durch eine Variation der Position des Roboters oder der Platzierung des Werkstücks, evt. auch eine Änderung des Werkzeugs notwendig sein, um die Aufgabe für den Roboter ausführbar zu machen.

Die Ausführungszeit ist meist eine wichtige Größe für die Rentabilität einer Roboterlösung. Realistische Simulationsergebnisse werden hier nur erzielt, wenn die Bahnplanung der vorgesehenen Steuerung verwendet wird.

Neben der Geometrie und Geschwindigkeit sind für die mechanische Auslegung eines Roboters auch die auftretenden Kräfte und Momente von Bedeutung. Für die Auslegung der Antriebe sind die aufzubringenden Momente besonders wichtig. In KeMotion können die Antriebsmomente mit Hilfe des integrierten dynamischen Robotermodells zuverlässig berechnet werden.

Die Fragestellungen, die mithilfe von Simulationen geklärt werden können, sind sehr umfangreich. Beispiele dafür sind in den Abbildungen dargestellt, die etwa bei der Voranalyse eines Roboterprojekts von Interesse sind. Bild 3 veranschaulicht die Kräfte, die ein Greifer zur Manipulation eines

Greiferkräfte beim Einlegen eines Teils in eine Maschine: Normalkraft (schwarz) und Transversalkraft (blau) im Greifer.

Greiferkräfte beim Einlegen eines Teils in eine Maschine: Normalkraft (schwarz)...

Teils aufbringen muss. Bild 4 zeigt die Momente, die der Antrieb einer optionalen linearen Zusatzachse bei der gleichen Bewegung bringen können muss. Die Leistungsflüsse, die im Spannungszwischenkreis der Antriebe auftreten, sind in Bild 5 ersichtlich. Diese können zur Dimensionierung des Zwischenkreises und der Rückspeiseleistung aus den Antrieben dienen.

Erweiterte Simulation mit KeMotion

Viele Fragen, die den Robotereinsatz betreffen, können mithilfe der virtuellen Steuerung alleine bereits abgeklärt werden. Diese Simulation ist jedoch auf die Modellierung eines starren Robo­ters und idealer Antriebsregler beschränkt.

Bei Hochgeschwindigkeitsanwen­dun­gen gewinnen allerdings dynamische Effekte in den Antriebsreglern und in der Robotermechanik an Bedeutung: Schleppfehler und elastische Verformungen des Roboters führen zu Bahn­ab­wei­chungen, die umso größer werden, je schneller der Roboter fährt. Weiters können bei schnellen Bewegungen Vibrationen angeregt werden, die einerseits die Mechanik belasten, andererseits die Genauigkeit von Prozessergebnissen negativ beeinflussen, wie etwa beim Materialauftrag oder -abtrag.

Speziell wenn hochgenaue Anwendungen, die bisher CNC-Maschinen vorbehalten waren, mit Robotern realisiert werden, können durch gezielte Simulationen sowohl Aussagen zur erzielbaren Genauigkeit abgegeben sowie Optimierungsmaßnahmen zur Beherrschung der dynamischen Effekte gefunden werden.

Zur

Antriebsmoment einer Zusatzachse.

Antriebsmoment einer Zusatzachse.

Simulation dieser komplexen dynamischen Effekte bietet die KeMotion-Steuerung eine Kopplung an gängige Simulationswerkzeuge: Es stehen Anbindungen an MATLAB/Simulink und Dymola zur Verfügung. In diesen Simulationswerkzeugen kann die volle Breite der Bibliotheken für die Simulation von Reglern und Mechanik genutzt werden. Zudem steht eine Kopplung mit dem Mehrkörpersimulationssystem HOTINT zur Verfügung. Der Austausch der Daten zwischen Steuerung und Simulationstool erfolgt synchronisiert im Interpolationstakt der Steuerung, damit auch dynamische Vorgänge in den Antriebsreglern und in der Mechanik präzise simuliert werden können.

HOTINT ist eine Forschungs-Software zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme. Es bietet Möglichkeiten zur Simulation auch komplexer Thematiken wie hoch­elastische Körper, Kontaktprobleme oder Massenströme. Für die Integration mit KeMotion wurde HOTINT um Funktionen erweitert, die es gestatten, für serielle Kinematiken aus den Konfigurations­daten der Steuerung ein Modell des Roboters einschließlich der Antriebsregler zu erzeugen. Auf diese Art ist es ohne Aufwand möglich, die Mechanik des Roboters einschließlich Elastizitäten im Antriebsstrang und dem dynamischen Verhalten der Antriebsregler zu simulieren.

Fazit

Mit der virtuellen KeMotion-Steuerung steht ein Werkzeug zur Verfügung, das für eine Vielzahl von Aufgaben Simulationsmöglichkeiten für Planung, Entwurf und Betrieb von Robotern bietet. In der Simulation lassen sich Varianten und Optimierungen realitätsgetreu testen, bevor sie kostenintensiv umgesetzt werden. Anwendungen, die mit dem System in der Simulation erstellt werden, können direkt auf der Steuerung mit einem realen Roboter ausgeführt werden. Damit ist ein nahtloser Übergang vom Virtual Engineering zur Inbetriebnahme des Roboters gewährleistet – die Simulation integriert sich ohne zusätzliche Aufwände in den Arbeitsablauf.

KeMotion virtual engineering

Virtuelles Handbediengerät und 3D-Visualisierung.

HOTINT zur Simulation flexibler Mehrkörpersysteme.

Techview

Greiferkräfte beim Einlegen eines Teils in eine Maschine: Normalkraft (schwarz) und Transversalkraft (blau) im Greifer.

Antriebsmoment einer Zusatzachse.

Leistungsaufnahme (rot) bzw. -abgabe (grün) der Antriebe auf einer Roboterbahn