Robotersteuerung - robot controller

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Robotersteuerung
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Heiko Röhrig
EGS Automatisierungstechnik GmbH
aktualisiert am 22.09.2020 - 13:20:18
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Robotersteuerung

Eine Robotersteuerung findet bei Industrierobotern Anwendung und stellt die nötige Rechenleistung zur Verfügung, damit sich die Roboterarme bewegen können. Abhängig von der Anwendung ist die Robotersteuerung für folgende Bewegungsarten zuständig: Punkt zu Punkt Steuerung (PTP), die Vierpunktsteuerung und die Bahnsteuerung (CP). Außerdem setzen Robotersteuerungen sinnvolle Bewegungen des Werkzeugmittelpunktes (TCP) um und gewährleisten die Reproduzierbarkeit der Bewegungsfolgen, während er ihre mechanischen und elektrischen Leistungsgrenzen überwacht. (P)

Frage / Defintion: Was sind Robotersteuerungen?
Auch oft gesucht: Robotersteuerungen, robot controller



Robotersteuerung Aufbau & Funktion

Robotersteuerungen enthalten jeweils einen Servoverstärker pro Motor für die einzelnen Roboterachsen. Die Servoverstärker steuern die einzelnen Motoren im Roboter nach Sollwerten, die sie vom Achsrechner der Robotersteuerung erhalten. Im Achsrechner, dem Herzstück der Robotersteuerung, findet die eigentliche Bahnplanung und Interpolation der Achsen statt. Über Absolutwertencoder an den einzelnen Achsen erkennt der Achsrechner die aktuellen Positionen der Achsen und gibt entsprechend den Erfordernissen aus dem aktuellen Programm Sollwerte zu den Positionen weiter.

Robotersteuerungen lassen sich heutzutage mit weiteren Werkzeugen kombinieren und schaffen so eine komplexe Programmierumgebung. So werden externe Sensoren wie Kameras und Messsysteme eingebunden, mit deren Hilfe sich der Roboter an äußere Einflüsse anpassen kann. Beispielsweise erkennt er durch diese Sensoren Werkstücke die er greift, um ein Verpackungsgut zu entleeren oder zu füllen. Ebenfalls ist es möglich, ein programmgesteuertes Werkzeugschnellwechselsystem mit einzubinden, das mit Medienkupplung (z.B. Hydraulik) Elektro-Signalsteckern oder Elektro-Leistungssteckern ausgerüstbar ist.

Neuronale Netze können die Robotersteuerung zusätzlich optimieren. Durch ruckartige Bewegungen und hohe Fliehkräfte leiden die Gelenke der Roboterachsen schnell unter Materialabnutzung. Die Abnutzung wiederum führt zu veränderten Eigenschaften der Roboterarme. Das neuronale Netz erkennt die sich verändernden Parameter im Computerprogramm und korrigiert sie, um einen schonenden Durchfluss der Bewegungen zu gewährleisten und der Materialabnutzung entgegenzuwirken.

Robotersteuerungen sind oft als eigenständige Schaltschränke ausgeführt, die mit entsprechender IP-Schutzart ohne Probleme auch in gröberem Anlagenumfeld platziert werden können. Teilweise sind sie auch als Einschubgerät aufgebaut (meist 19"-Maß), welches für den Einbau in einen Schaltschrank der Automationsanlage erlaubt.

Bewegungsarten und Einsatzbereiche

Robotersteuerungen können folgende Bewegungsarten der Roboterarme erzeugen:

Punkt zu Punkt Steuerung

Diese Art von Bewegung heißt im Englischen Point to Point und lässt sich deswegen auch mit PTP abkürzen. Eine Anfangs- und eine Endposition der Achsen beschreibt die Bewegung. Die Bewegungsbahn dazwischen gibt die Robotersteuerung nicht vor. Folglich müssen die Achsen lediglich ihre Zielposition erreichen. Die Bewegungen der einzelnen Achsen des Industrieroboters sind dabei aufeinander abgestimmt: Sie starten alle zum gleichen Zeitpunkt und kommen auch gleichzeitig in der Zielposition an, weswegen sich die Bewegungsart auch Synchron PTP-Steuerung nennt. Das bedeutet, dass die langsamste Achse des Roboters die Gesamtzeit vorgibt.

Die PTP-Steuerung ist dann nützlich, wenn vorgegebene Punkte angefahren werden sollen, die zurückgelegte Bewegungslaufbahn aber nicht von Bedeutung ist. Für Anwendungen wie das Punktschweißen oder das Palettieren mit dem Palettierroboter reicht die Bewegungsart aus.

Bahnsteuerung

Die Bahnsteuerung für Industrieroboter lautet in Englisch Continuous Path und wird gemeinhin mit CP abgekürzt. Anders als die PTP-Steuerung kommen Bahnsteuerungen dann zum Einsatz, wenn der Bahnverlauf bei Bearbeitungs- oder Montageprozessen von Bedeutung ist. Der Bahnverlauf bezieht sich dabei normalerweise auf den Werkzeugmittelpunkt (TCP). Damit das klarer wird, hier ein Beispiel: Beim Auftragen einer dosierfähigen Masse ist der Werkzeugmittelpunkt die Dosiernadel. Die Bahnsteuerung muss die Dosiernadel mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit bewegen, um die Masse gleichmäßig aufzutragen. Um die Lage und Orientierung des TCP zu erkennen, benötigt der Programmierer verschiedene Koordinatensysteme.

Bei der Art von Bewegung stehen die Roboterachsen in einer definierten zeitlich und örtlichen Abhängigkeit zueinander. Die Bahnsteuerung stellt deswegen höhere Anforderungen an die Rechenleistung als die PTP-Steuerung. Nichtsdestotrotz kann die Bahnsteuerung auch die PTP-Bewegungsart ausführen.

Um die Bewegungsbahn genau zu programmieren, muss die Bahnsteuerung sie in mehrere kartesische Bahnstützpunkte zerlegen. Außerdem werden die Bewegungsbahnen durch verschiedene Bahnformen wie die Kreis-, Linear- oder Polynombahnen, die kartesische Geschwindigkeit und die Beschleunigung definiert. Bei der Linearbahn liegen Anfangs- und Endpunkt auf einer Ebene. Ein Normalvektor, der senkrecht auf der Ebene steht, die von dem Kreis aufgespannt wird, ermöglicht eine Kreisbahn. Der Kreisbogen wird wiederum durch drei Stützpunkte beschrieben, wobei der Anfangspunkt nicht die gleiche Position wie der Endpunkt haben darf.

Vierpunktsteuerung

Robotersteuerung von Yaskava
Roboter Steuerung Yaskawa DX200

Die Bewegungsbahnen der Vierpunktsteuerung lassen sich weder durch eine geringe Anzahl von Bahnstützpunkten noch durch geometrische Teilbahnen beschreiben. Bei der Art von Steuerung programmiert eine Bedienperson die Bewegung des Roboter Arms. Die genauen Positionen der Achsen werden bei der Programmierung in einem zeitlich definierten Raster abgetastet und gespeichert. Da der zeitliche und geometrische Abstand zwischen den Bahnstützpunkten sehr klein ist, ist die Bewegung dazwischen unbedeutend.

Programmierung

Um eine Robotersteuerung zu programmieren, kann auf das Verfahren der Online-Programmierung oder auf die Offline-Programmierung zurückgegriffen werden. Die Robotersteuerung ist dann so komplex, dass sie sogar andere Werkzeuge integrieren kann. Auf diese Weise können die oben erwähnten externen Sensoren, beispielsweise in Form einer Kamera, eingebunden werden.

Online-Programmierung

DIY - Die Steuerung eines Roboterfahrzeuges über das Smartphone
Intuitive Roboterprogrammierung horstFX
Der Industrieroboter HORST von fruitcore robotics wird bspw. mit der Robotersoftware horstFX bedient, welche eine grafische Benutzerfläche darstellt. Mithilfe eines Digitalen Zwillings werden verschieden komplexe Anwendungen ohne Fachkenntnisse programmiert. Grafisch programmierte Abläufe können bei Bedarf auch in klassische Programmcodes konvertiert werden.

Diese Art von Programmierung erfolgt mit oder direkt am Roboter. Zu den Verfahren gehören unter anderem:

  1. Teach-In-Programming (auch Teaching): Dabei führt der Programmierer den Industrieroboter durch eine Steuerungskonsole in die passenden Positionen. Die Arbeitsschritte werden so lange wiederholt, bis der Roboter einmal den kompletten Arbeitszyklus durchlaufen hat. Die Bewegungen zwischen den Punkten, werden durch Parameter angefahren und gespeichert. So wird sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung eingestellt. Auch die erforderliche Genauigkeit kann bei einigen Robotern angegeben werden. Dabei kommt entweder die Variante Point-to-Point, bei der der Roboter den geometrisch günstigsten Weg wählt, oder der Continuous Path, bei dem der Weg vorprogrammiert ist, zum Tragen.
  2. Playback-Verfahren: Beim Playback-Verfahren fährt der Programmierer den Roboterarm auf direkte Weise die vorgesehene Bahn ab. Danach wiederholt der Roboter die zuvor erlernte Bewegung. Dieses Verfahren wird oftmals für Lackierroboter angewandt.
  3. Grafische Benutzeroberfläche: Der klassischen Teach-In-Programmierung stehen Bedienkonzepte mit grafischer Benutzeroberfläche gegenüber, welche die reale Arbeitsumgebung abbilden. Mit der grafischen Benutzeroberfläche soll der Programmieraufwand reduziert werden und Erfahrung in der Programmierung von Robotern nicht mehr notwendig sein.

Offline-Programmierung

Bei der Offline-Programmierung wird der Roboter an sich nicht benötigt. Sie erfolgt schon im Vorhinein an einem Roboter unabhängigen Computer. So kann während der Programmierung der Industrieroboter weiterlaufen, weswegen es zu keinem Stillstand kommt.

Zu dieser Art von Programmierung gehören unter anderem die folgenden Verfahren:

  1. Textuelle Programmierung: Dabei wird mit einer problemorientierten Sprache die Aufgaben beschrieben. Dieses Verfahren lässt sich mit Programmiersprachen vergleichen. Das Programm ist auf diese Weise gut veränderbar und dokumentierbar. Jedoch ist dafür ein qualifizierter Programmierer notwendig, der in die unternehmensabhängige Programmiersprache eingeweiht ist.
  2. CAD: CAD ist ein Programm für Konstruktionszeichnungen und Simulationen am Computer. In der Architektur wird es oftmals genutzt, um die Symmetrie und Statik eines Gebäudes vor der Grundsteinlegung zu kontrollieren. Auf diese Weise legt der Programmierer den kompletten Bewegungsablauf des Roboters dreidimensional fest, wobei die Roboter Umgebung und das Werkzeug bereits abgebildet sind. So können Konstruktionsfehler frühzeitig erkannt und Änderungen vollzogen werden, bevor es den Roboter überhaupt gibt. Das Teaching ist im Vergleich jedoch deutlich schneller und einfacher. Außerdem müssen alle Werkzeuge und Vorrichtungen auf exakte Weise den Modelle im Computer entsprechen.

Sicherheitssteuerung bzw. Safety-Controller

Industrieroboter namhafter Hersteller bieten in der Regel eine sogenannte Sicherheitssteuerung bzw. einen Safety-Controller, die je nach Roboterhersteller unterschiedliche Produktnamen trägt (z.B. Safety Controller, FSU o.ä.)

Basis ist grundsätzlich das Prinzip eines zweiten, unabhängigen und redundanten Achsrechners. Vereinfacht ausgedrückt werden dabei Positionsdaten der Achsen von zwei unabhängigen Einheiten parallel empfangen, überwacht und miteinander verglichen. Sobald eine Abweichung festgestellt wird, stoppt der Roboter mit Not-Stopp (Servomotoren stromlos und Haltebremsen fallen ein). Das ist nicht zu vergleichen mit der zweikanaligen Ausführung der gängigen Sicherheitssignale "NotStop" bzw. "Schutztür", was bereits seit mehreren Jahrzehnten Standard ist.

Mit dieser Einrichtung wird das in den einschlägigen Normen definierte Performance Level (PL) d erreicht.

Mit der Funktion lassen sich folgende Bewegungen bzw. Wege und Räume sicher überwachen:

  • Bewegungsbereich jeder Achse
  • Drehgeschwindigkeit jeder Achse
  • Arbeitsbereich des gesamten Roboters
  • Geschwindigkeit am Werkzeug/TCP
  • Werkzeugwinkel und Werkzeugwechsel

Damit lassen sich z.B. Arbeitsbereiche personensicher schützen und Bewegungsgeschwindigkeiten lassen sich personensicher beschränken und überwachen.

Somit kann z.B. ein ungenutzter Teil des Arbeitsbereiches eines Roboter ausgespart, anderweitig genutzt und der genutzte Arbeitsbereich mit einem einfachen Zutrittsschutz abgeschrankt werden unabhängig davon wie groß, kräftig und schnell ein Roboter ist.

Ein weiteres Beispiel sind Interaktionen zwischen Mensch und Roboter. Roboter und Mensch führen wechselweise an unterschiedlichen Plätzen aufeinander folgende Arbeitsinhalte durch.

Kritische Prozesse, die bei zu schneller Bewegung eine Gefahr darstellen würden, können über die sichere Reduzierung und Überwachung der Geschwindigkeit sicher automatisiert werden.

Robotersteuerung Hersteller

KUKA
KUKA bietet Steuerungstechnologien für Roboter und Produktionsanlagen an. Durch den modularen Aufbau der Hardware und der offenen Softwarearchitektur auf PC-Basis kann die Robotersteuerung auf spezifische Anforderungen und Aufgaben angepasst werden. Bei dem Steuerungssystem KR C4 beispielsweise ist sowohl die Roboter-, Ablauf-, Bewegungs- und Prozesssteuerung als auch die Sicherheitssteuerung integriert. Die Zusammenfassung der verschiedenen Steuerungen reduziert 50 Prozent der Steckverbinder und Kabel im Roboter. Darüber hinaus entwickelt KUKA Applikations-Pakete namens ready2_use, Kleinroboter mit integrierter Energiezuführung durch Druckluft, die vorkonfektionierte Roboterzelle flexibleCUBE zum Laserschweißen und die einachsige Antriebseinheit KP1-MDC.
Stäubli
Das Schweizer Unternehmen Stäubli bietet ein breite Auswahl von Roboterarmen, Robotersteuerungen und Robotersoftware unter dem Hauptthema Robotics an. Unter den Robotersteuerungen fasst Stäubli ihr CS8 und CS9 Modell. AUßerdem entwickelt Stäubli Hochdruck-Hydraulik, zu denen Hochdruck-Zylinder und Hochdruck-Hydraulikkreisläufe gehören. Via Schäublis SPS-Schnittstelle ist die Roboterprogrammierung nicht mehr so aufwendig und kompliziert. Außerdem fertigt Stäubli Kupplungslösungen für Temperierung und Thermomanagement und Multikupplungen für Medien- und Energiekreisläufe wie das CombiTAC System.
YASKAWA
YASKAWA Europe ist Entwickler und Hersteller von Mechatronik- und Roboterlösungen. Unter Robotertechnik fassen sie MOTOMAN Roboter, Robotersteuerungen und Software für die Montage, Schweiß- und Schneideaufgaben von Werkstücken sowie für das Palettieren, Verpacken und Lackieren. Die Robotersteuerungen für den europäischen Markt werden in Europa gefertigt.
Engel
Engelglobal entwickelt und konzipiert Systemlösungen, unter anderem für Spritzgussmaschinen, Roboter und Automatisierungstechnik, für höchste Teilequalität, maximale Produktivität und stabile Prozesse.
ABB
Das Technologieunternehmen ist unter anderem in den Bereichen Robotik und Antriebe, industrielle Automation und Stromnetze und im Infrastruktur- und Bahnsektor angesiedelt und bietet unter anderem IRC5-Robotersteuerung und Solarmodule an. IRC5 ermöglicht eine schnelle Integration von zusätzlicher Hardware.
Beckhoff
Beckhoff ist für die Realisierung von Automationssystemen auf Grundlage von PC-basierter Steuerungstechnik u. A. für die Antriebstechnik und Automationssoftware zuständig. Mithilfe von der PC-basierten Steuerungstechnik für Roboter können gesamte Prozessketten und Fertigungslinien gesteuert und überwacht werden.
fruitcore robotics
Der deutsche Roboterhersteller fruitcore robotics bietet seine HORST Industrieroboter als Komplettpaket mit der Sicherheitssteuerung horstCONTROL, dem Bedienpanel horstPANEL sowie der Robotersoftware horstFX an. Den Industrieroboter HORST gibt es in verschiedenen Traglast- und Reichweitenklassen.

Forschung

Die TU Chemnitz forscht zur Zeit auf dem Gebiet der Roboter-Mensch-Interaktion aktiv zur Robotersteuerung mit multimodalen Sensoren. Die Professur entwickelt eine neue Art jener Sensoren, sie neue Verfahren zur Steuerung und Regelung der Roboter und eine höhere Sicherheit mit sich bringt. Ihre multimodalen Sensoren befinden sich hautähnlich auf der Oberfläche des Roboters und erkennen verschiedene Materialien und Distanzen. Die Sensoren gewährleisten für den Roboter also einen eigenständigen, kollisionsfreien Weg und die Fähigkeit, dynamischen Hindernissen auszuweichen.

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