Flexible Handhabungsgeräte im Maschinenbau: Grundlagen, Komponenten, Applikationen ; Ergebnisse aus dem Sonderforschungsbereich 208 "Grundlagen und Komponenten Flexibler Handhabungsgeräte im Maschinenbau" der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
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Weinheim [u.a.]
VCH
1996
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|---|---|
| adam_text | Inhalt ^
1 Einleitung 1
Wolf gang Backä
2 Kinematik und Dynamik von Handhabungsgeräten ... 11
Günter Dittrich, Rainer Müller
2.1 Einleitung 11
2.2 Auswahl optimaler kinematischer Strukturen von Hand¬
habungsgeräten 12
2.2.1 Systematik kinematisch sinnvoller Strukturen von Hand¬
habungsgeräten 13
2.2.2 Charakteristische Merkmale kinematischer Strukturen
(Istprofile) 14
2.2.3 Strukturauswahl durch Vergleich des Anforderungsprofils
mit den Istprofilen 17
2.3 Kinematik von Handhabungsgeräten mit beliebiger
kinematischer Struktur 18
2.3.1 Kinematische Modellbildung 18
2.3.2 Berechnung der Gliedlagen eines Handhabungsgerätes
(kinematische Vor- und Rückwärtsrechnung) 20
2.3.3 Berechnung des Geschwindigkeit^- und Beschleunigungs¬
zustandes der Glieder 23
2.4 Dynamik von Handhabungsgeräten mit beliebiger
kinematischer Struktur 23
2.4.1 Dynamische Modellbildung 23
2.4.2 Berechnung der an den Gliedern eines Handhabungsgerätes
wirkenden Kräfte und Momente (dynamische Vor- und Rück¬
wärtsrechnung) 24
2.5 Optimierung der Entwurfsparameter eines Handhabungs¬
gerätes 26
2.5.1 Optimierung der Geometrieparameter 28
V
Inhalt
2.5.2 Optimierung der Genauigkeitsparameter 29
2.5.3 Optimierung der Antriebsleistungen 29
2.6 Optimierung des Bewegungsverhaltens von Handhabungs¬
geräten mit beliebiger kinematischer Struktur 30
2.6.1 Kinematische Parameteridentifikation zur Verbesserung der
Positionsgenauigkeit 30
2.6.2 Dynamische Parameteridentifikation zur Verbesserung des
Bewegungsverhaltens 31
2.6.3 Kompensation elastizitätsbedingter Lageabweichungen des
Effektorbezugspunktes 32
Literatur 34
3 Konzepte und Komponenten zur Steuerung flexibler
Handhabungsgeräte 36
3.1 Einleitung 36
Walter Ameling
3.2 Echtzeitdatenverarbeitung mit garantierten Reaktionszeiten . 37
Walter Ameling, Ralph Ammon, Michael Bartmann
3.2.1 Verifizierbarer Entwurf von Echtzeitsystemen 39
3.2.2 Rechnergestützte Prozeßplanung 42
3.3 Struktur einer standardisierten Robotersteuerung 47
Walter Ameling, Ralph Ammon, Michael Bartmann
3.3.1 Die Laufzeitmaschine 50
3.3.2 Offenes Systemmodell der Steuerung 53
3.4 Bahnplanung 56
Günter Dittrich, Rainer Müller
3.4.1 Berechnung der Sollbahn 60
3.4.2 Berechnung des Bahnparameters 61
3.4.3 Optimierung des Bahngeschwindigkeitsverlaufes unter Be¬
rücksichtigung gerätespezifischer und aufgabenbezogener
Restriktionen 62
3.5 Kompensation elastizitätsbedingter Posefehler 66
Manfred Weck, Dirk Prust
3.5.1 Kompensation statisch bedingter Posefehler 67
3.5.2 Kompensation thermisch bedingter Posefehler 69
3.6 Regelung 71
Heinrich Rake, Jürgen Pantring, Bernhard Geyer
3.6.1 Regelungskonzepte, Modellbildung und Simulation .... 71
3.6.2 Prädiktive Achsregelung 73
3.6.3 Entkoppelnde Regelung mit Hilfe der Systemdynamik ... 80
3.6.4 Steuerungstechnische Realisierung 83
Literatur 86
VI
Inhalt
4 Industrieroboter in Hohlgelenkbauweise mit berührungs¬
loser Energie- und Signalübertragung 88
4.1 Einleitung 88
Manfred Weck, Dirk Prust
4.2 Berührungslose Energieübertragung 89
Andreas Nagel
4.2.1 Induktive Energieübertragung 90
4.2.2 Gleichspannungswandler 92
4.3 Berührungslose Signalübertragung 96
Andreas Meylahn, Andreas Nagel
4.3.1 Optische Übertragungsstrecken 96
4.3.1.1 Laserstrecke für Linearachsen 97
4.3.1.2 Optische Drehübertrager 98
4.3.2 Induktiv-kapazitive Übertragungsstrecken 102
4.3.3 Vergleich der Übertragungsstrecken 106
4.4 Serielles Bussystem 107
Manfred Weck, Andreas Meylahn
4.4.1 Logische Struktur 109
4.4.2 Busprotokoll 112
4.4.2.1 Das SDLC-Datentelegramm 113
4.4.2.2 Die SDLC-Loop 116
4.5 Konstruktion und Realisierung der mechanischen Struktur . 118
Manfred Weck, Dirk Prust
4.5.1 Roboterspezifikation 120
4.5.2 Einbaumodul für berührungslose Energie- und Signal¬
übertragung 121
4.5.3 Antriebsmodul in Hohlwellenbauweise 122
4.5.4 Sechs-Komponenten-Sensor für Kräfte und Momente . . . 123
4.5.5 Roboterarm in Hohlwellenbauweise 124
4.5.6 Roboterrumpf 127
4.5.7 Linearachse mit berührungsloser Energie- und Signal¬
übertragung 127
4.6 Elektrische Antriebe 128
Gerhard Henneberger, Thorsten Klepsch
4.6.1 Elektrische Maschinen 129
4.6.1.1 Speiseformen und Verluste 129
4.6.1.2 Handachsenantrieb in kurzer Bauform 131
4.6.1.3 Trägheitsmoment-reduzierte Antriebe 134
4.6.2 Stromrichter und Maschinenregelung 136
4.6.2.1 Stromrichter und dezentraler Steuersatz 136
4.6.2.2 Feldorientierte Stromregelung und Vorsteuerung 137
4.6.2.3 Sensorloser Betrieb der permanenterregten Synchron¬
maschine 138
VII
Inhalt 4.7 Fluidtechnische Antriebe 142
Wolfgang Backä, Peter Tappe
4.7A Servopneumatische Antriebe 143
4.7.2 Aufbau eines servopneumatischen Knickarmroboters . . . 149
4.7.3 Aufbau einer flexiblen Schraubzelle 153
4.7.4 Servohydraulische Antriebe 157
Literatur 163
5 Applikationen, Effektoren und Komponenten für die
Montagetechnik 165
5.1 Einleitung 165
Wolfgang Backä, Tilo Pfeifer
5.2 Flexible Greiftechnik 166
Wolfgang Backe , Elmar Mostert
5.2.1 Konstruktiver Aufbau von servopneumatischen Greifern . . 167
5.2.2 Regelung servopneumatischer Greifer 173
5.2.2.1 Regelung mit stetigen Ventilen 174
5.2.2.2 Regelung mit schaltenden Ventilen 178
5.2.3 Möglichkeiten zur Überwachung und Fehlererkennung mit
servopneumatischen Greifern 184
5.3 Flexibel automatisierte Meßtechnik 186
Tilo Pfeifer, Robert Schmitt
5.3.1 Anforderungen an Meßvorrichtungen im Montageumfeld . 187
5.3.2 Flexibel automatisierte, robotergestützte Meßvorrichtungen . 188
5.3.3 Meßstrategien mit Industrierobotern 193
5.3.3.1 Roboter als Meßmittel 193
5.3.3.2 Roboter handhabt das Meßmittel oder das Meßobjekt ... 194
5.3.4 Fehlereinflüsse und Kompensationsmöglichkeiten 197
5.3.4.1 Passive Kompensation durch konstruktive Maßnahmen . . 197
5.3.4.2 Aktive Kompensation durch Meßdatenrückführung .... 199
5.4 Effektoren für das automatisierte Meß-und Montageumfeld . 201
Wolfgang Backe , Tilo Pfeifer, Elmar Mostert, Robert Schmitt
5.5 Bildverarbeitung 205
Walter Ameling
5.5.1 Bildverarbeitung mit Videokameras 208
5.5.2 3D-Bildverarbeitung mit Hilfe kalibrierter Kameras . . . . 212
5.5.2.1 Photogrammetrische Bildauswertung 215
5.5.2.2 Das Kameramodell 215
5.5.2.3 Die Kalibrierung 216
5.5.3 Lokalisierung, Merkmalsextraktion und Klassifizierung von
Werkstücken 218
5.5.3.1 Verfahren zur Kantenhervorhebung 218
5.5.3.2 Punktoperatoren 220
VIII
Inhalt
5.5.3.3 Lokale Operatoren 220
5.5.3.4 Gradientenoperatoren 221
5.5.3.5 Bewertung der Kantenhervorhebungs- und Kanten¬
extraktionsverfahren 223
5.5.3.6 Werkstückidentifizierung und Lokalisierung 225
5.5.4 Groblokalisierung und Hindernisdetektion zur Kollisions¬
vermeidung in Roboterarbeitsräumen 228
5.5.4.1 Hindernisdetektion und Groblokalisierung 229
5.5.4.2 Kollisionsvermeidung in Roboterarbeitsräumen 230
5.5.4.3 Das geometrische Modell: Zerlegung von Objekten in
Grundkörper 232
5.5.4.4 Das Schutzkörpermodell 234
5.6 Materialfluß- und Arbeitsraumüberwachung 235
Manfred Weck, Helge Klein
5.6.1 Kontrolle der Werkstückträger 235
5.6.2 Kollisionsvermeidung und Ausweichbahngenerierung . . . 238
5.6.3 Sensorgestützte Handhabung von Werkstücken 242
5.6.4 Abbildung des Arbeitsraums durch Laserabtastung .... 244
5.7 Applikationen im Bereich der Montage 245
Wolfgang Backe; Tilo Pfeifer, Elmar Mostert, Robert Schmitt
5.7.1 Montageanlage für axiale Wellensicherungsringe 246
5.7.2 Flexibel automatisierte Vielstellenmeßanlage 248
5.7.2.1 Mechanischer Aufbau 249
5.7.2.2 Meßbügel mit integrierter Datenvorverarbeitung 252
5.7.2.3 Bedienung der Meßanlage 253
5.7.3 Flexibel automatisierte Meß- und Montageanlage
für Kupplungsausrücklager 256
Literatur 261
6 Sensorgestütztes Schweißen mit Einbindung von Planungs¬
und Programmiersystemen 264
6.1 Einleitung 264
Paul Drews, Franz Josef Schulze Wehninck
6.2 Schweißprozeßführung mit hybridem Sensorsystem zur
Erfassung der Prozeßumwelt 266
Paul Drews, Konrad Willms
6.2.1 Konzept des hybriden Sensorsystems 266
6.2.2 Beschreibung der Sensormodule zur Erfassung der Fugen-
und Nahtgeometrie, zur Schweißbadbeobachtung sowie zur
Erfassung der Schweißparameter 269
6.2.3 Modul zur Analyse, Bewertung und Verknüpfung der Sensor¬
daten und zur Steuerung des Schweißprozesses 278
IX
Inhalt
6.2.4 Modul zur Visualisierung und Dokumentation der Sensor¬
daten sowie zur Bedienung des hybriden Sensorsystems . . 280
6.2.5 Schnittstelle zur Integration des hybriden Sensorsystems in
die transputerbasierte Robotersteuerung 281
6.3 Planung des Roboterschweißprozesses 283
Walter Eversheim, Rainer Humburger
6.3.1 Modellierung der Schweißbaugruppendaten 284
6.3.2 Funktionen der Schweißablaufplanung 286
6.3.3 Systemrealisierung 295
6.4 Strukturorientiertes Programmiersystem 300
Manfred Weck, Ralph Dammertz
6.4.1 Neues Programmierkonzept 302
6.4.2 Schnittstelle zur Planungsebene 308
6.4.3 MMS-Schnittstelle zur Steuerung 310
6.4.4 Einsatzmöglichkeiten 314
6.5 Simulation sensorgeführter Roboterbewegungen 316
Paul Drews, Franz Josef Schulze Wehninck
6.5.1 Ausgangssituation und Zielsetzung 316
6.5.2 Gesamtkonzept des Systems 317
6.5.2.1 Überlegungen zur Modellierung der Arbeitszelle 317
6.5.2.2 Strukturierung der Simulationsumgebung 318
6.5.3 Modellierung von Sensoren 320
6.5.3.1 Modell des optischen Triangulationssensors 320
6.5.3.2 Modell des Laserscanners 322
6.5.3.3 Fehler- und Restriktionsbetrachtung 324
6.5.4 Modellierung des Robotersystems 325
6.5.4.1 Roboterkinematik und -dynamik 325
6.5.4.2 Die Robotersteuerung und ihre Funktionsmodule 327
6.5.5 Offline-Korrektur und Bahnführung mit Sensoren .... 331
6.5.5.1 Kopplung zwischen Sensor und Robotersystem 332
6.5.5.2 Einführung eines Zeitschemas 333
6.5.6 Implementierung und Betrieb der Sensorsimulation in
ROBCAD 334
Literatur 338
7 Zusammenfassung und Ausblick 341
Heinrich Rake et al.
8 Dokumentarischer Anhang 347
8.1 Am Sonderforschungsbereich 208 beteiligte Institute . . . 347
8.2 Projektleiter 348
8.3 Wissenschaftliche Mitarbeiter 350
8.4 Dissertationen 354
8.5 Finanzielle Förderung 356
X
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