"PenTec" - ein neues Parallelstruktur-Konzept:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Essen
Vulkan-Verl.
2006
|
| Schriftenreihe: | Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Baunschweig
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XVIII, 152 S. Ill., graph. Darst. 21 cm |
| ISBN: | 9783802786884 3802786882 |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Kapitel Seite
1 Einleitung 1
1.1 Einführung in die Thematik 1
1.2 Parallclroboter 5
1.3 Stand der Technik 9
1.4 Defizite im Stand der Technik 15
1.5 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit IG
2 Parallelstruktur Konzept PenTec 19
2.1 Grundlagen 20
2.1.1 Doppelt pyramidale Grundstruktur 20
2.1.2 Konzentrische Gelenkeinheit 23
2.1.3 Kinematisches Schema 2 1
2.2 Methodik der Struktursynthese 26
2.2.1 Strukturen mit aktiven Schubgelenkcn 29
2.2.2 Strukturen mit aktiven Drehgelenken 30
2.2.3 Weitere Strukturen des Konzepts 34
2.3 Abgrenzung der konzentrischen Geleukeinheit 3(i
2.3.1 Verschachtelte Kugelgelenke 30
2.3.2 Kombination einfacher Drehgelenke 3N
2.3.3 Sondeibauformen 41
2.3.4 Vergleichende Übersicht der Gelenke 42
2.4 Abgrenzung fies Parallelstruktur Konzepts 43
2.4.1 Pentapoden 44
2.4.2 Tripoden 49
2.4.3 Strukturen mit koaxialen gestellfesten Drehgelenken 50
2.4.4 Vergleichende Übersicht 52
2.5 Zusammenfassung 52
3 Strukturanalyse 55
3.1 Kinematische Analyse 5G
3.1.1 Geometrisches Modell und Grundgleichungen 50
3.1.2 Zwangsführung der Arbeitsplatt form 59
3.1.3 Inverses Kinematisches Problem 00
3.1.4 Direktes Kinematisches Problem 64
3.1.5 Jacobi Matrix 70
3.1.6 Singularitäten 71
viü Inhaltsverzeichnis
3.1.7 Arbeitsraum 75
3.2 Dynamische Analyse 78
3.2.1 Herleitung des inversen Dynamikmodells 80
3.2.2 Dynamische Parametrierung 81
3.2.3 Validierung des inversen Dynamikmodells 85
3.3 Zusammenfassung 89
4 Strukturoptimierung 93
4.1 Anforderungskatalog der Parallelstruktur 94
4.2 Kinematische Optimierung 97
4.2.1 Kenngrößen zur Strukturbewertung 97
4.2.2 Formulierung des Optimierungsproblems 101
4.2.3 Identifikation kinematisch optimaler Strukturparameter 106
4.3 Zusammenfassung 110
5 Erprobung 111
5.1 Aufbau des Funktionsmusters 111
5.1.1 Mechanische Komponenten 111
5.1.2 Steuerung und elektrische Komponenten 115
5.1.3 Arbeitsraum und Schwenkwinkel der Arbeitsplattform 115
5.2 Leistungskenngrößen des Funktionsmusters 116
5.2.1 Prüfbedingungen und Prüfverfahren 117
5.2.2 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 120
5.2.3 Pose Wiederholgenauigkeit 121
5.2.4 Mindestpositionierzeit und Zykluszeit 123
5.2.5 Statische Nachgiebigkeit 125
5.2.6 Beurteilung der Leistungskenngrößen 127
5.3 Zusammenfassung 128
6 Zusammenfassung und Ausblick 131
6.1 Zusammenfassung 131
6.2 Ausblick 132
A Freiheitsgrad der Parallelstruktur PenTec S 135
Literaturverzeichnis 139
Tabellenverzeichnis
Tabelle Seite
1.1 Preis /Leistungsverbesserungen von Industrierobotern 3
1.2 Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum paralleler Strukturen 7
1.3 Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum serieller Strukturen 8
1.4 Orientierungsbereich von Parallelrobotern 8
2.1 Überblick zu konzentrischen Gelenken 42
2.2 Einordnung und Vergleich des PENTEC Konzepts 54
3.1 Anzahl notwendiger mathematischer Operationen zur Lösung des IKP .... 63
3.2 Anzahl notwendiger mathematischer Operationen zur Lösung des DKP ... 69
3.3 Übersicht der Strukturparameter 84
3.4 Übersicht der Massen und Massenträgheitsmomente 85
4.1 Katalog der leistungsbezogenen und wirtschaftlichen Kriterien 95
4.2 Übersicht der Strukturparameter 102
4.3 Übersicht der optimierten Strukturparameter 106
5.1 Koordinaten und Anfahrt der Prüfposen 119
5.2 Trajektorie Parameter 119
5.3 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 121
5.4 Pose Wiederholgenauigkeit 122
5.5 Pose Wiederholgenauigkeit in x , y und z Richtung 123
5.6 Koordinaten und Anfahrt der Prüfposen für die Mindestpositionierzeit . . . 124
5.7 Ruckbegrenzung und Mindestpositionierzeit für die Prüfposen 124
5.8 Übersicht der Leistungskenngrößen des Funktionsmusters 128
Abbildungsverzeichnis
Abbildung Seite
1.1 Überblick zu Industrierobotern 2
1.2 Preisentwicklung von Industrierobotern 3
1.3 Leistungsgrenzen von Robotern mit serieller Struktur 4
1.4 Vollparallele und hybride Strukturen 6
1.5 IRB 340 FlexPicker 10
1.6 RP 1AH 10
1.7 M 840 Hexalight 6D 11
1.8 Hexa 11
1.9 Portalroboter PORTYS 12
1.10 Astromic 12
1.11 Konzentrische Anordnung von rotatorischen Antrieben 13
1.12 Parallele Anordnung von Linearantrieben 13
1.13 Archi 14
1.14 ParaPlacer 14
1.15 H4 15
1.16 Hita STT 15
2.1 Oktagonale und hexagonale Grundstruktur 21
2.2 Komponenten des Parallelstruktur Konzepts PenTec 23
2.3 Kinematisches Schema 25
2.4 Synthese Schema für Pentapoden des PENTEC Konzepts 28
2.5 Vollparallele Struktur PenTec L mit fünf Freiheitsgraden 29
2.6 Vollparallele Struktur PenTec L mit sechs Freiheitsgraden 30
2.7 Vollparallele Struktur PenTec R mit fünf Freiheitsgraden 31
2.8 Hybride Struktur PenTec S mit sechs Freiheitsgraden 32
2.9 Konzentrische Gelenkeinheiten der Struktur PenTec S 33
2.10 Vereinfachung und Modifikation des kinematischen Schemas 33
2.11 Hybride und vollparallele Struktur mit vier Freiheitsgraden 34
2.12 Vollparallele Struktur PenTec S mit drei Freiheitsgraden 35
2.13 Verschachtelte Kugelgelenke der ersten Bauform 37
2.14 Verschachtelte Kugelgelenke der zweiten Bauform 37
2.15 Doppel Kardangelenk 38
2.16 Sphärisches Gelenk mit koaxialen Scheiben 38
2.17 Konzentrische Gelenkeinheit CSJ 3 39
2.18 Kinematisches Prinzip der konzentrischen Gelenkeinheit CSJ 3 39
xii Abbildungsverzeichnis
2.19 Konzentrische Gelenkeinheiten CSJ 4, 6, 9 40
2.20 Konzentrische Gelenkeinheit mit Scherenmechanismus 41
2.21 Spherical Joint Mechanism 41
2.22 Werkzeugmaschine P 800 44
2.23 Struktur des PENTA Konzepts 45
2.24 Struktur nach Zamanov und Sotirov 45
2.25 Doppelt pyramidaler Pentapod 47
2.26 Werkzeugmaschine Seyanka 47
2.27 Roboter von Shum 47
2.28 Multicraft 560 48
2.29 Parallelstruktur mit koaxialen Antrieben 48
2.30 Positioniervorrichtung mit drei Freiheitsgraden 49
2.31 Roboterarm mit Parallelstruktur 49
2.32 Manipulator mit drei Freiheitsgraden 50
2.33 Manipulatoren mit koaxialen gestellfesten Drehgelenken 51
3.1 Geometrisches Modell der Parallelstruktur PenTec S 57
3.2 Ableitung des Inversen Kinematischen Problems 61
3.3 Ableitung des Direkten Kinematischen Problems des ersten Gelenkpunkts . . 65
3.4 Ableitung des Direkten Kinematischen Problems des zweiten Gelenkpunkts . 67
3.5 Singularitäten des Typs I 73
3.6 Singularitäten des Typs II 73
3.7 Kombinierte Singularitäten des Typs I und II 74
3.8 Nutzbarer und effektiver Arbeitsraum 76
3.9 Querschnitt des effektiven Arbeitsraums 77
3.10 Parallelstruktur PenTec S mit dynamisch äquivalenten Massen 82
3.11 Referenzmodell zur Validierung des IDM 86
3.12 Radiale Testtrajektorie 87
3.13 Tangentiale Testtrajektorie 87
3.14 Vergleich der analytischen Ergebnisse mit dem MATLAB Modell 88
3.15 Momentenverläufe für radiale und tangentiale Testtrajektorie 89
3.16 Momentenverläufe anteilig nach Kraftkomponenten 90
3.17 Momentenverläufe anteilig nach Gliedmaßen 90
4.1 Geometrie des Mehrfachendeffektors 96
4.2 Bestimmung der charakteristischen Länge 99
4.3 Optimierte Parallelstruktur PenTec S mit vertikalem Endeffektor 1 .... 107
4.4 Übertragungsgüte im effektiven Arbeitsraum für Endeffektor 1 und 2 .... 108
4.5 Kleinster und größter Singularwert für Endeffektor 1 108
4.6 Kleinster und größter Singularwert für Endeffektor 2 108
4.7 Sensitivitätsanalyse der Parameter 109
5.1 Funktionsmuster der Parallelstruktur PenTec S 112
5.2 Konzentrische Gelenkeinheit 112
5.3 Antriebsbaugruppe der vertikalen Führungskette 112
5.4 Statischer Ausgleich der Parallelstruktur PenTec S 113
Abbildungsverzeichnis xiii
5.5 Prinzip der Schwerkraftkompensation an Kurbel und Führungsstrebe .... 113
5.6 Steuerungs und Regelkonzept 116
5.7 Linke Arbeitsraumhälfte der unteren konzentrischen Gelenkeinheit 117
5.8 Lage und Abmessungen des Prüfquaders und der Prüfposen 118
5.9 Nachgebildete Masse der sechsten Achse (3 kg) und der Nennlast (1 kg) ... 119
5.10 Prüf Endeffektor und Messsystem 119
5.11 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 120
5.12 Ausschwingen in x , y und z Richtung 122
5.13 Lateraler Adept Zyklus 125
5.14 Nachgiebigkeit in positiver x , y und z Richtung 126
5.15 Maßnahmen zur Leistungssteigerungen 129
A.l Freiheitsgrade des quaternären Glieds 137
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Kapitel Seite
1 Einleitung 1
1.1 Einführung in die Thematik 1
1.2 Parallclroboter 5
1.3 Stand der Technik 9
1.4 Defizite im Stand der Technik 15
1.5 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit IG
2 Parallelstruktur Konzept PenTec 19
2.1 Grundlagen 20
2.1.1 Doppelt pyramidale Grundstruktur 20
2.1.2 Konzentrische Gelenkeinheit 23
2.1.3 Kinematisches Schema 2 1
2.2 Methodik der Struktursynthese 26
2.2.1 Strukturen mit aktiven Schubgelenkcn 29
2.2.2 Strukturen mit aktiven Drehgelenken 30
2.2.3 Weitere Strukturen des Konzepts 34
2.3 Abgrenzung der konzentrischen Geleukeinheit 3(i
2.3.1 Verschachtelte Kugelgelenke 30
2.3.2 Kombination einfacher Drehgelenke 3N
2.3.3 Sondeibauformen 41
2.3.4 Vergleichende Übersicht der Gelenke 42
2.4 Abgrenzung fies Parallelstruktur Konzepts 43
2.4.1 Pentapoden 44
2.4.2 Tripoden 49
2.4.3 Strukturen mit koaxialen gestellfesten Drehgelenken 50
2.4.4 Vergleichende Übersicht 52
2.5 Zusammenfassung 52
3 Strukturanalyse 55
3.1 Kinematische Analyse 5G
3.1.1 Geometrisches Modell und Grundgleichungen 50
3.1.2 Zwangsführung der Arbeitsplatt form 59
3.1.3 Inverses Kinematisches Problem 00
3.1.4 Direktes Kinematisches Problem 64
3.1.5 Jacobi Matrix 70
3.1.6 Singularitäten 71
viü Inhaltsverzeichnis
3.1.7 Arbeitsraum 75
3.2 Dynamische Analyse 78
3.2.1 Herleitung des inversen Dynamikmodells 80
3.2.2 Dynamische Parametrierung 81
3.2.3 Validierung des inversen Dynamikmodells 85
3.3 Zusammenfassung 89
4 Strukturoptimierung 93
4.1 Anforderungskatalog der Parallelstruktur 94
4.2 Kinematische Optimierung 97
4.2.1 Kenngrößen zur Strukturbewertung 97
4.2.2 Formulierung des Optimierungsproblems 101
4.2.3 Identifikation kinematisch optimaler Strukturparameter 106
4.3 Zusammenfassung 110
5 Erprobung 111
5.1 Aufbau des Funktionsmusters 111
5.1.1 Mechanische Komponenten 111
5.1.2 Steuerung und elektrische Komponenten 115
5.1.3 Arbeitsraum und Schwenkwinkel der Arbeitsplattform 115
5.2 Leistungskenngrößen des Funktionsmusters 116
5.2.1 Prüfbedingungen und Prüfverfahren 117
5.2.2 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 120
5.2.3 Pose Wiederholgenauigkeit 121
5.2.4 Mindestpositionierzeit und Zykluszeit 123
5.2.5 Statische Nachgiebigkeit 125
5.2.6 Beurteilung der Leistungskenngrößen 127
5.3 Zusammenfassung 128
6 Zusammenfassung und Ausblick 131
6.1 Zusammenfassung 131
6.2 Ausblick 132
A Freiheitsgrad der Parallelstruktur PenTec S 135
Literaturverzeichnis 139
Tabellenverzeichnis
Tabelle Seite
1.1 Preis /Leistungsverbesserungen von Industrierobotern 3
1.2 Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum paralleler Strukturen 7
1.3 Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum serieller Strukturen 8
1.4 Orientierungsbereich von Parallelrobotern 8
2.1 Überblick zu konzentrischen Gelenken 42
2.2 Einordnung und Vergleich des PENTEC Konzepts 54
3.1 Anzahl notwendiger mathematischer Operationen zur Lösung des IKP . 63
3.2 Anzahl notwendiger mathematischer Operationen zur Lösung des DKP . 69
3.3 Übersicht der Strukturparameter 84
3.4 Übersicht der Massen und Massenträgheitsmomente 85
4.1 Katalog der leistungsbezogenen und wirtschaftlichen Kriterien 95
4.2 Übersicht der Strukturparameter 102
4.3 Übersicht der optimierten Strukturparameter 106
5.1 Koordinaten und Anfahrt der Prüfposen 119
5.2 Trajektorie Parameter 119
5.3 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 121
5.4 Pose Wiederholgenauigkeit 122
5.5 Pose Wiederholgenauigkeit in x , y und z Richtung 123
5.6 Koordinaten und Anfahrt der Prüfposen für die Mindestpositionierzeit . . . 124
5.7 Ruckbegrenzung und Mindestpositionierzeit für die Prüfposen 124
5.8 Übersicht der Leistungskenngrößen des Funktionsmusters 128
Abbildungsverzeichnis
Abbildung Seite
1.1 Überblick zu Industrierobotern 2
1.2 Preisentwicklung von Industrierobotern 3
1.3 Leistungsgrenzen von Robotern mit serieller Struktur 4
1.4 Vollparallele und hybride Strukturen 6
1.5 IRB 340 FlexPicker 10
1.6 RP 1AH 10
1.7 M 840 Hexalight 6D 11
1.8 Hexa 11
1.9 Portalroboter PORTYS 12
1.10 Astromic 12
1.11 Konzentrische Anordnung von rotatorischen Antrieben 13
1.12 Parallele Anordnung von Linearantrieben 13
1.13 Archi 14
1.14 ParaPlacer 14
1.15 H4 15
1.16 Hita STT 15
2.1 Oktagonale und hexagonale Grundstruktur 21
2.2 Komponenten des Parallelstruktur Konzepts PenTec 23
2.3 Kinematisches Schema 25
2.4 Synthese Schema für Pentapoden des PENTEC Konzepts 28
2.5 Vollparallele Struktur PenTec L mit fünf Freiheitsgraden 29
2.6 Vollparallele Struktur PenTec L mit sechs Freiheitsgraden 30
2.7 Vollparallele Struktur PenTec R mit fünf Freiheitsgraden 31
2.8 Hybride Struktur PenTec S mit sechs Freiheitsgraden 32
2.9 Konzentrische Gelenkeinheiten der Struktur PenTec S 33
2.10 Vereinfachung und Modifikation des kinematischen Schemas 33
2.11 Hybride und vollparallele Struktur mit vier Freiheitsgraden 34
2.12 Vollparallele Struktur PenTec S mit drei Freiheitsgraden 35
2.13 Verschachtelte Kugelgelenke der ersten Bauform 37
2.14 Verschachtelte Kugelgelenke der zweiten Bauform 37
2.15 Doppel Kardangelenk 38
2.16 Sphärisches Gelenk mit koaxialen Scheiben 38
2.17 Konzentrische Gelenkeinheit CSJ 3 39
2.18 Kinematisches Prinzip der konzentrischen Gelenkeinheit CSJ 3 39
xii Abbildungsverzeichnis
2.19 Konzentrische Gelenkeinheiten CSJ 4, 6, 9 40
2.20 Konzentrische Gelenkeinheit mit Scherenmechanismus 41
2.21 Spherical Joint Mechanism 41
2.22 Werkzeugmaschine P 800 44
2.23 Struktur des PENTA Konzepts 45
2.24 Struktur nach Zamanov und Sotirov 45
2.25 Doppelt pyramidaler Pentapod 47
2.26 Werkzeugmaschine Seyanka 47
2.27 Roboter von Shum 47
2.28 Multicraft 560 48
2.29 Parallelstruktur mit koaxialen Antrieben 48
2.30 Positioniervorrichtung mit drei Freiheitsgraden 49
2.31 Roboterarm mit Parallelstruktur 49
2.32 Manipulator mit drei Freiheitsgraden 50
2.33 Manipulatoren mit koaxialen gestellfesten Drehgelenken 51
3.1 Geometrisches Modell der Parallelstruktur PenTec S 57
3.2 Ableitung des Inversen Kinematischen Problems 61
3.3 Ableitung des Direkten Kinematischen Problems des ersten Gelenkpunkts . . 65
3.4 Ableitung des Direkten Kinematischen Problems des zweiten Gelenkpunkts . 67
3.5 Singularitäten des Typs I 73
3.6 Singularitäten des Typs II 73
3.7 Kombinierte Singularitäten des Typs I und II 74
3.8 Nutzbarer und effektiver Arbeitsraum 76
3.9 Querschnitt des effektiven Arbeitsraums 77
3.10 Parallelstruktur PenTec S mit dynamisch äquivalenten Massen 82
3.11 Referenzmodell zur Validierung des IDM 86
3.12 Radiale Testtrajektorie 87
3.13 Tangentiale Testtrajektorie 87
3.14 Vergleich der analytischen Ergebnisse mit dem MATLAB Modell 88
3.15 Momentenverläufe für radiale und tangentiale Testtrajektorie 89
3.16 Momentenverläufe anteilig nach Kraftkomponenten 90
3.17 Momentenverläufe anteilig nach Gliedmaßen 90
4.1 Geometrie des Mehrfachendeffektors 96
4.2 Bestimmung der charakteristischen Länge 99
4.3 Optimierte Parallelstruktur PenTec S mit vertikalem Endeffektor 1 . 107
4.4 Übertragungsgüte im effektiven Arbeitsraum für Endeffektor 1 und 2 . 108
4.5 Kleinster und größter Singularwert für Endeffektor 1 108
4.6 Kleinster und größter Singularwert für Endeffektor 2 108
4.7 Sensitivitätsanalyse der Parameter 109
5.1 Funktionsmuster der Parallelstruktur PenTec S 112
5.2 Konzentrische Gelenkeinheit 112
5.3 Antriebsbaugruppe der vertikalen Führungskette 112
5.4 Statischer Ausgleich der Parallelstruktur PenTec S 113
Abbildungsverzeichnis xiii
5.5 Prinzip der Schwerkraftkompensation an Kurbel und Führungsstrebe . 113
5.6 Steuerungs und Regelkonzept 116
5.7 Linke Arbeitsraumhälfte der unteren konzentrischen Gelenkeinheit 117
5.8 Lage und Abmessungen des Prüfquaders und der Prüfposen 118
5.9 Nachgebildete Masse der sechsten Achse (3 kg) und der Nennlast (1 kg) . 119
5.10 Prüf Endeffektor und Messsystem 119
5.11 Positions Stabilisierungszeit und Überschwingen 120
5.12 Ausschwingen in x , y und z Richtung 122
5.13 Lateraler Adept Zyklus 125
5.14 Nachgiebigkeit in positiver x , y und z Richtung 126
5.15 Maßnahmen zur Leistungssteigerungen 129
A.l Freiheitsgrade des quaternären Glieds 137 |
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