7_Kinematik

7/22/2019 7_Kinematik

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Vorlesung: Handhabungs- und

Montagetechnik

© J . Wolfgang Ziegler

Modul BKomponenten

und Systeme

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Prof. Dr.-Ing. J. Wolfgang Ziegler Fachhochschule Düsseldorf

7 Kinematik



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7 Kinematik (griech. Kinema) = Bewegung, BewegungslehreDie Kinematik ist die Lehre von Bewegung. Man kann aber auch den Bewegungsapparat eines Handhabungsgerätes mitdem Begriff Kinematik kennzeichnen. Die Kinematik eines Handhabungsgerätes wird hauptsächlich durch die Anzahl

der Freiheitsgrade seines Bewegungsapparates bestimmt. Konzepte für die kinematische Gestaltung orientieren sichhäufig am menschlichen Vorbild (siehe Dreh- bzw. Rotationsgelenke), wenn an eher universelle Verwendbarkeit

gedacht ist.Begriffe/Erläuterungen:Die Dynamik befasst sich mit der Betrachtung vonKräften (Trägheitskraft, Schwerkraft, Antriebe), die auf die Handhabungsgerät-Komponenten einwirken.

Die Kinematik beschreibt den mechanischen Aufbaudes Handhabungsgerätes, d.h. die räumliche Zuordnungder Bewegungsachsen nach Folge und Aufbau (z.B.Positionen, Orientierung). Sie beschäftigt sich mit der Geometrie und den zeitabhängigen Aspekten der Bewegung (z.B. Beschleunigung).

In der Kinematik wird von allen dynamischen Aspekten abstrahiert .Die Statik bezeichnet den konstruktivenAufbau des Handhabungsgerätes.Die Mechanik ist die zusammenfassende Bezeichnung

für Kinematik, Dynamik, Statik.



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Die einzelnen i Glieder eines Handhabungsgerätes sind über Linearführungen und Drehgelenke zu einer kinematischenKette miteinander verbunden. Die Glieder, Gelenke und deren Antriebe bilden die Achsen des Gerätes. Die kinematischeKette prägt auch das äußere Erscheinungsbild einer Handhabungsmaschine. Je beweglicher die Maschine ist, um sovielgliedriger muss sie ausgeführt sein.Haben Anfangs- und Endglied einer einfachen kinematischen Kette nur einen Gelenkanschluss, ist es eine offene kine-

matische Kette (serielle Strukturen). Bei geschlossenen kinematischen Ketten (parallele Strukturen) ist jedes Glied über zwei Gelenkanschlüsse verbunden. Kombinationen von kinematischen Ketten werden als komplexe kinematische Ketten

bezeichnet.Während der Bewegung eines aktiven Mechanismus kann eine kinematischen Kette mehrfach ihre Gestalt von offennach geschlossen und umgekehrt ändern. Das ist z.B. bei einem Montagevorgang der Fall. Im Moment des Fügens eines

Teiles durch einen Industrieroboter (z.B. durch Einstecken) entsteht eine geschlossene kinematische Kette.

7.1 Kinematische Kette

offene kinematische Kette geschlossene kinematische Kette komplexe kinematische Kette

Glied 1

Glied 2 Glied 3

Gelenk 12

Gelenk 23

Glied 1

2 3

4

54

34

Gelenk 12

23

34



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7.1.1 FreiheitsgradEs ist zu unterscheiden, ob es um den Freiheitsgrad eines Körpers im Raum geht oder um die Beweglichkeit eines Hand-

habungsgerätes.Der Freiheitsgrad f eines frei beweglichen starrer Körper im Raum ist f = 6, der sich aus drei translatorischen und drei

rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten zusammensetzt. Es sei hier weiterhin darauf hingewiesen, dass sich diese

Definition nur auf starre Körper bezieht. Nimmt man die Verformbarkeit eines Körpers noch mit in die Betrachtungs-weise auf, wird die Beschreibung sehr kompliziert.Um die Beweglichkeit einer kinematischen Kette bzw. eines Handhabungsgerätes zahlenmäßig auszudrücken, kann manden Freiheitsgrad F einer kinematischen Kette als Ausdruck seiner Beweglichkeit verstehen. Es gilt nach Grübler:

∑= −+−−⋅=

g

i

id i f f gnF 1

)1(6

∑=

−+−−⋅=

g

i

id i f f gnF 1

)1(3

mit n Anzahl der Glieder g Anzahl der Gelenke

f i Freiheitsgrad des i-ten Gelenkesf id Anzahl der identischen Freiheitsgrade

in der Ebene

im Raum

Damit z.B. ein Universalroboter seinen Effekt im Raum beliebig

positionieren und ausrichten kann, müssen insgesamt 6 voneinander

unabhängige Bewegungen ausgeführt werden, d.h. das Gerät benötigt6 Freiheitsgrade.Bei offenen und unverzweigten kinematischen Ketten wie die desseriellen Industrieroboter bzw. Universalroboter, ist der Freiheitsgrad

gleich der Anzahl der Gelenke (Gelenkfreiheitsgrad).

Grübler‘sche Formel

Für einfache Handhabungsaufgaben reichen aber auch 5,4 oder sogar nur 3 Freiheitsgrade aus.

∑=

==g

i

i g f F 1

Animation: Freiheitsgrade von Robotern



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7.2 Achsen und Gelenke

Der kinematische Aufbau eines Handhabungsgerätes ist durch die Anordnung und die Anzahl der an der Bewegungbeteiligten Achsen bestimmt. Achsen sind geführte, unabhängig voneinander angetriebene Gelenke. Man unterscheidet prinzipiell drei Arten von Achsen:• Linearachsen / translatorische Achsen / Schubachsen,• rotatorische Achsen und• gekoppelte Achsen.Die rotatorischen Achsen unterteilt man wiederum in Achsen, die um sich selbst drehen:• vertikale Achsen bzw. fluchtende Achsen und• horizontale oder nicht fluchtende Achsen (Achsen, die in einem Drehgelenk liegen).Bei den translatorischen Achsen unterscheidet man drei Teilgruppen:

• Verschiebeachsen, nicht fluchtend,• Teleskopachsen, fluchtend und• Verfahrachsen, z.B. Linearschlitten.Je nach Gelenkbauform ergeben sich für das Handhabungsgerätunterschiedliche Vorteile.Schubachsen

• beliebig erweiterbarer Arbeitsraum• günstige Kinematik für Handhabungs- und Palletieraufgaben• steife Gesamtkonstruktion durch mechanische Entkopplung der AchsenRotatorische Achsen• schnelle Bewegungen• kostengünstig für kleine Arbeitsräume• vorteilhafte Kinematik für BearbeitungsaufgabenGekoppelte Achsen• Kosteneinsparung

Handachse („Zentralhand“) eines IR (Reis): Dreisich in einem Punkt schneidende Drehachsen



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7.2.1 Gelenke und dessen Freiheitsgrade

Drehgelenk

(Revolute)

F = 1 F = 2 F = 1 F = 3 F = 2

Schubgelenk

(Prismatic)

Drehschubgelenk

(Cylindric)

Kardangelenk

(Universal)

Kugelgelenk

(Spherical)



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Translationsachse

Fluchtend

(Teleskop)

Translation nicht fluchtend

Verfahrachse

Rotationsachse

fluchtend

Rotationsachse

nicht fluchtend

Kennzeichnung von

Systemgrenzen

Trennung zwischen Haupt- und

Nebenachsen

Kurzer Trennstrich bedeutetechte Schnittstelle (z.B.auswechselbare Werkzeuge)

Greifer Vakuumgreifer Parallelgreifer

Werkzeuge Klebepistole, Schweißzange

Achsen Symbol Symbol mit Angabe derBewegungsmöglichkeit

7.3 Kinematische Symbole

Je nach Hersteller ergeben sich, wasdie äußere Gestalt des Handhabungs-gerätes betrifft, unterschiedlicheBauweisen. In der VDI-Richtlinie

2861 hat man deswegen, um dieeinzelnen Roboter vergleichbar zumachen und das Wesentliche ihrer

Kinematik herauszustellen, kinematische Ersatzbilder erstellt. Inihr sind die Symbole für die Achsen,für Effektoren und das Fundament

aufgeführt. Durch die kinematischenErsatzbilder ist eindeutig verdeutlicht,ob sich die Achse linear oder rotato-risch bewegt. Des Weiteren ist aber

auch etwas über Gelenke, das beirotatorischen Achsen vorhanden seinmuss, ausgesagt. Die Drehbewegungder Achse kann einmal um sich selbsterfolgen (fluchtende Achse) oder ein-mal um das Gelenk herum (nicht

fluchtend).



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Darstellung eines IR mit Hilfe der kinematischen Ersatzbilder

Reale Darstellung Symbolische Darstellung

TransformationTransformation



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7.3.1 Bestimmung der Achsbezeichnungen bei Industrierobotern (1/2)Um die Achsen eines Industrieroboter eindeutig bezeichnen zu können, verwendet man die Symbolik zur Darstellung

des kinematischen Aufbaues nach VDI 2861.

Die Achsbezeichnungen für Industrieroboter beziehen sich auf ein ortsfestes kartesisches Koordinatensystem mit denhorizontalen Achsen X und Y und der vertikalen Achse Z (linksdrehendes System).

Zur Bestimmung der Achsbezeichnungen wird der IR in die Grundstellung überführt, dazu werden alle Achsen desRoboters parallel bzw. symmetrisch zum Bezugskoordinatensystem ausgerichtet.

Überführung eines Siebenachsigen Industrieroboters aus einer beliebigen Arbeitsstellung in die Grund-stellung im Bezugskoordinatensystem zur Bestimmung der Achsbezeichnungen (VDI 2861 Blatt 1)



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Bestimmung der Achsbezeichnungen bei Industrieroboter (2/2)

Des Weiteren erhalten die entsprechenden Haupt- und Nebenachsen festgelegte Buchstabenkennzeichen. Diese Be-zeichnung der Achsen lehnt sich an die DIN 66217 „Koordinatenachsen und Bewegungseinrichtungen für numerischegesteuerte Arbeitsmaschinen“ an, da die Industrieroboter in die allgemeine Klasse der numerisch gesteuerten Arbeits-

maschinen einzuordnen sind.

HAUPTACHSEN NEBENACHSEN

Translationsachsen Rotationsachsen Translationsachsen Rotationsachsen

X

YZ

A

BC

U

VW

E

FG

Q, R, S und T für sonstige Achsen

Trennstrich „/“ um Hauptachsen von Nebenachsen zu trennen

parallel zur x-Achse

parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse









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7.4 Grundstrukturen von HandhabungsmaschinenCharakteristische Merkmale kinematischer Strukturen von Handhabungsmaschinen sind:• Arbeitsraum (siehe Kapitel Industrieroboter),• Bewegungsraum (siehe Kapitel Industrieroboter),• Bahngeschwindigkeiten und –beschleunigungen in ausgewählten Bahnpunkten,

• Verfahrzeiten für ausgewählte Bahnabschnitte,• Positions-, Orientierungs- und Bahngenauigkeit ,• Steifigkeit und• Wirkungsgrad .Da der Arbeitsraum im Wesentlichen aus der Grundstruktur des Handhabungsgerätes gegeben ist, steht die Fragenach Anzahl und Art unterschiedlicher Grundstrukturen. Unterschiede entstehen aus

• der Kombination von Dreh- und Schubachsen und• dem Kreuzungswinkel zwischen den einzelnen Achsen.Zur Variation V von Dreh- und Schubachsen:

k nV =

n = Anzahl Elemente ist zunächst 2 (Drehen, Schieben);werden die Achskombinationen mit einbezogen, so

ergeben sich je Elementart nochmals 3 ( X, Y, Z und A, B, C). k = Elemente je Struktur (3 = Grundstruktur)

VariantenV 216)32( 3=⋅=⇒

Von diesen 216 offenen kinematischen Ketten erfüllen einige die Bedingung nicht, einen Arbeitsraum zu erzeugen. Nur die 129 rot markierten Kinematikketten (siehe nächste Seite) bilden einen Arbeitsraum.Verschiedene Kinematikketten unterscheiden sich nur in der Bezeichnung und sind ansonsten identisch (z.B. die

Ketten AYC und CYA). Werden noch diejenigen Kinematikketten eliminiert, die sich durch Drehen ineinander überführen lassen, verbleiben noch 36 unterschiedliche. Fordert man eine allgemeine Bewegung im Raum,verbleiben nur noch 20 sinnvolle Regionalstrukturen (siehe übernächste Seite).

l



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DDD(RRR )

AAA

AAB

AAC

ABA

ABB

ABC

ACA

ACB

ACC

BBB

BBC

BBA

BCB

BCC

BCA

BAB

BAC

BAA

CCC

CCA

CCB

CAC

CAA

CAB

CBC

CBA

CBB

DDS(RRT)

AAX

AAY

AAZ

ABX

ABY

ABZ

ACX

ACY

ACZ

BBY

BBZ

BBX

BCY

BCZ

BCX

BAY

BAZ

BAX

CCZ

CCX

CCY

CAZ

CAX

CAY

CBZ

CBX

CBY

DSD(RTR)

AXA

AXB

AXC

AYA

AYB

AYC

AZA

AZB

AZC

BYB

BYC

BYA

BZB

BZC

BZA

BXB

BXC

BXA

CZC

CZA

CZB

CXC

CXA

CXB

CYC

CYA

CYB

DSS(RTT)

AXX

AXY

AXZ

AYX

AYY

AYZ

AZX

AZY

AZZ

BYY

BYZ

BYX

BZY

BZZ

BZX

BXY

BXZ

BXX

CZZ

CZX

CZY

CXZ

CXX

CXY

CYZ

CYX

CYY

SDD(TRR)

XAA

XAB

XAC

XBA

XBB

XBC

XCA

XCB

XCC

YBBYBC

YBA

YCB

YCC

YCA

YAB

YAC

YAA

ZCC

ZCA

ZCB

ZAC

ZAA

ZAB

ZBC

ZBA

ZBB

SDS(TRT)

XAX

XAY

XAZ

XBX

XBY

XBZ

XCX

XCY

XCZ

YBY

YBZ

YBX

YCY

YCZ

YCX

YAY

YAZ

YAX

ZCZ

ZCX

ZCY

ZAZ

ZAX

ZAY

ZBZ

ZBX

ZBY

7.4.1 Mathematische mögliche Kinematikketten

SSD(TTR)

XXA

XXB

XXC

XYAXYB

XYC

XZA

XZB

XZC

YYBYYC

YYA

YZBYZC

YZA

YXB

YXC

YXA

ZZC

ZZA

ZZB

ZXCZXA

ZXB

ZYC

ZYA

ZYB

SSS(TTT)

XXX

XXY

XXZ

XYXXYY

XYZ

XZX

XZY

XZZ

YYY

YYZ

YYX

YZYYZZ

YZX

YXY

YXZ

YXX

ZZZ

ZZX

ZZY

ZXZZXX

ZXY

ZYZ

ZYX

ZYY

3. Klassen aus den Elementen A, B, C und X, Y, Z (D Drehachse, S Schiebeachse, R Rotation, T Translation).Die rot markierten haben einen Arbeitsraum.

V l H dh b dM d l B



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7.4.2 Auswahlkinematischsinnvoller3achsigerRegional-

strukturen

Vorlesung H dh b dM d l B



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7.5 Arbeitsräume

Es ist ersichtlich, dass die Anordnung der Achsen auch beträchtliche Auswirkungen auf die Form eines Arbeitsraumes

haben muss. Die äußere Umgrenzung eines Arbeitsraumes entsteht aus der vektoriellen Addition der Bewegungen vonGliedern einer kinematischen Kette.

SSS (YZX)

DSS (CZX)

DDS (CBX)

SSS (CBB)

Quaderförmig

y

z x

Zylinderförmig

KugelförmigTorusförmig

x

xz

c

c c

BB

B

Vorlesung: Handhabungs undMod l B



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7.5.1 Grundformen von Arbeitsräumen

Trotz der vielfältigen Möglichkeiteneiner kinematischen Struktur, Ar- beitsräume auszubilden, gibt es einige typische Grundformen. Die dreiwichtigsten sind jene, die einen

quaderförmigen , zylindrischen und kugelförmigen Arbeitsraum aus- bilden. Die Position P eines Effektors

wird gewöhnlich als Vektor r

dargestellt und bezieht sich auf ein

kartesisches Basiskoordinatensystemmit den Vektoren x0 , y0 , und z0.

Kartesisches Koordinatensystem

_

0

_

0

_

0

_

zc yb xar ⋅+⋅+⋅= _

03

_

0

21

_

021

_

sincos

zs y

s xsr

⋅+⋅

⋅+⋅⋅= θ θ

Zylindrisches Koordinatensystem

Kugelkoordinatensystem

_

023

_

01

23

_

0123

_

)cos(sin

sincossin

zcs y

s xsr

⋅+⋅+⋅⋅

⋅+⋅⋅⋅=

θ θ

θ θ θ

Vorlesung: Handhabungs undModul B



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7.5.2 Bauarten und Arbeitsräume von Industrierobotern

Mit Hilfe der kinematischen Beschreibung der Starrkörperkette der Hauptachsen kann eine Einteilung der Industrie-roboter vorgenommen werden. Betrachtet man die unterschiedlichen Konstruktionen, lassen sich charakteristische

Bewegungsmöglichkeiten der jeweiligen Konstruktion erkennen. Die Art und Anordnung der einzelnen Achsen undGelenken entspricht der jeweiligen Kinematik des Roboters. Die Roboterkonstruktionen setzen sich aus einer Kombination der folgenden drei Grundbauformen für Gelenke zusammen:

• translatorische Achsen (T-Achsen)• rotatorische Achsen (R-Achsen)• gekoppelte Achsen (z.B. Parallelogramme)

KINEMATIK

Linear Hybrid Sonderform

TTT RTT, RRT, TRR, RTR z.B. Parallelanordnung

Portalroboter TTT- Kinematik

Rotatorisch

RRR

Universal-/Vertikal-Knickarmroboter

Parallelarm-Roboter

SCARA-Roboter (RRT)

Schwenkarm-Roboter (RTT)

Vorlesung: Handhabungs- undModul B



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7.5.2.1 Lineararm-Roboter/Portalroboter (kartesische Roboter)

Animation: Portalroboter

Die drei Hauptachsen sind als translatorische Achsen (TTT-Kinematik) ausgeführt. Weitere Freiheitsgrade ergebensich, wenn zusätzliche Handachsen eine Drehung des Effektoren ermöglichen. Der sich durch diese Anordnungergebende Arbeitsraum hat kubische Form.

Einsatzgebiete• Maschinenbeschickung

• Palettieren• Fügearbeiten

(Nebenachsen erforderlich)

Vorteile• Konstruktion mechanisch steif

• große Traglasten• präzise Positionierung• einfache Steuerung• lange Verfahrwege• sehr großer Arbeitsraum• Bodenbereich wird freigehalten

(nur bei Portalbauweise)

Nachteile• Linearachsen eher langsam• aufwendiges Portal• geringe Beweglichkeit• großer Platzbedarf

(nur bei Lineararm-Roboter)

Portalroboter (Liebherr)

Portalroboter bei Schweißen (IGM)Spannweite über 20 m




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Vorlesung: Handhabungs und

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Film: Portalschweißroboter (Messe „Schweißen & Schneiden“) Animation: Portalroboter Arbeitsraumanimation

Portalroboter (Bleichert)

Beispiel Portalroboter und Arbeiträume

Arbeitsräume einer TTT-Kinematik




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Vorlesung: Handhabungs und

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7.5.2.2 Schwenkarm-Roboter (mit RTT- Kinematik)

Bei dem Schwenkarm-Roboter mit RTT- Kinematik sind zwei translatorische Achsen auf einer rotatorischen Achse

aufgesetzt. Die erste rotatorische Achse ist am Fundament befestigt. Die beiden translatorischen Achsen dienen zumeinen zur Höheneinstellung und zum anderen zur Einstellung der Reichweite. Der Arbeitsraum ist zylinderförmig.

Vorteile

• robuste Bauweise• hohe Positioniergenauigkeit• schnelle Bewegung

um die Rotationsachse• große Reichweite• großer Arbeitsraum

Schwenkarm-Roboter (Fanuc)

Einsatzgebiete

• Werkstückhandhabung• Maschinenbestückung• Palettieren

Nachteile

• großen Platzbedarf • kein Umgreifen vonHindernissen

Arbeitsraum eines Schwenkarm-Roboter




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g g

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7.5.2.3 Schwenkarm-Roboter (mit RRT- Kinematik)

Bei der RRT- Kinematik ist die erste Achse als rotatorisch-

fluchtende Achse ausgebildet (nicht bei SCARA-Roboter).Die Bauformen der zweiten und dritten Achse sind je nach

Anwendungsfall verschieden.

Der Schwenkarm-Roboter (siehe Bild) hat die zweite Achse

rotatorisch, nicht fluchtend und die dritte Achse trans-

latorisch (teleskop) aufgebaut. Der daraus resultierende Arbeitsraum ist halbkugelförmig.

Einsatzbereiche• Punktschweißen, Lackieren

• Maschinenbeschickung

Vorteile• robuste Bauform• große Armlänge• großer Arbeitsraum• gute Positioniergenauigkeit

Nachteile• großer Platzbedarf • aufwendige Steuerung• kein Umgreifen vonHindernissen

Kugelförmiger- Arbeitsraum einer RRT- Kinematik

Schwenkarm-Roboter (Unimate 200)

Film: Schwenkarmroboter beim Punktschweißenvon Karosserieteilen (Ford)




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g g

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7.5.2.4 SCARA-Roboter (von engl. Selective Compliance Assembly R obot Arm)= Montageroboterarm

Eine häufige Anordnung der RRT-Kinematik ist ein Horizontalknickarm-Roboter mitwaagrechtem Arm, der sog. SCARA-Roboter. Hierbei liegen die erste und die zweite

rotatorische nicht fluchtende Achse waagrecht („Faltwand“). Die dritte translatorische

Achse dient zur Höheneinstellung. Der entstehende Arbeitsraum dieser Kinematik ist

zylinderförmig.

Einsatzbereiche• Montagebereich mitvertikalen Fügeprozessen

• Palettieren

Vorteile• mechanisch sehr

steif in der Vertikalen• hohe Fügekräfte

• hohe Positioniergenauigkeit• hohe Geschwindigkeit• hohe Tragfähigkeit• einfache Mechanik • geringer Platzbedarf • kostengünstige Lösung

Nachteile• weniger steif inder Horizontalen

• aufwendige Steuerung

• begrenzter Arbeitsraum

SCARA-IR (Adept)SCARA-IR (Adept)Animation: SCARA-Roboter

Film: SCARA-Roboter beim Verpacken (Adept)




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SCARA-Roboter (Bosch SR 800): Beschreibung und Arbeitsraum

Gleichstromantriebe

Wegmeßsysteme

Einstellbare Arbeitsraumbegrenzung

mit Endschaltern und Festanschlägen

Höhenverstellbares Stativfür Tischaufbauten

Anwenderstecker zur Belegungfür Energie und Signale.

Normflansch

Robuste Gelenke

Hübe bis 640 mm

Zylinderförmiger-Arbeitsraum

Animation: SCARA- Roboter Arbeitsraum

Steckanschluss zumSteuerschrank.




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7.5.2.5 Horizontal-Knickarmroboter

Der Horizontal-Knickarmroboter ist im Aufbau der Achsen 1 bis 3 vergleichbar mit demSCARA-Roboter (RTR-Kinematik). Auch hier werden für die Hauptachsen zwei Gelenke

mit Drehachsen um die z-Richtung und eine Linearachse in z-Richtung genutzt. Zusätzlichzu den 3 Hauptachsen sind jedoch bei dieser Kinematik zusätzlich 3 Kopfachsen eingesetzt,um die 6 Freiheitsgrade des Roboters zu ermöglichen. Der Horizontal-Knickarmroboter hateinen hohlzylinderförmigen Arbeitsraum.

T

R

R

Horizontal-Knickarmroboter (Reis)

Einsatzbereiche• Maschinebeschickung• Palettieren

Nachteile• großer Platzbedarf • kein Umgreifen von

Hindernissen

Arbeitsraum eines Horizontal-Knickarmroboter

Vorteile• steife Konstruktion• großer Arbeitsraum

• hohe Tragkraft




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Die am weiteste verbreitete Konstruktionsart für Industrieroboter ist die RRR-Kinematik einesUniversalroboters. Er ist mit drei rotatorischen Hauptachsen ausgestattet. In fast allen Fällenist die erste Achse eine fluchtende Achse, während die Achsen zwei und drei nicht

fluchtend sind. Als Vertikalknickarm-Roboter hat er einen „ faustkugelförmigen“

Arbeitsraum.

Vorteile• „ universelles“ Gerät• hohe Beweglichkeit• hohe Geschwindigkeit• kleinsten Beschleunigungskräfte

• geringsten Platzbedarf bezüglich des Arbeitsraumes

• günstigen Arbeitsraum• geringes Störvolumen• Umgreifen von Hindernissen

möglichNachteile• hohe Belastung für Antriebe

durch das Eigengewicht• Gewichtsausgleich erforderlich• weniger steif als SCARA• aufwendige Steuerung• hoher Grundaufwand

7.5.2.6 Universalroboter/ Vertikalknickarm-Roboter/ Gelenkarm-Roboter

Einsatzbereiche• Werkzeughandhabung

• Beschichten und Lackieren• Punkt- und Bahnschweißen• Prüfen

• Werkstückhandhabung• Maschinenbeschickung• Palettieren• Entgraten

Knickarm-Schweißroboter (KUKA KR 6 arc)

Animation: Universalroboter

Film: Universalroboter

beim Palettieren(Stäubli)


M t t h ikModul B



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Universalroboter (KUKA KR 500): Beschreibung und Arbeitsraum

Armverlängerungen – für mehr Reichweite

Anbauflansch für Effektor

Lochbild für Zusatzlast

Handachs- AC-Servo-

motoren als Gegengewicht

Schlauchpaket für die Energie-und Mediendurchführung

Kompaktgelenk mitMotor-Getriebe-Einheit

Animation: Universalroboter Arbeitsraum

Grundgestell ist die Schnittstellezwischen dem Roboter und der Umgebung. Hier befinden sichEnergie- und Mediendurchführung

Hydropneumatischer Gewichtsausgleich


M t t h ikModul B



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Achserweiterung (Kuka Lineareinheit)

Häufig werden den 3 Hauptachsen noch eine Linear-

achse zur Arbeitsraumerweiterung hinzugefügt,indem man den Roboter auf eine oder zwei Schienen

setzt. Außerdem können Roboter auch an Wand und Decke, von oben nach unten an Portalen mit Linear-

einheiten hängend angeordnet werden (siehe nächsteFolie). Auf diese Weise kann ein einziger Roboter dieBedienung von zwei Maschinen übernehmen, die ingrößerem Abstand voneinander entfernt stehen.

Lineareinheit (KUKA KL 250 und KL 1500)


MontagetechnikModul B

K t



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Universalroboter hängend am Portal (Fibro)



K t



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7.5.2.7 Sonderbauform: Parallelogramm-Roboter

Neben den klassischen Kinematiken gibt es eine Vielzahl von Sonderbauformen, die zum Teil für spezielle Aufgaben-

stellungen entwickelt wurden z.B. bessere Zugänglichkeit, Seifigkeit oder Bewegungsfreiheit . Zum Teil sind esAbwandlungen der klassischen Bauformen, die durch unterschiedliche Reihenfolge bei der Anordnung der Achsenentstehen.

Parallelogramm-Roboter (ABB) Palettierroboter (KUKA KR 40 PA)

Beim Parallelogramm-Roboter sind die Drehachsen über ein Parallelogramm fest mit einander verbunden (gekoppelt)

und führen somit translatorische Bewegungen durch. Der Arbeitsraum hat die Form einer Halbkugel .

Einsatzgebiete

• Handhabung schwerer Werkstücke• Palettieren• Punktschweißen

Vorteile• relativ kostengünstig• große Auskraglänge• hohe Traglast und Steifigkeit

Nachteile• schwere Grundkonstruktion• viele Gelenke beeinträchtigendie Positioniergenauigkeit

• eingeschränkte Bewegungsfreiheit• kleiner Arbeitsraum• aufwendige Steuerung



Komponenten



Seite 7-29

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Parallelogramm-Roboter Arbeitsraum

Durch die Schubstangenanbindung werden bei der Parallelstangen- Kinematik grundsätzlich

Begrenzungen des Bewegungsraumes

wirksam, die sich sehr ungünstig

auf den Arbeitsraum des

Roboters auswirken.

ungünstige Gewichts-verteilung der Motoren

Die ungünstige Gewichtsverteilung der Motoren wirkt negativ auf Dynamik,Wiederhol- und Absolutgenauigkeit.

Gegengewicht

Drehachsen des Parallelogramms



Komponenten



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7.5.2.8 Sonderbauform: Parallelarm-Roboter

Der Parallelarm-Roboter ist eine Sonderbauform, der für spezielle Aufgabenstellungen erst in den letzten Jahrenentwickelt wurde. Die Bewegung erfolgt durch gleichzeitiges Anfahren aller Antriebselemente. Die Parallelkinematik

besteht in der Regel aus einer festen und einer bewegten Plattform, die über mehrere parallele kinematische Glieder

miteinander verbunden sind. Der Arbeitsraum ist meist nicht sehr groß.

Vorteile• Übertragung großer Kräfte• hohe Verfahrgeschwindigkeiten

und Beschleunigungen• sehr große Wiederholgenauigkeit

Nachteile• geringer Arbeitraum• sehr aufwendige Steuerung

Einsatzbereiche• Kleinteilmontage• Palettieren• Füge- und Trennaufgaben,die hohe Kräfte erfordern

Tricept Parallelroboter (ABB IRB 940)

bewegte Plattform

feste Plattform

Parallelroboter (Fanuc F-200i )

kinematisches Glied



Komponenten



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und Systeme

HEXA Parallelroboter (griech. Hexapot = Sechsfüßler)

Erreichbarer Arbeitsraum eines HEXA- Parallelroboter

Randbedingungenn = 14 (Anzahl der Glieder)

(Arbeitsplattform, Gestell, 12 Glieder)g = 3·6 = 18 (Anzahl der Gelenke )

(6 Dreh-, 6 Kardan-, 6 Kugelgelenke)Σf i = 6 · 1 + 6 · 2 + 6 · 3 = 36; f id = 0

Randbedingungenn = 14 (Anzahl der Glieder)

(Arbeitsplattform, Gestell, 12 Glieder)g = 3·6 = 18 (Anzahl der Gelenke )

(6 Dreh-, 6 Kardan-, 6 Kugelgelenke)Σf i = 6 · 1 + 6 · 2 + 6 · 3 = 36; f id = 0

60)362616()11814(6

)1(61

=−⋅+⋅+⋅+−−⋅=

−+−−⋅= ∑=

F

f f gnF g

i

id i

f i

=1

f i=2

f i=3

=> Der Freiheitsgrad eines Parallelroboters ist gleichder Anzahl seiner Antriebe.

Freiheitsgradbestimmung



Komponenten



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Montagetechnik


Komponenten

und Systeme

Lineararm-Roboter

Schwenkarm-Roboter

SCARA-Roboter

Horizontal-Knickarmroboter

Parallelogramm-Roboter

Parallelarm-Roboter

Universalroboter

A r b e i t s r a u m

P l a t z b e d a r f

B e w e g l i c h k e i t

G e n a u i g k e i t

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G e s c h w i n d i g k e i t

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7.5.2.9 Bewertungen der Industrieroboter-Bauformen



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und Systeme

7.6 Grundsatzfrage: Komplettgerät oder Baukasten?

GRUNDSATZFRAGE

Komplettgerät (z.B. Universalroboter) Baukastensystem (z.B. elektrische Einheiten)



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und Systeme

7.6.1 Baukastensysteme

So wie man einen komplexen Handhabungsablauf in Teilfunktionen auflösen kann, so lassen sichauch für die einzelnen Bewegungen Funktionsträger gestalten. Sie wachsen schließlich zu einem

Baukastensystem mit passfähigen Schnittstellen bezüglich mechanischem Zusammenbauund energetischer Anbindung. Baukastensysteme haben sich in der Technik vielfach

bewährt.Der Sinn besteht darin, für eine gerade vorliegende Handhabungsaufgabe einen passgerechten d.h. nicht überqualifizierten Ausführungsmechanismus, zusammen-stellen zu können. Dazu wird ein ausreichend großes Sortiment an Funktions-trägern benötigt und von verschiedenen Herstellern auch angeboten.Der Baukastengedanke umfasst inzwischen alle Bestandteile eines

Handhabungssystem:• Linear- und Rotationseinheiten (siehe nächste Folien)• Antriebselemente

• Koppelstellen (Schnittstelleverbindung)• Greifer

• Steuerungen

• Interfaces (Datentechnik)

Translatorischer

Kurzhub-Modul

TranslatorischerModul

RotatorischerModul

GreiferMit Winkel- oder Parallel- bewegung, pneumatisch,

hydraulisch, oder feder-spannend, motorischenAntrieb. Hydraulische Modul-Kombinationen



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Seite 7-35 © J . Wolfgang Ziegler

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und Systeme

7.6.1.1 Modulare Komponenten

elektromotorische Rotationseinheitpneumatisch Rotationseinheit

pneumatischKurzhubeinheit

pneumatisch Translationseinheit

Für die Ausführungen von Bewegungen im Raum stehen Translationsmodule und Rotations-

module in abgestuften Baugrößen zur Verfügung. Der Antrieb kann pneumatisch, hydraulisch

oder elektrisch erfolgen.



Komponenten



Seite 7-36 © J . Wolfgang Zieglerund Systeme

7.6.1.2 Wo setzt man Linearachsen ein?

1. Dort wo lineare Kräfte benötigt werden.

Dabei ist die Einbaulänge beliebig, z.B.:- als Antriebs- und Führungsmodul für

Vorschübe- als Abstapeleinrichtung, Niveauregelung

- als Transportantrieb- zur Bewegung von Maschinenabdeckungen- als Kassettenantrieb für Industrieroboter - als Antriebsmodul für

Bearbeitungseinbauten.

2. Dort wo genaues Positionierung und

hohe Wiederholgenauigkeit verlangt wird, z.B.:

- Positionierung der Materialanschläge an Sägen, Pressen, Scheren- Stelltrieb in der Holzmaschinen-Industrie- Förderantriebe

3. Dort wo Bewegungen in einer und mehreren

Achsen erfolgen sollen, z.B.:

- 2-dimensinale Antriebe (Kreuztisch)in einfacher und paralleler Ausführung

- 3-dimensionale Koordinaten-Systeme

- Düsenbewegungen in Lackierstraßen- Verpackungsmaschinen- Förder- und Handhabungselemente- Zubringer innerhalb von

Werkzeugmaschinen.

4. Dort wo lineare Bewegungen geführt werden müssen, z.B.:

- einfache Führungen mittels Gleitleisten- verstärkte Führungen mit zusätzlichen

Anbauelementen

- genaue Führungen mittelsKugeleinsätze und Rollen



Komponenten




Beispiele für Baukastensysteme (Fibro)

Be- und Entladen von Schleifmaschine Portal für Drehmaschine Be- und Entladen

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Komponenten




7.6.1.3 Kombinationen von Baukastenelementen (1/3)

Die Kombinationen von Baukastenelementen zu kompletten mehrachsigen Handhabungsmaschinen wird an Beispielen(Firma Gemotec), die häufig in der Industrie zu finden sind, dargestellt. Bei ausreichendem Sortiment von Elementenlassen sich alle typischen Arbeitsräume hervorbringen.

1. Zwei Linearachsen fürC-Zyklus Bewegung

2. Drei-Achsen-Gerät wieEinleger mit 2 Linear-achsen aber zusätzlicheiner Handdrehachse

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Komponenten

d S t




Kombinationen von Baukastenelementen (2/3)

Je nach Baukastensystem lässt sich der Zusammenbau direkt oder mit Hilfe von Adaptern (Platten, Scheiben,Winkel), um die Passfähigkeit sicherzustellen, mehr oder weniger komfortabel (Montagezeit, Anpassarbeiten,Baugrößenstufungen, Greiferbauart) erledigen.

3. Portalvariante mitHorizontaleinheit

4. Linearachse mitzusätzlicher Kronen-revolverdrehachsefür Doppelgreifer

(Draufsicht)

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Komponenten

d S t




Trotz vieler Vorteile kann nur bei Kenntnis aller Einsatzbedingungen eine qualifizierte Entscheidung zwischen kompakter und baukastenmäßiger Bauform getroffen werden. Viele Verbindungsstellen machen nämlich die offenekinematische Kette „weich“, d.h. das Genauigkeits-, Last- und Schwingungsverhalten ist anders, im Vergleich zuKompaktrobotern schlechter.

Kombinationen von Baukastenelementen (3/3)

5. Gerät mit derKonfiguration

Drehen- Heben- Drehen

Die Trennung in Komponenten führt allerdings vom zentralen zum dezentralem Antrieb. Es werden somit auchmodulare Antriebselemente nötig. Die Motoren sind häufig gestellfest angebracht. Die Verwendung vonelektrischen Servo- und Schrittmotoren als Antrieb erlaubt natürlich programmierbare Zyklen zu fahren, was mit pneumatischen Geräten fast nicht möglich ist (außer mit Zwischenanschlägen).

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Montagetechnik

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Modul BKomponenten

und Systeme




7.6.2 Komplettgerät oder Baukasten? Der Vergleich!

KOMPLETTGERÄT BAUKASTENSYSTEM

• Bessere kinematische Anpassung an Handhabungs-aufgabe möglich

• Keine brachliegenden Funktionsträger • Als Folge einer Serienfertigung preiswert, umfassend

erprobt und qualitativ hochwertig• Grundbaugruppen lassen sich in größeren Stückzahlen

wirtschaftlicher herstellen.• Die meisten Module sind ohne Wartezeit beziehbar.

• Komplexere Aufbauten aus einem Systementwickelbar

• Durch niedrige Gelenkzahl höhere Steifigkeit• Zerlegte Systeme sind mit hohem Anteil wiederver-

wendbar.

• Beim Projektieren werden Zeitvorteile durch Bereit-stellung CAD-fähiger Datensätze erreicht.

• Universell einsetzbares Gerät• Häufig bessere Genauigkeits-, Last- und Schwing-

ungsverhalten• Anpassungsfähiger in den Bewegungsbahnen• Erprobung des Gesamtsystems vom Hersteller und

somit Garantie auf Last-, Geschwindigkeits- undGenauigkeitskennwerte

• Möglichkeit zur Verarbeitung von Sensorsignalen

(bei Baukastensystemen nur bedingt möglich)• Bezogen auf die Gelenkzahl kostengünstige Gesamt-

lösung• Größer Arbeitsraum bezogen auf den Platzbedarf • Schnelle Abänderung des Bewegungsprogramms

ohne mechanische Veränderung vorzunehmen• Keine Probleme mit der elektromagnetischen Verträg-lichkeit des Gesamtgerätes

• Gute Gewichtsverteilung von Antrieben und Achsen• Komplette technische Dokumentation aller

Teilsysteme und somit bedienungsfreundlicher

• Handhabung großer Tragmassen

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Montagetechnik

© J W lf Zi l

Modul BKomponenten

und Systeme




NormenDIN EN ISO 8373: Industrieroboter: Wörterbuch. Berlin: Beuth Verlag, 1996

DIN EN ISO 9787: Industrieroboter: Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklaturen.

Berlin: Beuth Verlag, 1999DIN EN 29946 (ISO 9946): Industrieroboter: Darstellung charakteristischer Eigenschaften. Berlin: Beuth Verlag

DIN EN 29283: Industrieroboter: Leistungskriterien und zugehörige Testmethoden. Berlin: Beuth Verlag

DIN EN 775: Industrieroboter: Sicherheit. Berlin: Beuth Verlag, 1993

DIN 66217: Koordinatenachsen und Bewegungseinrichtungen für numerische gesteuerteArbeitsmaschinen. Berlin: Beuth Verlag, 1975

7.7 Anhang

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Montagetechnik

© J Wolfgang Ziegler

Modul BKomponenten

und Systeme



Seite 7 43 © J . Wolfgang Zieglerund Systeme

RichtlinienVDI 2739 Blatt 2: Matrizenrechnung – Anwendungen in der Kinematik und bei Eigenwertproblemen.

Düsseldorf: VDI-Verlag, 1996VDI 2853: Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb

von Industrierobotern. Düsseldorf: VDI-Verlag

VDI 2860: Montage- und Handhabungstechnik – Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen;Begriffe, Definitionen, Symbole. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1990VDI 2861 Blatt 1: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter,

Achsbezeichnungen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988VDI 2861 Blatt 2: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter,

Einsatzspezifische Kenngrößen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988

VDI 2861 Blatt 3: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter,Prüfung der Kenngrößen. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1988

VDI 2864: Montage- und Handhabungstechnik, Adressen von Koordinaten und Funktionen beider Programmierung numerisch gesteuerter Handhabungssysteme. Düsseldorf: VDI-Verlag

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Montagetechnik

© J Wolfgang Ziegler

Modul BKomponenten

und Systeme



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Literaturhinweise• Hans B. Kief: FFS- Handbuch `92/93 (3. Auflage). München/ Wien: Hanser, 1992• Stefan Hesse: Handhabungsmaschine. Würzburg: Vogel, 1993• Bartenschlager/ Hebel/ Schmidt: Handhabungstechnik mit Robotertechnik. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg, 1998• Stefan Hesse: Fertigungsautomatisierung. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg, 2000• Steuern und Regeln (9. Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2003

• Automatisierungstechnik (4.Auflage). Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel, 2001• Lektor Handhabungstechnik (Version 1.0). Berlin: Technik und Medien, 2001• Prof. Dr.-Ing. H. Brüggemann: Vorl. Handhabungs- und Montagetechnik. FH Braunschweig/Wolfenbüttel, SS 2004• Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann: Vorl. Robotertechnik. Technische FH Berlin: WS 2004/2005• Dr. Ing. Eberhard Kroth: Lehrmaterial Reis Robotics

• Prof. R. D. Schraft: Vorl. Automatisierung in der Montage und Handhabungstechnik. Universität Stuttgart, SS 2005

• Prof. Georg Stark: Vorl. Robotik. FH Augsburg• Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. J. Hesselbach & Dipl.-Ing. Mathias Krefft: Vorl. Industrieroboter. TU Braunschweig

Internet-Links

www.bleichert.dewww.kuka-roboter.dewww.fibro.dewww.gemotec.com

Filme

[Adept]: Adept Technology GmbHD-44227 Dortmund[Ford]: Ford –Werke AG

D-50742 Köln[Stäubli]: Stäubli GmbH

D-95448 Bayreuth

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