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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
parallel zur x-Achse
parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse
parallel zur x-Achse
parallel zur y-Achse parallel zur z-Achse
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
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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
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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)
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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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Film: Portalschweißroboter (Messe „Schweißen & Schneiden“) Animation: Portalroboter Arbeitsraumanimation
Portalroboter (Bleichert)
Beispiel Portalroboter und Arbeiträume
Arbeitsräume einer TTT-Kinematik
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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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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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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)
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M t t h ikModul B
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Montagetechnik
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Komponenten
und Systeme
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
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Montagetechnik
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und Systeme
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)
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K t
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Universalroboter hängend am Portal (Fibro)
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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
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Komponenten
und Systeme
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
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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
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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
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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
T r a g f ä h i g k e i t
G e s c h w i n d i g k e i t
S t e u e r u n g
S t e i f i g k e i t
W i r t s c h a f t l i c
h k e i t
U n i v e r s a l i t ä t
+ −
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7.5.2.9 Bewertungen der Industrieroboter-Bauformen
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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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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.
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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
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Beispiele für Baukastensysteme (Fibro)
Be- und Entladen von Schleifmaschine Portal für Drehmaschine Be- und Entladen
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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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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
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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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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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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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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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Seite 7 44 © J . Wolfgang Zieglerund Systeme
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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