Industrieroboters Sie werden in der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Automobil-, Elektrogeräte- und Lebensmittelindustrie, weit verbreitet eingesetzt. Sie können repetitive mechanische Arbeitsgänge ersetzen und sind Maschinen, die verschiedene Funktionen mithilfe ihrer eigenen Energieversorgung und Steuerungsfähigkeiten erfüllen. Sie können menschlichen Befehlen standhalten und auch nach vorprogrammierten Programmen arbeiten. Im Folgenden werden die grundlegenden Hauptkomponenten erläutert.Industrieroboters.
1. Thema
Die Hauptkomponenten der Maschine sind das Maschinengestell und der Antriebsmechanismus, bestehend aus Großarm, Unterarm, Handgelenk und Hand, die ein mechanisches System mit mehreren Freiheitsgraden bilden. Einige Roboter verfügen zudem über Gehmechanismen.IndustrierobotersSie verfügen über 6 oder sogar mehr Freiheitsgrade. Das Handgelenk hat im Allgemeinen 1 bis 3 Bewegungsfreiheitsgrade.
2. Antriebssystem
Das Antriebssystem vonIndustrierobotersAntriebe werden je nach Energiequelle in drei Kategorien unterteilt: hydraulisch, pneumatisch und elektrisch. Diese drei Arten können je nach Anforderung auch zu einem Verbundantriebssystem kombiniert werden. Alternativ erfolgt der Antrieb indirekt über mechanische Übertragungsmechanismen wie Synchronriemen, Getriebe und Zahnräder. Das Antriebssystem besteht aus einer Antriebseinheit und einem Übertragungsmechanismus, die die entsprechenden Funktionen des Mechanismus ausführen. Jede dieser drei Grundantriebsarten weist spezifische Merkmale auf. Derzeit dominieren elektrische Antriebssysteme. Aufgrund ihrer geringen Trägheit finden AC- und DC-Servomotoren mit hohem Drehmoment und die dazugehörigen Servoantriebe (AC-Frequenzumrichter, DC-Pulsweitenmodulatoren) breite Anwendung. Diese Systeme benötigen keine Energieumwandlung, sind einfach zu bedienen und ermöglichen eine präzise Steuerung. Die meisten Motoren benötigen ein präzises Getriebe: ein Untersetzungsgetriebe. Dessen Zahnräder nutzen einen Drehzahlumrichter, um die Anzahl der Umdrehungen des Motors auf die erforderliche Anzahl zu reduzieren und so ein höheres Drehmoment zu erzielen. Dadurch wird die Drehzahl gesenkt und das Drehmoment erhöht. Bei hoher Last ist die Leistungssteigerung des Servomotors sehr kosteneffizient, und das Ausgangsdrehmoment kann durch ein Untersetzungsgetriebe innerhalb eines geeigneten Drehzahlbereichs erhöht werden. Servomotoren neigen bei niedrigen Betriebsfrequenzen zu Wärmeentwicklung und niederfrequenten Vibrationen. Langfristiger und wiederholter Betrieb ist daher nicht förderlich für einen präzisen und zuverlässigen Betrieb. Präzisions-Untersetzungsgetriebe ermöglichen es dem Servomotor, mit einer geeigneten Drehzahl zu arbeiten, erhöhen die Steifigkeit des Maschinengehäuses und ermöglichen die Abgabe eines höheren Drehmoments. Es gibt heute zwei gängige Untersetzungsgetriebe: Harmonic-Drive-Getriebe und RV-Getriebe.
3. Steuerungssystem
DerRobotersteuerungssystemDas Steuerungssystem ist das Gehirn des Roboters und der Hauptfaktor, der seine Funktionen und Eigenschaften bestimmt. Es sendet gemäß dem eingegebenen Programm Befehlssignale an das Antriebssystem und den Ausführungsmechanismus und steuert diese. Die Hauptaufgabe des Steuerungssystems ist die Steuerung des Antriebssystems und des Ausführungsmechanismus.Industrieroboter Die Steuerungstechnologie dient dazu, den Aktionsbereich, die Körperhaltung, die Bewegungsbahn und die Handlungszeit zu steuern.IndustrieroboterEs befindet sich im Arbeitsbereich. Es zeichnet sich durch einfache Programmierung, Bedienung über Softwaremenüs, benutzerfreundliche Mensch-Computer-Schnittstelle, Online-Bedienhinweise und komfortable Nutzung aus. Das Steuerungssystem ist das Herzstück des Roboters, und relevante ausländische Unternehmen arbeiten eng mit unseren Forschungseinrichtungen zusammen. In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Mikroelektronik die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren stetig gesteigert, während der Preis immer weiter gesunken ist. Mittlerweile sind 32-Bit-Mikroprozessoren für 1–2 US-Dollar auf dem Markt erhältlich. Diese kostengünstigen Mikroprozessoren eröffnen neue Entwicklungsmöglichkeiten für Robotersteuerungen und ermöglichen die Entwicklung preiswerter, aber dennoch leistungsstarker Systeme. Um dem System ausreichende Rechen- und Speicherkapazität zu verleihen, bestehen Robotersteuerungen heute zumeist aus leistungsstarken Chips der Serien ARM, DSP, POWERPC, Intel und anderer Hersteller. Da die Funktionen und Merkmale bestehender Allzweck-Chips die Anforderungen mancher Robotersysteme hinsichtlich Preis, Funktionalität, Integration und Schnittstellen nicht vollständig erfüllen können, ist die Nachfrage nach SoC-Technologie (System-on-Chip) in der Robotik gestiegen. Der Prozessor ist mit den benötigten Schnittstellen integriert, was die Entwicklung peripherer Systemschaltungen vereinfacht, die Systemgröße reduziert und die Kosten senkt. Actel integriert beispielsweise NEOS- oder ARM7-Prozessorkerne in seine FPGA-Produkte und bildet so ein komplettes SoC-System. Im Bereich der Robotersteuerungen konzentriert sich die Forschung hauptsächlich auf die USA und Japan, wo bereits ausgereifte Produkte wie die der amerikanischen Firma DELTATAU und der japanischen Firma Pengli Co., Ltd. existieren. Deren Bewegungssteuerungen basieren auf DSP-Technologie und verwenden eine PC-basierte, offene Architektur. 4. Endeffektor Der Endeffektor ist eine Komponente, die am letzten Gelenk des Manipulators befestigt ist. Er dient im Allgemeinen zum Greifen von Objekten, zur Verbindung mit anderen Mechanismen und zur Ausführung erforderlicher Aufgaben. Roboterhersteller entwickeln und verkaufen in der Regel keine Endeffektoren; meist bieten sie lediglich einen einfachen Greifer an. Üblicherweise wird der Endeffektor am 6-Achs-Flansch des Roboters montiert, um Aufgaben in einer bestimmten Umgebung zu erledigen, wie beispielsweise Schweißen, Lackieren, Kleben sowie das Be- und Entladen von Teilen – Aufgaben, die Roboter erfordern.
Übersicht über Servomotoren Der Servotreiber, auch Servoregler oder Servoverstärker genannt, ist ein Steuergerät zur Ansteuerung von Servomotoren. Seine Funktion ähnelt der eines Frequenzumrichters bei herkömmlichen Wechselstrommotoren und er ist Bestandteil des Servosystems. Im Allgemeinen wird der Servomotor über drei Parameter gesteuert: Position, Drehzahl und Drehmoment, um eine hochpräzise Positionierung des Antriebssystems zu erreichen.
1. Klassifizierung von Servomotoren Es wird in zwei Kategorien unterteilt: Gleichstrom- und Wechselstrom-Servomotoren.
Wechselstrom-Servomotoren werden weiter in Asynchron- und Synchron-Servomotoren unterteilt. Derzeit ersetzen Wechselstromsysteme zunehmend Gleichstromsysteme. Im Vergleich zu Gleichstromsystemen bieten Wechselstrom-Servomotoren Vorteile wie hohe Zuverlässigkeit, gute Wärmeableitung, geringes Trägheitsmoment und die Fähigkeit, unter hohem Druck zu arbeiten. Da sie keine Bürsten und kein Lenkgetriebe besitzen, handelt es sich beim Wechselstrom-Servosystem um ein bürstenloses Servosystem. Die darin verwendeten Motoren sind Käfigläufer-Asynchronmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren mit bürstenloser Bauweise. 1) Gleichstrom-Servomotoren werden in Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren unterteilt.
①Bürstenmotoren zeichnen sich durch niedrige Kosten, einfache Struktur, hohes Anlaufdrehmoment, breiten Drehzahlbereich und einfache Steuerung aus. Sie erfordern Wartung, die jedoch einfach zu warten ist (Austausch der Kohlebürsten), erzeugen elektromagnetische Störungen, stellen Anforderungen an die Einsatzumgebung und werden üblicherweise in kostenbewussten industriellen und zivilen Umgebungen eingesetzt.
②Bürstenlose Motoren sind klein und leicht, liefern hohe Leistung und reagieren schnell. Sie zeichnen sich durch hohe Drehzahl, geringe Massenträgheit, stabiles Drehmoment und ruhigen Lauf aus. Die Steuerung ist komplex und intelligent. Die elektronische Kommutierungsmethode ist flexibel und kann sowohl mit Rechteck- als auch mit Sinuswellen kommutieren. Der Motor ist wartungsfrei und effizient. Energiesparend, mit geringer elektromagnetischer Strahlung, niedriger Wärmeentwicklung und langer Lebensdauer eignet er sich für verschiedene Umgebungen.
2. Eigenschaften verschiedener Servomotortypen
1) Vor- und Nachteile von Gleichstrom-Servomotoren Vorteile: präzise Drehzahlregelung, sehr hohe Drehmoment- und Drehzahlcharakteristik, einfaches Steuerungsprinzip, einfache Bedienung und günstiger Preis. Nachteile: Bürstenkommutierung, Drehzahlbegrenzung, zusätzlicher Widerstand, Entstehung von Verschleißpartikeln (nicht geeignet für staubfreie und explosionsgefährdete Bereiche)
2) Vor- und Nachteile von Wechselstrom-Servomotoren Vorteile: gute Drehzahlregelungseigenschaften, gleichmäßige Regelung im gesamten Drehzahlbereich, nahezu keine Schwingungen, hoher Wirkungsgrad von über 90 %, geringe Wärmeentwicklung, Hochgeschwindigkeitsregelung, hochpräzise Positionsregelung (abhängig von der Genauigkeit des Encoders), innerhalb des Nennbetriebsbereichs werden ein konstantes Drehmoment, eine geringe Trägheit, geringe Geräuschentwicklung, kein Bürstenverschleiß und Wartungsfreiheit erreicht (geeignet für staubfreie und explosionsgefährdete Bereiche). Nachteile: Die Steuerung ist komplizierter, die Treiberparameter müssen vor Ort angepasst und die PID-Parameter bestimmt werden, und es sind mehr Verbindungen erforderlich. Heutzutage verwenden gängige Servoantriebe digitale Signalprozessoren (DSPs) als Steuerungskern. Diese ermöglichen die Implementierung relativ komplexer Steuerungsalgorithmen und realisieren Digitalisierung, Vernetzung und intelligente Funktionen. Leistungselektronik basiert in der Regel auf Treiberschaltungen mit intelligenten Leistungsmodulen (IPMs). Das IPM integriert die Treiberschaltung und verfügt über Fehlererkennungs- und Schutzschaltungen gegen Überspannung, Überstrom, Überhitzung und Unterspannung. Zusätzlich ist eine Startschaltung in die Hauptschaltung integriert, um die Auswirkungen des Anlaufvorgangs auf den Treiber zu minimieren. Die Antriebseinheit gleichrichtet zunächst die eingehende Drehstrom- oder Netzspannung mittels eines Drehstrom-Vollbrückengleichrichters, um den entsprechenden Gleichstrom zu erzeugen. Dieser wird anschließend durch einen dreiphasigen Sinus-PWM-Spannungsumrichter in die gewünschte Frequenz umgewandelt, um einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchron-Wechselstrom-Servomotor anzusteuern. Der gesamte Prozess der Antriebseinheit lässt sich vereinfacht als AC-DC-AC-Prozess beschreiben. Die Hauptschaltung der Gleichrichtereinheit (AC-DC) ist eine dreiphasige Vollbrücken-Gleichrichterschaltung ohne Steuerung.
Explosionszeichnung des Oberschwingungsreduzierers Das japanische Unternehmen Nabtesco benötigte sechs bis sieben Jahre von der ersten Entwicklung des RV-Getriebes Anfang der 1980er-Jahre bis zum Durchbruch in der RV-Getriebeforschung im Jahr 1986. Auch Nantong Zhenkang und Hengfengtai, die als erste in China Ergebnisse erzielten, brauchten sechs bis acht Jahre. Bedeutet das, dass unsere lokalen Unternehmen keine Chancen haben? Die gute Nachricht ist: Nach jahrelanger Anwendung haben chinesische Unternehmen endlich einige Durchbrüche erzielt.
*Der Artikel wurde aus dem Internet reproduziert. Bitte kontaktieren Sie uns, damit wir ihn wegen Urheberrechtsverletzung entfernen können.
Veröffentlichungsdatum: 15. September 2023
