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Drive based vibration damping on industrial robots for milling operations

Subject Area Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
Term from 2016 to 2023
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 290804444
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Die Steigerung der dynamischen Bahngenauigkeit ist seit Jahrzehnten ein wichtiges Forschungsthema in der Industrierobotik. Es ist bekannt, dass die in den Robotergelenken verbauten Antriebsstränge hierbei limitierend wirken. Demgegenüber steht der Wunsch, einen größeren Marktanteil in Anwendungsgebieten mit hohen Anforderungen an die Bahngenauigkeit, wie beispielsweise der Fräsbearbeitung, zu erschließen. Als Lösungsansatz wurde in diesem Forschungsprojekt ein adaptives Regelungsverfahren für industrielle Robotermanipulatoren mit elastischen Antrieben und gelenkseitiger Positionsmessung entwickelt. Das Regelverfahren basiert auf einem vergleichsweise einfach einzustellenden, linearen Regler, der durch einen von der Manipulatorkonfiguration abhängigen Anteil mit variablen Parametern erweitert wird, um die nichtlineare Roboterdynamik zu berücksichtigen. Zur Evaluation des entwickelten Regelungsverfahrens wurden verschiedene Experimente sowohl mit als auch ohne Prozesskräfte durchgeführt, um einen großen Bereich an potentiellen Einsatzgebieten abzudecken. Anhand eines Trajektorienfolgeexperiments wurde gezeigt, dass der Regelfehler sowohl im Gelenk- als auch kartesischen Raum reduziert wird. Zur Bewertung der erzielten Verbesserung wurden die Summe des Betrags, der mittlere quadratische und der maximale Regelfehler herangezogen. In Abhängigkeit der Manipulatorkonfiguration, des verwendeten Fehlermaßes sowie der Betrachtung im Gelenk- oder kartesischen Raum wird eine Steigerung der Bahngenauigkeit um bis zu 72 % im Vergleich zum Stand der Technik erzielt. Darüber hinaus wurden Fräsversuche an Testwerkstücken aus einer Aluminiumlegierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen auf, dass der entwickelte Ansatz die Performanz soweit verbessert, dass eine Metallbearbeitung mit Genauigkeitsanforderungen im Submillimeterbereich realisiert werden kann. Es ist zu beachten, dass bei dem vorgeschlagenen Lösungsansatz die in den Gelenken verbauten Antriebe zur Bedämpfung der auftretenden Schwingung und damit zur Steigerung der dynamischen Bahngenauigkeit verwendet werden. Infolgedessen können aufgrund der Stellgrößenbegrenzung der Antriebe keine beliebigen Störgrößen bedämpft werden. Darüber hinaus wird eine ausreichende Dynamik der Antriebe im Verhältnis zu den zu bedämpfenden Eigenfrequenzen benötigt. Daran ist ersichtlich, dass der Regelungsansatz bei vergleichsweise geringen und schwach gedämpften Eigenfrequenzen ein höheres Verbesserungspotenzial aufweist. Das potentielle Einsatzgebiet des Ansatzes ist anwendungsunabhängig, da der Ansatz ohne ein spezielles Prozessmodell oder prozessspezifischen Wissen auskommt. Das Potenzial zeigt sich aufgrund des Ansatzes als Regelung vor allem unter dem Einfluss von Störkräften. Gleichzeitig weist das Regelungsverfahren eine hohe Robustheit auf, womit ein inhärenter Konservatismus einhergeht. Dies ist wichtig für die initiale industrielle Akzeptanz und ein Unterscheidungsmerkmal zu den meisten in der Literatur vorgeschlagenen nichtlinearen Regelungsansätzen. Des Weiteren wird nochmals explizit darauf hingewiesen, dass der Einfluss der Nachgiebigkeit der Strukturelemente mittels der gelenkseitigen Positionsmessung nicht erfasst wird. Infolgedessen verbessert der vorgestellte Ansatz diesen Einfluss lediglich indirekt über die Kopplung des Mehrkörpersystems. Der vorgeschlagene Ansatz ist vor allem für Manipulatoren sinnvoll, bei denen die dominierende Elastizität in der Rotationsachse der Gelenke liegt. Neben dem im Rahmen dieses Forschungsprojekts erzielten Nachweis der Funktionsweise des entwickelten Verfahrens existieren angrenzende Fragestellung, die potentielle Anknüpfungspunkte für zukünftige Forschungstätigkeiten bieten. Die aus dem Stand der Technik bekannte Nichtlinearität der Gelenksteifigkeit wird bisher nicht explizit im Reglerentwurf berücksichtigt. Es ist bekannt, dass die Gelenksteifigkeit in Abhängigkeit der Gelenktorsion variiert. Da diese über die gelenkseitige Positionsmessung indirekt im Betrieb erfasst wird, ist prinzipiell eine erweiterte Modellierung mit einer zusätzlichen linearen Abhängigkeit mittels der LPV-Methodik realisierbar. Hierbei ist zu untersuchen, ob die zusätzliche Komplexität bei der Modellierung, Identifikation und dem Reglerentwurf in Relation zur Performanzverbesserung durch die Verringerung des Grades an Konservatismus steht. Zusammengefasst kann mit dem in den beiden Förderperioden entwickelten Regelungsverfahren ein Beitrag zur Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften Industrierobotern geleistet werden. Das Potential und die industrielle Verwertbarkeit der Methoden können aufgrund des Einsatzes industrieller HW- und SW-Komponenten als grundsätzlich positiv angesehen werden. Mittels des systematischen Vorgehens zur Auslegung des adaptiven Reglers und der vergleichsweise einfachen Reglerstruktur kann der Entwurf weitestgehend automatisiert, jedoch zumindest systematisiert, werden, sodass die Inbetriebnahme durch einen Servicetechniker realisierbar ist.

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