Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Industrierobotern durch adaptive Getriebevorspannung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Nejila Parspour; Professor Dr.-Ing. Alexander Verl
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451271315

Industrieroboter (IR) bieten signifikante Vorteile gegenüber klassischen Werkzeugmaschinen in Bezug auf einen größeren Arbeitsraum, höhere Flexibilität und geringere Kosten. Allerdings begrenzt die, im Vergleich zu den herkömmlichen Werkzeugmaschinen, geringere Bahngenauigkeit von IR die Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere bei Bearbeitungsaufgaben, bei denen die Bahntreue eine ausschlaggebende Größe für die Güte des Fertigungsprozesses darstellt, unterliegt die Genauigkeit von IR herkömmlichen Werkzeugmaschinen um einen Faktor von 100 bis 1000. Dieser Umstand verhindert den verbreiteten Einsatz von IR für viele Bearbeitungsverfahren. Gründe für die auftretenden Bahnfehler sind insbesondere in der nichtlinearen Dynamik der Robotergelenke zu suchen. Die Nichtlinearität äußert sich in einer Hysterese des Getriebeübertragungsverhalten, das aus dem komplexen Zusammenspiel von Elastizitäten, Reibungskräften und den auf das Getriebe wirkenden Lasten herrührt. Dieses Hystereseverhalten unterliegt, bei klassischen Robotergetriebebauarten, Umkehrspiel sowie einem Steifigkeitsverlust im Lastwechsel und führt damit zu einer für die Bearbeitung ungünstigen Systemdynamik. Die Bearbeitung mit IR wird am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) bereits seit einigen Jahren experimentell untersucht. Das Institut für elektrische Energiewandlung (IEW) der Universität Stuttgart hat nun ein neuartiges Antriebskonzept entwickelt und patentiert, das zusätzliche Aktoren in die übersetzenden Getriebeelementen integriert. Dieses Konzept bietet das Potential, die Genauigkeit und dynamischen Eigenschaften deutlich zu verbessern, indem durch adaptives Vorspannen des Getriebes das Hystereseverhalten in einen günstigeren Betriebspunkt verschoben wird. Inwiefern das Antriebskonzept eine Verbesserung der Dynamik von IR erlaubt und zu einer Genauigkeitssteigerung bei Bearbeitungsaufgaben geeignet ist, soll im Rahmen dieses Forschungsprojektes anhand eines Prototyps untersucht werden. Hierbei sollen auch grundlegende Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie sich die notwendige Vorspannung des Getriebes regelungstechnisch realisieren lässt. Für die Entwicklung und Aufbau des Prototyps als auch für den Entwurf der Regelung zur adaptiven Vorspannung ist eine disziplinübergreifende Fachkompetenz in den Bereichen Antriebstechnik, Regelung und Bearbeitungsrobotik notwendig, weshalb das Forschungsprojekt von IEW und ISW in enger Kooperation durchgeführt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Armin Lechler