Wer die richtige Balance zwischen Modularisierung und zentraler Koordination der Achsen findet, hat Erfolg. Dabei gibt es verschiedene Punkte zu beachten. Arm- oder Beinprothesen sind typische Beispiele für mechatronische Systeme. Die eingesetzten Motoren können ganz unterschiedlichen Zwecken dienen: der Bewegung eines Greifers, eines einzelnen Fingers oder der Bewegung eines ganzen Arms oder Beins. Der Motor am Schultergelenk muss relativ stark und gross sein, die Motoren in der Hand klein und leicht, um Gewicht und Massenträgheit zu sparen. Die Auswahl des Motors richtet sich nach dem benötigten Drehmoment und der Dynamik der Anwendung. Dabei ist die Dynamik weniger eine Frage der Rotationsgeschwindigkeit als des Beschleunigungsvermögens, d. h. des Verhältnisses von Drehmoment zu Massenträgheit. Regelungstechnisch hat die verwendete Mechanik einen grossen Einfluss. Einerseits tragen mechanische Komponenten zur Massenträgheit bei, können eine Lastträgheit aber auch auf ein «erträgliches» Mass für den Motor verkleinern. So reduziert ein untersetzendes Getriebe die Massenträgheit mit dem Quadrat der Untersetzung. Andererseits weisen mechanische Komponenten Spiel und elastisches Verhalten auf. Das erschwert eine steife und genaue Regelung. Bei hochpräzisen und hochdynamischen Anwendungen versucht man deshalb, Direktantriebe zu verwenden. Das können drehmomentstarke Torque-Motoren sein oder echte Linearmotoren bei translativen Lastbewegungen.
Der zentrale Rechner sendet Befehle, aber gesteuert wird lokal
Modularisierung für Antriebe heisst: Jeder Motor wird lokal über einen intelligenten Regler angesteuert. Die Bewegungsbefehle verschickt der zentrale Rechner über einen Feldbus. Solche dezentralen Strategien erlauben eine hohe Flexibilität und haben verschiedene Vorteile:
- Das Reglermodul kann präzise auf den jeweiligen Motortyp angepasst werden, was Leistung, Gestaltung der Endstufe und Regelparameter betrifft
- Die lokale Verkabelung von Motor und Istwertgeber spart die aufwändige Abschirmung. Einzig die Busleitung und die Leistung müssen an das jeweilige Modul geführt werden
- Modularisierung erlaubt, kostengünstige Standardkomponenten einzusetzen. Der Entwicklungsaufwand fokussiert sich auf die Integration ins Gesamtsystem
Im einfachsten Fall müssen mehrere Achsen unabhängig voneinander eingestellt werden. Wie bei einem Greifer, der auf einem x-y-Tisch montiert ist. Der Greifer kann einen Gegenstand packen und loslassen – unabhängig von der aktuellen Position. Die Bewegung in x- und y-Richtung an eine bestimmte Position, kann nacheinander oder miteinander erfolgen. Man spricht hier von lose gekoppelten Achsen, die über den Feldbus einzelne Bewegungsbefehle vom zentralen Mastersystem erhalten. In den Modulen werden die Bewegungen autonom ausgeführt und geregelt. Im maxon-Portfolio entspricht die EPOS-Produktfamilie im Positioniermodus solchen lose gekoppelten dezentralen Modulen. EPOS-Positioniersteuerungen spricht man über den günstigen und kompakt zu bauenden, aber mit 1 MBit/s nicht allzu schnellen CANopen-Feldbus an. Doch diese Regelungsart stösst an Grenzen. Zum präzisen Zuschneiden von Leder oder Folien auf einem x-y-Tisch, müssen die Achsen viel stärker koordiniert und synchronisiert sein.
Zentrale Bahnplanung und Regelung für komplexe Aufgaben
Bei komplexeren Aufgabenstellungen erfolgt die Koordination der Achsen zentral. In Delta-Robotern sind drei Motoren mechanisch eng gekoppelt und ihre Ansteuerung muss aufeinander abgestimmt sein. Weitere Beispiele für sehr präzise und dynamische Synchronisation finden sich in Produktionsanlagen, wo Teile «fliegend» bearbeitet werden.
In Systemen mit eng gekoppelten Achsen wird der Positionsregelkreis nicht mehr lokal im Modul geschlossen, sondern zentral im Master. Die Module dienen entweder als Geschwindigkeitsregler oder werden bei höchsten Anforderungen an Dynamik im Stromreglermodus betrieben. Jede Achse sendet Informationen zum Bewegungszustand an den Rechner. Die zentrale Bahnplanung und Regelung leitet daraus Bewegungsbefehle für das weitere Vorgehen ab und verschickt diese an die einzelnen Achsen. Eng gekoppelte Systeme benötigen ein Echtzeit-Bussystem mit genügender Bandbreite. Die Rechenkapazität von Motion Controller und Mastersystem müssen diesen Anforderungen ebenfalls genügen.
Im maxon-Portfolio steht für solche hochdynamischen Anwendungen die MAXPOS bereit. Dieser EtherCAT-Slave-Motion-Controller empfängt Bewegungs- und I/O-Befehle von einem übergeordneten EtherCAT-Master, welcher die Prozessablaufsteuerung übernimmt. Die sehr schnellen Regler in Verbindung mit den vielfältigen Feedbackmöglichkeiten schaffen beste Voraussetzungen für den Betrieb in High-Performance-Anwendungen.
Feedback-Sensoren statt aufwendige Referenzfahrten
Standardsensoren bei Kleinstantrieben sind digitale oder analoge Inkrementalencoder. Sie liefern die Positionsinformation relativ zu einer Referenzposition, die beim Start ermittelt werden muss. Bei komplexen Mehrachssystemen ist eine Referenzfahrt aber oft unerwünscht oder nicht möglich. Man denke an einen Roboterarm mit Gelenken. In welcher Reihenfolge müssen die Referenzfahrten der einzelnen Gelenke durchgeführt werden, ohne die Anlage zu beschädigen, wenn die Ausgangsstellung des Arms unbekannt ist?
Absolutencoder erkennen die absolute Stellung der einzelnen Achsen gleich beim Start. Sie sind relativ einfach realisierbar, wenn die Winkelposition nur innerhalb einer Motorumdrehung kodiert werden muss (single turn). Multiturn-Encoder erfordern zusätzlich einen Mechanismus zur Bestimmung und Speicherung der Anzahl Umdrehungen der Motorwelle; auch im ausgeschalteten Zustand, wenn beispielsweise der Roboterarm von Hand verstellt wird.
Fazit
Robotik ist Mechatronik in Reinkultur. Sie kann nur erfolgreich und wirtschaftlich sein, wenn ein ausgewogenes Verhältnis von Integration und Modularisierung gefunden wird. Integration ergibt das erfolgreiche Gesamt- paket, Modularisierung erlaubt das wirtschaftliche Verwenden von Standardkomponenten. Dabei ist nicht zu vergessen: Bewegungsgüte ergibt sich aus dem erfolgreichen Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten: Regler, Leistungselemente, Sensoren, Mechanik und Lasteigenschaften. Es nützt nichts, ein einzelnes Element zu optimieren.
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