Servoregler für MRK-Roboter

Performance direkt am Gelenk

Der Roboterhersteller Siasun hat die Entwicklung des ersten kollaborierenden Roboters aus chinesischer Herstellung abgeschlossen. Dabei setzt er auf hochkompakte, leistungsstarke und netzwerkfähige Servoregler, die unmittelbar an den Robotergelenken montiert werden. Damit einher geht eine Vielzahl an Vorteilen.

Der Mehrachs-Controller Platinum Maestro (P-MAS) verfügt über Funktionen wie kartesische Koordinaten, Scara, 3-Link und Delta. (Bild: Elmo Motion Control Ltd.)

Siasun hat sich bei der Servoantriebstechnik für Produkte von Elmo entschieden und kann dadurch Vorteile in Bezug auf Effizienz, Bauraum, Robustheit, Verkabelungsaufwand, Störaussendung und Zuverlässigkeit nutzen. Der Einsatz von zwei parallelen Servosystemen und von hochauflösenden Absolut-Encodern waren zwei der Herausforderungen, die während der Entwicklung zu lösen waren. Das Ergebnis ist ein ausgereifter, leistungsfähiger Siebenachsroboter für die unmittelbare Kooperation mit dem Menschen.

Leistungsstarke Servoregler

Um die kompakte Bauform des Roboters zu ermöglichen, sind hochkompakte und leistungsstarke Elmo-Servoregler des Typs Ethercat Gold direkt an den Gelenken der Roboterarme montiert. Zwei Gold-Solo-Guitar-Antriebe treiben die beiden Grundachsen an, auf denen sich die gesamte mechanische Struktur des Roboters bewegt. Die Möglichkeit, die Motoren kontinuierlich mit Stromstärken bis 50A und mit Spitzen bis 100A zu betreiben, schafft eine zentrale Voraussetzung für das Erreichen der geforderten Werte bei Achsgeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung. Darüber hinaus sind pro Roboter fünf Miniatur-Servoregler der Baureihe Gold Solo Whistle installiert. Sie treiben die fünf weiteren Achsen an und lassen sich dauerhaft mit 20A (Spitzenlast 40A) betreiben. Alle Antriebe arbeiten mit hohen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Verzögerungsraten und lassen sich andererseits auch bei niedrigen Geschwindigkeiten und sehr hoher Positioniergenauigkeit betreiben. Diese gegensätzlichen Anforderungen mit ein und demselben Servoregler zu erfüllen, setzt einen dynamischen Strombereich von 1:2000 voraus sowie sehr kurze Antwortzeiten. Erreichbar war das in der Praxis nur, indem die Servoregler direkt am Robotergelenk installiert wurden. Die Position in unmittelbarer Nähe zum Feedbacksystem bietet aber auch Vorteile hinsichtlich der Verkabelung und der elektromagnetischen Verträglichkeit. Zudem sorgen sie für eine sehr hohe Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Tool für die Reglerabstimmung

Ebenfalls eingesetzt wurde das funktionale, aber einfach zu bedienende Konfigurations-Tool von Elmo. Die Software EASII (Elmo Application Studio) unterstützte die Entwickler bei der Abstimmung aller Servoregler im Zusammenspiel, um die bestmögliche Servo-Performance zu erzielen. Zu den Funktionen, die dabei implementiert wurden, gehören eine zuverlässige Systemidentifikation, das passende Controller-Design und Filter höherer Ordnung, die Unregelmäßigkeiten im mechanischen Antriebsstrang kompensieren. Außerdem kommen vereinfachte Modi für die Multiachsidentifikation mit einer besonderen Art der Positionserfassung zur Anwendung, um die Crossover-Effekte zwischen den einzelnen Achsen zu beherrschen. Diese und weitere Features tragen dazu bei, dass das System mit hoher Bandbreite arbeitet sowie mit sehr kurzer Reaktionszeit, wobei dennoch die Stabilität und sanfte Bewegungsabläufe gewährleistet bleiben.

Vielseitiger Multiachs-Controller

Elmo hat eine umfangreiche Expertise bei der Belieferung von Roboterherstellern mit Multiachsantrieben. Dabei kommt zumeist der Mehrachs-Controller Platinum Maestro (P-MAS) zum Einsatz, der über Funktionen wie kartesische Koordinaten, Scara, 3-Link und Delta verfügt. Der integrierte Kinematik-Support arbeitet entweder im MCS (Machine Coordinate System)- oder PCS (Product Coordinate System)-Modus mit voller Synchronisation zu Peripheriegeräten wie Drehtischen, Förderbändern und anderen Anlagenkomponenten. Darüber hinaus bietet der Mehrachs-Controller eine Echtzeitcodesektion für individuelle Applikationen. Die Sektion ermöglicht es den Roboterentwicklern, ihre eigenen Kinematikgleichungen zu implementieren. Das schafft die Voraussetzung dafür, dass der P-MAS sämtliche High-End-Robotertypen unterstützt und die Anwender ihre eigenen Kinematikprogramme verwenden können. Der Mehrachs-Controller basiert auf moderner Quad-Core-Prozessortechnik. Er kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn die Applikation die Echtzeitberechnung der Roboterbewegungen mit Netzzykluszeiten von 250µs fordert. Die kinematischen Gleichungen, die im Controller hinterlegt sind, errechnen die Zielpositionen und -geschwindigkeiten oder das Drehmoment aller Achsen im System und stellen sie für jeden Ethercat-Zyklus bereit. Der Controller erlaubt zwei Betriebsweisen: Teaching-Modus und Betriebsmodus. Im Teaching-Modus bewegt der Bediener den Roboterarm zu der Schlüsselposition des gewünschten Verfahrwegs. Der Mehrachs-Controller zeichnet die Positionen auf, um den gesamten Bewegungsablauf im Betriebsmodus zu wiederholen. Die Treiber arbeiten dann im CST-Modus (Cyclic Synchronous Torque). Der Controller berücksichtigt nicht nur den Drehmomentbedarf, sondern auch zusätzlichen Strom bzw. zusätzliches Drehmoment, um Faktoren wie Schwerkraft und Eigendynamik zu kompensieren. Zu den Kernpunkten der Antriebslösung gehört das einfache Teach-in, für das keine Programmierkenntnisse erforderlich sind. In der zweiten Betriebsweise, dem Betriebsmodus, errechnet der Mehrachs-Controller die Zielpositionen und -geschwindigkeiten der sieben Achsen anhand des kinematischen Modells des Roboters. Wenn erforderlich, wird der Drehmomentbedarf kompensiert bzw. entsprechend den Anforderungen erhöht. Die Treiber arbeiten im CSP (Cyclic Synchronous Position)- oder im CSV (Cyclic Synchronous Velocity)-Modus und verarbeiten Befehle für Position, Geschwindigkeit und Drehmomentkompensation.