21.08.2019

Anforderungen an Industrieroboterarme

Neue Basis für Cobots

Traditionelle Industrieroboterarme erfordern meist hohe Anfangsinvestitionen und eine aufwändige Programmierung bei geringer Flexibilität. Der Stand der Technik erlaubt es jedoch zunehmend, Roboter einfach und interaktiv zu programmieren. Sensoren und moderne Steuerungstechnik ermöglichen es dabei Menschen, Hand in Hand mit Robotern zu arbeiten und neue Möglichkeiten in der Arbeits- und Produktionsplanung zu erschließen.


Die runde Hohlwellenarchitektur ist ein Merkmal von Kleinspannungsservoreglern.
Bild: Synapticon GmbH

Die technischen Anforderungen an kollaborative Roboter unterscheiden sich von denen für herkömmliche Industrieroboter. Sie sind nicht für Anwendungen mit hoher Präzision, Geschwindigkeit und das Bewegen großer Lasten geeignet. Dafür sind Cobots flexibel und arbeiten ähnlich schnell wie ein Mensch. Cobot-Arme bestehen normalerweise aus sechs oder sieben Achsen, um die Fingerfertigkeit eines menschlichen Arms zu simulieren.

Bessere Interaktion über integrierte Sensoren

Die einfache und sichere Interaktion mit Menschen ist ein wesentliches Merkmal jedes Cobots. Eine einfache Handführung ist für ein präzises und schnelles Einlernen der Aufgaben wichtig. Im automatischen Betrieb müssen Kollisionen mit Gegenständen und Menschen sehr schnell erkannt werden. Daher muss der Roboter entsprechend schnell reagieren können. Ein typisches Cobot-Gelenk ist meist mit zwei Positionsgebern und einem Drehmomentsensor ausgestattet. Die zwei Geber in Kombination erfüllen gleich mehrere Anforderungen wie den Spiel-/Torsionsausgleich des Getriebes, die Ermittlung der absoluten Gelenkposition und die Redundanz. Die gemessenen Drehmomentsignale werden zum Ausgleich der Schwerkraft und damit zum scheinbaren Schweben des Roboters während der Handführung verwendet. Weiterhin sollen sie eine zuverlässige und schnelle Kollisionserkennung gewährleisten.

Dezentraler Ansatz reduziert Verkabelung

Komplexe Montage- und Materialbearbeitungsaufgaben erfordern eine permanente aktive Regelung der Roboterkräfte. Jedes Gelenk eines Cobots enthält typischerweise einen Dreiphasensynchronmotor, eine Bremse, zwei Geber und einen Drehmomentsensor. Die Verkabelung der Komponenten mit einer zentralen Einheit erfordert bis zu 200 Leitungen und Signale zwischen dem Roboterarm und dem Schaltschrank. Dagegen reduziert ein dezentraler Ansatz die Verkabelung durch den Roboter. Im Idealfall muss jeweils nur eine Kommunikations- und Stromleitung durch die gesamte Roboterstruktur geführt werden. Einzelne Antriebsregler in einem Cobot stellen bei der Dezentralisierung alle erforderlichen Schnittstellen lokal zur Verfügung. Gleichzeitig gewährleisten sie Echtzeitsteuerungsfunktionen ähnlich wie zentrale Steuerungsarchitekturen.

Hohe Integrationsdichte

Da eigene Lösungen und individuelle Elektroniken sehr teuer und aufwändig sind, scheuen viele Unternehmen in Europa die Entwicklung eigener Cobot-Produkte. Die enge mechanische Integration der Komponenten durch runde Hohlwellenservoantriebe ist günstiger und kompakter. In jeder Achse befindet sich ein geregeltes Drehmoment. Durch dieses resultieren geringe Anforderungen an die Robotersteuerung und der Cobot kann feinfühlig agieren. Kleinspannungsservoregler wurden speziell als Lösung für integrierte Achsen im Umfeld der kollaborativen Robotik entwickelt. Ihre zentralen Merkmale sind eine kreisrunde Hohlwellenarchitektur sowie integrierte Positionssensoren bzw. Encoder. Durch die hohe Integrationsdichte ist keine Übertragung zwischen einem separaten Encoder und dem Antrieb erforderlich.

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Basis mit vollintegrierten Achsen

Roboter auf der Basis hochintegrierter Servoregler benötigen weniger Verkabelung und können meist vollständig auf Schaltschränke verzichten. Die Antriebe sind kompakt und leistungsstark und können deswegen direkt in den Roboterarm integriert werden. Sie bieten alle erforderlichen lokalen Schnittstellen zur Bremsenintegration, Rückmeldesensorik in den Antrieben, Kraftregelung und Verbesserung der mechanischen Integrationsdichte. Servo Nodes unterstützen dezentralisierte Systeme und ermöglichen eine eigenständige Steuerungsintelligenz auf kleinem Raum. Das hat bei Cobots, Scara-Robotern und bei traditionellen Sechsachsarmen Vorteile. Sie eignen sich aufgrund ihrer runden Form und den Hohlwellendurchmessern von 20 bis 40mm für vollintegrierte Achsen von 12 bis 60V. Die Nodes produzieren im Betrieb auf kleiner Fläche wenig Wärme und sichern so einen hohen Leistungsgrad und Energieeffizienz. Sie verfügen über integrierte Encoder mit einer batteriebetriebenen, automatisch kalibrierbaren Multi-Turn-Option.

Sicherheitsfunktionen und Schnittstellen

Die Antriebe bieten Onboard-Sicherheitsfunktionen wie STO und SBC über I/Os mit 24V. Da die Kabelverbindungen einfach durchgeschleift werden können, ist die Verkabelung für Ethercat, Logic Voltage sowie STO und SBC einfach. Zusätzlich gibt es eine Schnittstelle zu externen Encodern für ABZ, SSI, BiSS-C und A-Format sowie eine direkte Schnittstelle für einen integrierten Motortemperatursensor. Weitere Merkmale der Servo Nodes sind z.B. die modulare Struktur für eine schnelle Modifizierung, eine drehmomentbasierte Leistungskontrolle und Smart Break. Sie verfügen zudem über Dual-Loop Control und weitere Funktionen für die spezialisierte Hard- und Software.

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