Elmo Motion Control Servoantriebe optimieren ersten chinesischen kollaborativen Roboter

Redakteur: Stefanie Michel

Der Roboterhersteller Siasun hat die Entwicklung des ersten kollaborierenden Roboters aus chinesischer Herstellung abgeschlossen und nutzt dabei die Servoantriebstechnik von Elmo. Dabei kommen kompakte, leistungsstarke und netzwerkfähige Servoregler zum Einsatz, die unmittelbar an den Robotergelenken montiert werden.

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Der erste chinesische kollaborative Roboter: Für das Teach-in bewegt der Bediener den Roboterarm zu den Schlüsselpositionen des Verfahrwegs.
Der erste chinesische kollaborative Roboter: Für das Teach-in bewegt der Bediener den Roboterarm zu den Schlüsselpositionen des Verfahrwegs.
(Bild: Saisun)

Dies biete Vorteile in Bezug auf Effizienz, Bauraum, Robustheit, Minimierung der Verkabelung, Störaussendung (EMI) und – ganz allgemein – Zuverlässigkeit des Systems. Der Einsatz von zwei parallelen Servosystemen und von hochauflösenden Absolut-Encodern waren nur zwei von vielen Herausforderungen, die während der Entwicklung zu lösen waren. Ergebnis ist ein Siebenachs-Roboter für die unmittelbare Kooperation mit dem Menschen.

Servoantriebstechnik setzt Roboter in Bewegung

Die kompakten und leistungsstarken Ethercat-Gold-Servoregler von Elmo wurden für diese Aufgabe ausgewählt. Die Servoregler sind direkt an den Gelenken der Roboterarme montiert – das ist die beste Wahl, um die kompakte Bauform des Roboters zu gewährleisten. Zwei weitere kompakte Servoregler vom Typ „Gold Solo Guitar“ treiben die beiden Grundachsen an, auf der sich die gesamte mechanische Struktur des Roboters bewegt. Die Möglichkeit, diese Motoren kontinuierlich mit Stromstärken bis 50 A und mit Spitzen bis 100 A zu betreiben, schafft eine zentrale Voraussetzung für das Erreichen der geforderten Werte bei Achsgeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung.

Darüber hinaus sind pro Roboter fünf Miniaturservoregler der Baureihe „Gold Solo Whistle“ installiert. Sie treiben die fünf weiteren Achsen an und können dauerhaft mit 20 A (Spitzenlast 40 A) betrieben werden. Alle Antriebe arbeiten mit maximalen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Verzögerungsraten und können andererseits auch bei niedrigen Geschwindigkeiten und sehr hoher Positioniergenauigkeit betrieben werden.

Diese ganz gegensätzlichen Anforderungen mit ein und demselben Servoregler zu erfüllen, setzt einen hohen dynamischen Strombereich von 1:2000 voraus sowie sehr kurze Antwortzeiten. Erreichbar ist dies mit Servoreglern, die direkt am Robotergelenk installiert werden. Die Position der Servoregler in unmittelbarer Nähe zum Feedbacksystem bietet auch die Vorteile minimierter Verkabelung und geringer Beeinflussung zum Beispiel durch Elektromagnetismus (EMI) und Funksignale (RFI) sowie eine extrem hohe Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Die optimale Performance der Servoantriebe erzielen

Ebenfalls eingesetzt wurde das Konfigurations-Tool von Elmo. Das „Elmo Application Studio EASII“ unterstützte die Entwickler bei der Abstimmung aller Servoregler im Netzwerk und im Zusammenspiel, um eine optimale Performance der Servoantriebe zu erzielen. Zu den Funktionen, die für eine höchstmögliche Leistung implementiert wurden, gehörten eine zuverlässige Systemidentifikation, das passende Controller-Design und Filter höherer Ordnung, die Unregelmäßigkeiten im mechanischen Antriebsstrang kompensieren. Außerdem kommen vereinfachte Modi für die Multi-Achs-Identifikation mit einer besonderen Art der Positionserfassung zur Anwendung, um die Crossover-Effekte zwischen den einzelnen Achsen zu beherrschen.

Laut Hersteller tragen diese und weitere Features dazu bei, dass das System mit der größtmöglichen Bandbreite arbeitet sowie mit kürzester Reaktionszeit, wobei dennoch die Stabilität und sanfte Bewegungsabläufe gewährleistet bleiben.

Multi- Achs-Controller für Echtzeitberechnung der Roboterbewegung

Elmo hat eine umfangreiche Expertise bei der Belieferung von Roboterherstellern mit Multiachsantrieben. Dabei kommt meist 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 P-MAS eine Echtzeitcode-Sektion für individuelle Applikationen. Diese Sektion ermöglicht es den Roboterentwicklern, ihre eigenen Kinematik-Gleichungen 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 P-MAS basiert auf neuester 4-Core-Prozessortechnik. Er kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn die Applikation die Echtzeitberechnung der Roboterbewegungen mit Netzwerk-Zykluszeiten von 250 μs 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.

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Teach-in des Roboters ohne Programmierkenntnisse

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 „Cyclic Synchronous Torque“-Modus (CST). Der Controller berücksichtigt nicht nur den Drehmomentbedarf, sondern auch zusätzlichen Strom beziehungsweise zusätzliches Drehmoment, um Faktoren wie Schwerkraft und Eigendynamik zu kompensieren. Zu den Highlights dieser Antriebslösung gehört das einfache Teach-in, für das keine Programmierkenntnisse erforderlich sind, so der Hersteller.

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 beziehungsweise entsprechend den Anforderungen erhöht. Die Treiber arbeiten im „Cyclic Synchronous Position -(CSP) oder im „Cyclic Synchronous Velocity“-(CSV)-Modus und verarbeiten Befehle für Position, Geschwindigkeit und Drehmomentkompensation.

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