Labor Mechatronik SS 2008 - TUHH · 2008. 5. 2. · Labor Mechatronik SS 2008 ... (Weitere Daten siehe Bosch SR60-Handbuch) Vor Inbetriebnahme des Roboters muss jeder Student eine

Nur zu Lehrzwecken

Labor Mechatronik SS 2008

Aufgabenstellung zum Laborversuch

Prüfung der Positioniergenauigkeit eines Industrieroboters

Technische Universität Hamburg-Harburg

Arbeitsbereich Werkzeugmaschinen und Automatisierungstechnik

Denickestraße 17

21073 Hamburg

Privatdozent Dr.-Ing. habil. J. Wollnack

Tel. (040) 42878-3494

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- 2 - Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Labor Mechatronik SS 2008 ...............................................................................................1

1 Einleitung ....................................................................................................................3

2 Ziele der Untersuchung..............................................................................................3

3 Sicherheitseinweisung und Sicherheitsaspekte........................................................5

4 Versuchsbeschreibung ...............................................................................................5

4.1 Messungen zum Positionierverhalten ......................................................................5

4.2 Messungen zum Fügeverhalten (optional)...............................................................6

4.3 Gliederung des Versuches........................................................................................6

4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes ............................................................................6

4.3.2 Voruntersuchungen...........................................................................................7

4.3.3 Wiederholgenauigkeitsmessung .......................................................................7

4.3.4 Fügeversuch (optional) .....................................................................................8

4.3.5 Gerätebeschreibung ..........................................................................................9

4.3.5.1 Industrieroboter Bosch SR 60....................................................................9

4.3.5.2 Wichtige technische Daten ........................................................................9

4.3.5.3 Robotersteuerung "Bosch RHO 2" ..........................................................11

4.3.5.4 Bosch Programmiersystem ......................................................................12

4.3.5.5 Messgeräte ...............................................................................................14

4.3.6 Beschreibung der Fügeteile (optional)............................................................17

4.3.7 Statistische Grundlagen zur Wiederholgenauigkeitsmessung ........................18

5 Wichtige Fragestellungen.........................................................................................19

6 Anlagen......................................................................................................................22

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1 Einleitung

Im Bereich der Produktionstechnik nimmt die Montage einen bedeutenden Stellenwert ein. Die

Vielschichtigkeit der möglichen Aufgabenstellungen in unterschiedlichen Industriebereichen und

die Komplexität der Aufgaben führen zu einer Fülle von Hemmnissen und Restriktionen beim

Einsatz von automatisierten Handhabungsgeräten. Dies ist einer der Beweggründe für den bisher

verhaltenen Einsatz von Industrierobotern im Bereich der automatisierten Montage.

Das Wissen um die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Produktionsmittel im Zusammenhang mit

einer bestimmten Aufgabenstellung ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg einer

Automatisierungsbemühung. Im Rahmen des Mechatronic-Labors sollen Untersuchungen vor-

genommen werden, die dem Zweck einer besseren Voraussage bezüglich der Eignung eines Hand-

habungsgerätes, im allgemeinem wie auch aufgabenbezogen, für bestimmte Montageanwendungen

dienen.

Die Arbeit im Mechatronic-Labor dient dem Ziel, dem Studenten und den Studentinnen die

Grundzüge des eigenständigen, labormäßigen Arbeitens im Rahmen fertigungstechnischer

Aufgabenstellungen zu vermitteln. Insbesondere soll der/die Student/Studentin lernen, durch welche

Untersuchungsmethoden aussagefähige und reproduzierbare Versuchsergebnisse erzielt werden

können. Hierbei kommt es auf das Erkennen und die Beachtung versuchsrelevanter

Randbedingungen bei der Durchführung des Versuches selbst, als auch der kritischen Beurteilung

der Messergebnisse bei der Auswertung an.

Die in Kap. 5 formulierten Fragestellungen sollen Ihnen helfen, ein tieferes Verständnis durch die

Beantwortung zu erlangen.

2 Ziele der Untersuchung

Im Rahmen dieses Versuches soll die Leistungsfähigkeit eines Industrieroboters (Bosch SR 60,

Abb. 1) in Bezug auf das Positionier- und Fügeverhalten (optional) festgestellt werden.

Es geht dabei um das Erkennen und Beurteilen von Einflussfaktoren auf die Arbeitsgenauigkeit von

Horizontal-Knickarm-Robotern. Ähnlich wie bei Werkzeugmaschinen wird die Genauigkeit der

Roboter durch eine Vielzahl von Einzelfaktoren bestimmt. Die Kenntnis dieser Faktoren und ihr

Einfluss auf das Genauigkeitsverhalten sind von großer Wichtigkeit für die Konzeption von

Montagestationen oder bei der Durchführung von Maßnahmen zur Korrektur der

Positionierbewegungen.

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In diesem Bewusstsein sollte der/die Student/Studentin am Ende des Labors in der Lage sein,

folgende Fragen schlüssig zu beantworten:

1. Welche Einflussfaktoren bestimmen die Positioniergenauigkeit von Industrierobotern und

wie stark sind die einzelnen Faktoren zu gewichten?

2. Sind alle genannten Einflussfaktoren nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten algorith-

mierbar und warum?

3. Wie aussagekräftig sind die bisher bekannten Roboterkenngrößen im Hinblick auf konkrete

Roboteranwendungen?

4. Durch welche Einflussfaktoren wird das Fügeverhalten eines Roboters beeinflusst?

5. Wie sicher sind die getroffenen Aussagen aufgrund der von Ihnen gemachten Unter-

suchungen?

Abb. 1: Bosch SR60

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3 Sicherheitseinweisung und Sicherheitsaspekte

Ein Arbeiten im Versuchsfeld ist ohne Sicherheitseinweisung durch den Sicherheitsbeauftragten

Herrn Krogemann (Tel.: 3495, Raum 0066) verboten!

Die Arbeiten müssen unter Aufsicht mindestens eines Technikers des Instituts erfolgen.

Bei der Vorbereitung der Versuche wird es nötig sein, dass sich einzelne Gruppenmitglieder im

Gefahrenraum des Roboters aufhalten. Deshalb sind alle Teilnehmer zu erhöhter Sorgfalt

verpflichtet (siehe auch 4.3.5.2)!

Jeder/Jede Student/Studentin hat sich über die Positionen aller Not-Aus-Schalter zu infor-

mieren.

4 Versuchsbeschreibung

Der Versuch unterteilt sich generell in zwei Teile, wobei der zweite optional ist. Im ersten Teil der

durchzuführenden Versuches sollen Kenngrößen zur Beurteilung der Wiederholgenauigkeit

aufgenommen werden. Im zweiten Teil des Versuches soll anhand einer konkreten Fügeaufgabe den

Einfluss der Positioniergenauigkeit auf das Fügeverhalten überprüfen. Die daraus erzielten

Ergebnisse sollen Rückschlüsse auf die Bewertungsmaßstäbe durch konventionelle

Roboterkenngrößen zur Beurteilung von Fügeaufgaben zulassen.

4.1 Messungen zum Positionierverhalten

Gemäß VDI 2861 werden unterschiedliche Kenngrößen zur Beurteilung der Wiederholgenauigkeit

von Industrierobotern angegeben. In Blatt 3 der VDI-Richtlinie 2861 werden Vorschläge und

Verfahren zur Messung der Kenngrößen beschrieben. In diesem Versuchsabschnitt sollen die

Kenngrößen für den vorhandenen Roboter auf der Basis dieser VDI-Richtlinie an unterschiedlichen

Punkten im Arbeitsraum und für unterschiedliche Betriebsparameter (z.B. Last, Geschwindigkeit,

Beschleunigung, etc.) aufgenommen werden. Darüber hinaus sollen Untersuchungen zum

allgemeinen Positionierverhalten erarbeitet und entsprechende Messungen hierzu durchgeführt

werden.

Zur Durchführung dieser Messungen sollen induktive Messtaster verwendet werden, die an ent-

sprechenden Messpositionen aufgebaut werden und an geeigneten Punkten am Roboterarm antasten

sollen.

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4.2 Messungen zum Fügeverhalten (optional)

Zur Beurteilung des Fügeverhaltens des Industrieroboters wird eine SCARA-typische Montage-

aufgabe exemplarisch untersucht. Die Aufgabe selbst besteht in der Funktion des Fügens eines

Tassenstößels in einen Zylinderkopf. Der Tassenstößel wird vertikal von oben nach unten in die

dafür vorgesehene Bohrung des Zylinderkopfes gefügt. Es handelt sich um eine sehr eng tolerierte

Passung zwischen den beiden Fügepartnern. Zur Unterstützung des Einfädelns zu Beginn des

Fügevorganges befindet sich jeweils an den Tassenstößeln und am Auslauf der Bohrung im

Zylinderkopf eine Fase.

Der Tassenstößel wird durch Unterdruck im Greifer gehalten und durch seitliche Absätze in seiner

Grundstellung fixiert. Wird das Fügeteil nicht richtig über der Bohrung positioniert, kann es bereits

beim Ansetzen an die Wandung der Bohrung verkanten und aus der Aufnahme der Greifer fallen.

Der Fügevorgang kann nicht stattfinden. Bei einem Verkippen des Fügeteils während des

Fügevorganges kommt es zu einem sofortigen Verklemmen des Tassenstößels in der Bohrung und

der Fügevorgang kann nicht korrekt zu Ende geführt werden.

4.3 Gliederung des Versuches

4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes

Die Versuche zur Genauigkeitsuntersuchung von Industrierobotern sollen an dem in der Ver-

suchshalle des Instituts stehenden SCARA-Roboter der Firma Bosch durchgeführt werden.

Der Roboter ist auf einem Stahltisch befestigt, auf den sich sowohl die Messtaster als auch eine

Vorrichtung befestigen lässt, die den Zylinderkopf aufnimmt:

• Die Messtaster werden mit Magnetstativen befestigt.

• Diese Vorrichtung zur Aufnahme des Zylinderkopfes ist so gestaltet, dass die Bohrungen für die Tassenstößel genau in vertikaler Richtung -also in Fügerichtung des Roboters liegen.

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4.3.2 Voruntersuchungen

Um zuverlässige und aussagekräftige Genauigkeitsmessungen machen zu können, ist es erforder-

lich, vor Beginn der Messungen das dreidimensionale Koordinatensystem des Industrieroboters

(Abb. 2) möglichst ohne Winkelfehler mit den Koordinatensystemen der Messtaster und des

Zylinderkopfes in Übereinstimmung zu bringen. Hierfür ist ein geeignetes Verfahren auszuwählen

und im Rahmen der Versuche durchzuführen.

Weiterhin sind für die späteren Fügeversuche die Abmaße der Fügeteile einschließlich ihrer

Toleranzen zu ermitteln, um vorab eine Vorstellung von den Anforderungen der Fügeaufgabe an

den Montageroboter zu bekommen und um die Ergebnisse des Fügeversuchs besser beurteilen zu

können.

Abb. 2: Kartesisches Koordinatensystem SR60

4.3.3 Wiederholgenauigkeitsmessung

Für diesen Teil der Versuche sollen basierend auf der VDI-Richtlinie 2861 durchgeführte Ex-

perimente vorgeschlagen und ausgearbeitet werden, die eine Möglichkeit zur Messung der Differenz

zwischen Soll- und Istwert der Roboterposition erlauben. Dieses ist insbesondere im Hinblick auf

den nächsten Versuchsteil notwendig, weil hierfür eine zuverlässige Aussage der Genauigkeit der

angefahrenen Punkte benötigt wird.

Für die Genauigkeitsmessungen ist eine Präzisionskugel verfügbar, die am Tool Center Point des

Montageroboters befestigt werden kann. An dieser Kugel sollen die geometrischen Wegmessungen

mit Hilfe von an Stativen fixierten Messtastern durchgeführt werden.

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Die Messwerte sind anhand der VDI-Richtlinie 2861 und den bekannten Statistikvorschriften

auszuwerten und zu dokumentieren.

Während der unterschiedlichen Messreihen sind geeignete Versuchsparameter wie Last und

Geschwindigkeit so zu variieren, dass eine sinnvolle Übersicht über die Leistungsfähigkeit des

Roboters bezüglich der Genauigkeit erreicht wird.

4.3.4 Fügeversuch (optional)

Für den optionalen Fügeversuch ist ein Doppelgreifer vorhanden, der in der Lage ist, zwei

Tassenstößel aus einer Vorrichtung zu holen, mit Hilfe von Unterdruck festzuhalten und in den

Zylinderkopf zu fügen. Der Unterdruck wird dabei von einer externen Vakuumpumpe erzeugt.

Während der unterschiedlichen Fügevorgänge ist die Position des Tassenstößels über der Bohrung

des Zylinderkopfes sowie die linear anfahrbare Fügeendposition zu variieren. Dazu ist der

Montageroboter mit inkrementalen Verfahrmöglichkeiten ausgestattet. Diese Positionsschritte

können in Stufen von 1/100 mm angefahren werden.

Durch eine geeignete Versuchsreihe ist zu untersuchen, innerhalb welcher Positionsbreite in xy -

Richtung ein einwandfreier Fügevorgang möglich ist.

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4.3.5 Gerätebeschreibung

4.3.5.1 Industrieroboter Bosch SR 60

Der "SR 60" der Firma Bosch ist ein Montageroboter in Horizontal-Knickarm oder "SCARA"-

Bauweise (Selective Compliance Assembly Robot Arm), der spezifische Eigenarten besitzt, die ihn

als Roboter für die Montage besonders geeignet machen:

• hohe Steifigkeit in der Vertikalachse

• hohe Beweglichkeit in Horizontalrichtung

• große Arbeitsfläche im Verhältnis zur Baugröße.

Der Roboter besitzt vier Bewegungsachsen. Davon sind die Achsen 1, 2 und 4 Rotationsachsen und

die Achse drei eine Translationsachse (Abb. 3). Als Antriebe der Achsen werden Gleichstrom-

Servomotoren verwendet. Die vertikale Achse 3 ist als Pinole ausgeführt. Die 4. Achse kann

elektronisch synchronisiert genutzt werden, d.h. die Orientierung der Werkstücke bleibt bei der

Bewegung der anderen Achsen erhalten.

Abb. 3: Achsen des SR60

4.3.5.2 Wichtige technische Daten

• Last konzentrisch einschließlich Greifer max. 5 kg

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• Last bei reduzierter Geschwindigkeit max. 10 kg • zulässiges Trägheitsmoment für Achse 4 max. 150 kgcm2 • Wiederholgenauigkeit 0,05 mm • Umgebungstemperatur 10°C - 40°C • Gewicht ohne Stativ 95 kg • Gewicht mit Stativ 130 kg

(Weitere Daten siehe Bosch SR60-Handbuch)

Vor Inbetriebnahme des Roboters muss jeder Student eine ausreichende Sicherheitsbelehrung

erhalten haben. Niemand darf sich während des Betriebs des Roboters im Gefahrenbereich aufhalten

(Abb. 4, siehe auch Kap. 3).

Abb. 4: Arbeitsraum des SR60

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4.3.5.3 Robotersteuerung "Bosch RHO 2"

Erst durch eine Steuerung werden die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten eines Roboters

bestimmt. Für das vorliegende Gerät benötigt man eine frei programmierbare 4-Achsen-

Bahnsteuerung. Diese liegt in Form der dialoggeführten Mehrprozessorsteuerung "rho 2" der Firma

Bosch vor. Es handelt sich um eine Bahnsteuerung mit Linear- und Zirkular-Interpolation. Sie

erlaubt das Fahren auf räumlichen Geraden und Kreisbahnen mit konstanter Geschwindigkeit sowie

ein schnelles Verfahren von Punkt zu Punkt. Die Steuerung bietet folgende

Programmiermöglichkeiten (Abb 5)

• textuelle Programmierung

• externe Programmierung über IRDATA-Schnittstelle

• Teach-in-Programmierung über Handbediengerät.

Mit dem Datenverteiler können weitere Peripheriegeräte und Sensoren angeschlossen werden. Im

Normalfall wird über ein ASCII-Terminal programmiert. Den Aufbau der Steuerung roh 2 zeigt

Abb. 6.

Abb. 5: Programmiermöglichkeiten des SR60

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Abb. 6: Steuerung des SR60

4.3.5.4 Bosch Programmiersystem

Um den Bosch-Roboter zu programmieren, existiert eine komfortable Programmiersprache mit

Namen "BAPS", die im Dialog mit der Steuerung des Roboters von einem Terminal aus

angesprochen werden kann.

Ein erheblicher Vorteil der Programmerstellung über ein Datenterminal ist die Möglichkeit, die

Tätigkeit des Programmierens während der Bewegung des Roboters weiterzuführen.

Ein Programm kann nur editiert werden, wenn die Steuerung korrekt hochgefahren wurde.

Die Struktur eines Programms ist einfach. Der Deklarationsteil ist Pascal ähnlich.

Variablen-Deklaration: z.B. (GANZ,DEZ,BINAER)

Wertzuweisung: z.B. k=5

Wdh K mal

POS 1 = (100,500,50,45)

Der Sprachumfang von BAPS ist in knapper Form in Tab. 1 wiedergegeben.

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Hauptprogramm-vereinbarung

PROGRAMM Name · · · Ende

erste Anweisung eines Programms letzte Anweisung eines Programms

Unterprogramm-vereinbarung

UP Name · · · RSPRUNG

Unterprogrammbeginn Rücksprung z.B. ins Hauptprogramm

Bewegungsbefehle FAHRE UEBER Punkt. Punkt... - NACH Punkt. Punkt... VERSCHIEBE CIRCA Punkt. Punkt... EXAKT Punkt. Punkt... LINEAR PTP

Absolut-Verfahren Punkte ohne Halt überfahren (überschleifen) Punkte genau anfahren Inkremental-Verfahren Punkte ohne Halt überfahren (überschleifen) Punkte genau anfahren Linearinterpolation Punkt-zu-Punkt-Verfahren (Synchron PTP)

Wiederholung WDH Anzahl MAL · · · WDH ENDE

Beginn der Wiederholung mit Wiederholungszahl Ende der Wiederholung

Bedingte Anweisung WENN Bedingung DANN Anweisung SONST Anweisung

Bedingung erfüllt Bedingung nicht erfüllt

Sprungbefehl SPRUNG Marke Verzögerung und Halt WARTE Wert

WARTE BIS Bedingung PAUSE HALT

Verweilzeit Warten auf Eintreffen einer Bedingung Programm hält an, Start erneut notwendig Programm-Ende

Wertzuweisung Variable-Ausdruck Bsp: P1=(50.0.100.0.10.15)

Punkt 1=1.Koordinate 50.2Koordinate 0. 3 Koordinate 100.usw.

Geschwindigkeit, Beschleunigung

V = Wert A = Wert V_PTP = Wert

Bahngeschwindigkeit in mm/s Bahnbeschleunigung in mm/s2 Geschwindigkeit für PTP in % von v

max Arithmetische, logische und vergleichende Operationen

+,-,*,/ UND; ODER; NICHT ,=,,=

Referenzpunktan-fahren REF_PKT Achsnummern Referenzpunktanfahren, Angabe der Achsen

Tab. 1: Auszug aus dem Sprachumfang BAPS2

Bevor der Roboter eingeschaltet werden kann, ist die Verbindung des Datenterminals zur Steuerung

herzustellen. Als Terminal wird ein Personal Computer eingesetzt.

Weiterhin ist vor dem Einschalten das Handbediengerät anzuschließen und an den vorgesehenen

Platz zu hängen. Danach kann die Stromversorgung der Robotersteuerung eingeschaltet werden. Es

beginnt ein Selbsttest, wobei die Prüfschritte am Terminal angezeigt werden. Erst nach Beendigung

kann die Steuerung eingeschaltet werden.

Bevor dann weitere Aktionen möglich sind, müssen zunächst mit einem Spezialprogramm die

Referenzpunkte aller Achsen angefahren werden.

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4.3.5.5 Messgeräte

Induktive Messtaster "HBM W1-T3"

Induktive Näherungstaster sind zur analogen Aufnahme von Längenänderungen im Mikro-

meterbereich aufgrund ihrer Robustheit, Störunempfindlichkeit, Linearität und nahezu beliebiger

Auflösung besonders gut geeignet. Die verwendeten Messtaster sind auf den dazugehörigen

Messverstärker abzustimmen. Hierfür sind die nachfolgend aufgeführten Anschluß- und

Einstellvorschriften zu beachten.

Der Messtaster hat in der Mittelstellung (Nulllage) einen Messweg von jeweils 1 mm. Darüber

hinaus ist ein Hub um jeweils weitere 1,5 mm außerhalb des Messbereiches zulässig. Es ist dafür

Sorge zu tragen, dass die Messtaster auf keinen Fall weiter als bis zum zulässigen Gesamthub

eingefahren werden (siehe Abb. 7). Bei unsachgemäßem Gebrauch können die Messtaster hierdurch

sehr leicht zerstört werden.

Abb. 7: Induktiver Taster HBM W1-T3

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Type W1T3 Nominal displacement sN Working strike

mm mm

±1 2.6

Accuracy class Nominal output signal (output signal at nominal displacement, output not loaded)

mV/V

0.4(0.2) 80±1%

Replacement error Linearity error including hysteresis, related to nominal output signal span

% %

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Trägerfrequenzmessverstärker - "HBM ALPHA 3000"

Das Alpha 3000 - Messgerät von Hottinger-Baldwin-Messtechnik (HBM) ist ein 5 kHz Träger-

frequenzmessverstärker, der mit unterschiedlichen Einschüben bestückt werden kann. Das Gerät

wird mit einem an der Rückseite befindlichen Schalter in Betrieb genommen. Durch Drücken des

ebenfalls auf der Rückseite befindlichen "Restart"-Knopfes kann ein Warmstart durchgeführt

werden.

Das Grundmodul CMS32 ist das Grundelementen. Es koordiniert die weiteren Einschübe und ist als

Ein- und Ausgabemedium mit integriertem Bedienfeld und Anzeigedisplay ausgestattet. Alle

Bedienschritte können mit den Bedienelementen der Frontplatte vorgenommen werden.

Darüber hinaus sind in das Gerät sechs Einschübe als Einzelverstärker integriert (K50C). Sie sind

geeignet für den Anschluss von DMS-Vollbrücken, DMS-Halbbrücken und induktiven Halb-

brücken.

Die für diesen Versuch verwendeten Induktivtaster werden auf der Rückseite an die jeweiligen

Messverstärker angeschlossen. Anschließend müssen die Aufnehmer an den Messverstärker

angepasst werden (Speisespannung, etc.) und werden anschließend kalibriert.

Vorgehensweise beim Abgleichen

Vor dem Messen ist jeder Verstärker an den Aufnehmer anzupassen und sorgfältig abzugleichen.

Folgende Abgleichvorgänge sind hierzu in der angegebenen Reihenfolge auszuführen:

1. Abgleich der Brückenspeisespannung:

Die Brückenspeisespannung UB muss auf 2.5 Volt eingestellt werden.

2. Abgleich der Messbrücke:

Der Messbrückenschalter muss auf induktive Halbbrücke gestellt werden.

3. Brückennullabgleich:

Der Brückennullabgleich muss nach Betrag und Phase vorgenommen werden. Taste

BETRIEBSART (CMS) auf MESSEN AUS (ANZEIGE LED). Stufenschalter

MESSBEREICH auf den größten Wert stellen. Nun folgt der Abgleich nach Betrag (R-

Abgleich) und Phase (C-Abgleich). Anschließend stufenweise den Vorgang bis zum

kleinsten Messbereich jeweils wiederholen.

4. R - Abgleich: (siehe Beschreibung)

5. C - Abgleich: (siehe Beschreibung)

6. Messbereichsabgleich:

Mit den Elementen des Einstellfeldes MESSBEREICH wird die Empfindlichkeit des

Verstärkers an die Empfindlichkeit des Aufnehmersignals angepasst. Der Messbereich ist so

einzustellen, dass der Aussteuerbereich des Verstärkers voll ausgenutzt wird. Die

Messbereichseinstellung über die Frontplatte ist nur dann wirksam, wenn am CMS

MESSBEREICH 1 angewählt ist.

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Steht der Schalter MESSBRÜCKE in Stellung "induktiv", so leuchtet die LED im

Zahlenkranz oberhalb des Messbereichsschalters und es gelten die dort angegebenen Werte

für eine Brückenspeisespannung von UB = 2.5 V.

7. Kalibrieren der Messkette:

Das Kalibrieren einer Messkette dient dazu, eine eindeutige Beziehung zwischen Messgröße

und angezeigtem Messwert zu erhalten. Die K 50 C Verstärkereinheiten besitzen ein internes

Kalibriersignal, das anstelle des Messsignals auf den Verstärker gelegt wird. Bei Abruf des

Kalibriersignals wird automatisch auf den internen Messbereich MB 2 umgeschaltet.

Zunächst muss am CMS die Betriebsart KAL angewählt oder am Verstärker die Taste CAL

gedrückt werden. Diese Taste muss solange festgehalten werden, bis mit dem Potentiometer

MESSBEREICH FEIN die Anzeige exakt auf den Kalibrierwert von 2.500 Volt eingestellt

worden ist.

Im Anhang ist die detaillierte Beschreibung der notwendigen Einstellvorgänge zur Anpassung der

induktiven Messtaster "HBM W1-T3" und des Vielstellenmessgerätes "HBM Alpha 3000"

dargestellt. Weitere Einzelheiten sind den Herstellerhandbüchern zu entnehmen. Diese können Sie

am Institut über die Techniker einsehen.

4.3.6 Beschreibung der Fügeteile (optional)

Die beiden Fügepartner sind, wie bereits erwähnt, ein Zylinderkopf eines Vierzylinder-Otto-Motors

sowie die dazugehörigen hydraulischen Tassenstößel.

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4.3.7 Statistische Grundlagen zur Wiederholgenauigkeitsmessung

In erster Näherung wird von einem normalverteilten Positionierverhalten hinsichtlich der zufälligen

Positionierfehler ausgegangen.

Bildungsgesetze der Größen an einzelnen Messorten in der zu prüfenden Richtung des Bezugs-

koordinatensystems oder den Anfahrrichtungen der Antriebsachsen.

Bezeichnungen und Symbole

Bezeichnung Symbole

Einzelwert i am Ort xj i nx

Einzelwert i am Ort xj in positiver Anfahrtrichtung i nx↑

Einzelwert i am Ort xj in negativer Anfahrtrichtung i nx↓

Bildungsgesetze

Bezeichnung Symbole

Mittelwert der Einzelmesswerte am Ort xj in positiver

Anfahrrichtung 1

1 Ni i n

n

x xN

↑ ↑

=

= ∑

Mittelwert der Einzelmesswerte am Ort xj in negativer

Anfahrrichtung 1

1 Ni i n

n

x xN

↓ ↓

=

= ∑

Standardabweichung der Messwerte am Ort xj in

positiver Anfahrrichtung ( )2

1

1

1

N

i i n in

S x xN

↑ ↑ ↑

== −

− ∑

Standardabweichung der Messwerte am Ort xj in

negativer Anfahrrichtung ( )2

1

1

1

N

i i n in

S x xN

↓ ↓ ↓

== −

− ∑

Mittlere Standardabweichung der Messwerte am Ort xj 2

i ii

S SS

↑ ↓+=

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5 Wichtige Fragestellungen

Positionierverhalten und empirische Charakterisierung

• Ein Roboter weist sowohl systematische als auch zufällige Positionierfehler auf. Wie kann man die Fehler messen, welche Besonderheiten treten hierbei auf? Worauf müssen Sie sich

bei der vorliegenden Ausstattung beschränken?

• Die Standardabweichung der Messdaten ist zunächst unbekannt. Wie kann man diese empirisch bestimmen und welche Stichprobenzahl wird für ein vernünftiges Vertrauens-

intervall benötigt?

• Die richtungsabhängigen Erwartungswerte der Anfahrversuche haben ebenfalls ein Ver-trauensintervall. Welche Stichprobenzahl wird für ein vernünftiges Vertrauensintervall

mindestens benötigt? Ein Hinweis auf eine Norm reicht nicht aus, sie sollen Normen für

Anwender konzipieren können! Argumentieren Sie wissenschaftlich.

• Wie kann man mit einer Kennzahl die Genauigkeit des Industrieroboters unter den zu-lässigen Betriebsbedingungen charakterisieren? Dabei ist zu bedenken, dass eine Umkehr-

spanne vorliegen kann. Wie berechnet man die Umkehrspanne aus den Messdaten?

• Was müsste man als Hersteller zur Charakterisierung einer Serie tun? • Eine Messung weist stets zufällige und systematische Fehler auf. Dies gilt sowohl für die

Messsysteme als auch den Versuchsaufbau. Analysieren Sie die kinematische Kette ihres

Versuchsaufbaus und schätzen Sie die Fehlereeinflüsse ab (Winkelfehler Taster, Hertzsche

Pressung Taster/Kugel, Messfehler Messgerät, Stabilität des Versuchsaufbaus, Temperatur-

einfluss usw.). Bewerten Sie Ihre Ergebnisse kritisch.

• Benennen Sie die Genauigkeitskenngrößen einer Maschine/Roboter. Wovon hängen diese ab?

• Geben Sie das allgemeine Fehlerfortpflanzungsgesetz hinsichtlich der systematischen und zufälligen Positionierfehler einer Maschine/Roboter an. Gehen Sie von Lagefehlern der An-

triebsachsen aus. Ist die Fehlerfortpflanzung ortsinvariant? Was bedeutet dies für Ihre Mes-

sungen? Wie kann man zu einer für die Praxis einfachen Kennzahl mit möglicherweise

unterschiedlichen Fehlermaßen kommen und welche Grenzen ergeben sich hierdurch?

• Warum muss die Normalverteilung als Modell für den zufälligen Positionierfehler prin-zipiell falsch sein? Wir betrachten, wie so oft, das Modell als Näherung des wahren

Prozesses. Welche zusätzlichen Restriktionen müssen Sie deshalb definieren?

• Bei vielen Fügeaufgaben fallen die zulässigen Lagetoleranzen (< 5µm) der Montagepartner deutlich kleiner als die Wiederholgenauigkeit (50-100µm) der Roboter aus. Welche passiven

Maßnahmen lösen das Montageproblem sowohl auf der Seite der Fügepartner als auch auf

der Seite des Handling-Systems.

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Industrieroboter, mathematische Modelle und Lageregelung

• Was zeichnet einen Industrieroboter gegenüber anderen Maschinen aus? • Wie viele Antriebsachsen werden benötigt? An welchen Merkmalen können Sie erkennen,

wie viele Antriebsachsen benötigt werden? Geben Sie typische Anwendungsbeispiele an.

• Welche besonderen Anforderungen werden warum an einen SCARA gestellt? Welche typische Montageaufgabe erfordert diese Eigenschaften?

• Welche Vorteile hat die SCARA-Bauweise? Die Synchronisation der 4. Achse wurde früher mechanisch ausgeführt. Heute erfolgt diese elektronisch. Welche Vor- und Nachteile haben

diese beiden Konzepte? Warum wurde vor ca. 15 Jahren die mechanische Lösung bevor-

zugt? Nennen Sie eine typische industrielle Anwendung für diese Funktion.

• Wie ist ein Industrieroboter? Welchen Einfluss haben diese Komponenten auf das Positionierverhalten?

• Welche Zustände werden wie bei den Antriebsachsen zur Lageregelung gemessen? Welche Sensoren sind motor- und welche sind achsseitig installiert? Welche Vor- und Nachteile

ergeben sich bei der jeweiligen Installationsvariante?

• Welche Vorteile bietet die Messung der Zustände bei der Reglerauslegung? • Prinzipiell könnte man aus der Position die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsinfor-

mation gewinnen. Warum wird die rechnerische Ermittelung nicht genutzt, obwohl man

relativ kostenträchtige Sensoren einsparen könnte?

• Welche physikalischen Prinzipien werden zur Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmes-sung herangezogen?

• Wie ist der Arbeits- und Gefahrenraum definiert? • Welche Gefahren und welche Vorsichtsmaßnahmen sind beim Betrieb des Roboters bedeut-

sam?

• Was muss nach dem Einschalten des Roboters vorgenommen werden? Warum ist dies so? Welche Nachteile hat dieses besondere Verhalten und welche Lösungsmöglichkeiten gäbe es

hierfür?

• Welche Aufgaben hat eine Robotersteuerung? • Welche besonderen Vorteile haben homogene Koordinaten gegenüber den klassischen 3D-

Koordinaten?

• Wie berechnet man die für eine Montage notwendige TCP-Pose des Roboters? Es seien die Basis- zu Montageobjekt-, die Greifer- zu TCP-, die Montage- zu Objekt-, die Montage-

partner- zu Geifer- und Montagepartner-Transformationen bzw. RPY-Posen bekannt.

• Was versteht man unter der kinematischen Vorwärts- und Rückwärtstransformation? Welche der Transformationen ist wann analytisch lösbar und welche nicht? Sind die Trans-

formationen eindeutig? Wozu können Mehrdeutigkeiten in der Praxis genutzt werden, sofern

sie bestehen?

• Was sind ideale und reale Maschinenkoordinaten? • Welche Verfahrmethoden gibt es? Geben Sie hierfür typische Anwendungsbeispiele an.

Nur zu Lehrzwecken


Programmierung

• Nennen Sie die wichtigen Programmiermethoden und geben Sie jeweils typische An-wendungsbeispiele hierfür an.

• Wie funktioniert das Zusammenspiel zwischen IR-Programm und den Teachpunkten? Wie werden die Daten beschafft und gespeichert? Was wird bei relativ hohen Genauigkeits-

anforderungen letztlich notwendig sein?

• Wie klassifiziert man die Roboterporgrammiersprache BAPS hinsichtlich ihres Entwick-lungsstandes?

• Benennen Sie die wichtigen Programmelemente von BAPS.

Induktive Messbrücke

• Erklären Sie das Messprinzip der induktiven Positionsmessung. Zeichnen Sie die typische stationäre Sensorkennlinie.

• Der Nullpunkt des induktiven Sensors kann im Messbereich beliebig gewählt werden. Nach welchen Kriterien legen Sie wie den Nullpunkt fest? Wie erreicht man die größte Mess-

auflösung?

• Erklären Sie das Messprinzip der Voll- und Halbbrückenmessung. Entwickeln Sie die wich-tigen Abgleich- und Messgleichungen anhand derer die erforderliche Abgleichprozeduren

des Messverfahrens erklärt werden können. Begründen Sie die Reihenfolge der Abgleich-

prozeduren hiermit. Welchen Messfehler erzeugt eine fehlerhafte Versorgungsspannung der

Brückenschaltung? Entwickeln Sie das Fehlergesetz.

• Wird eine Gleich- oder Wechselspannung als Versorgungsspannung gewählt? Begründen Sie ihre Antwort.

• Welche Frequenz hat die Wechselspannung und warum wird nicht die Netzfrequenz von 50 Hz gewählt, sofern keine Gleichspannung zum Einsatz kommt?

• Welche Aufgabe hat ein Synchrongleichrichter, sofern eine Wechselspannung zum Einsatz kommt?

• Wie kommt man zu digitalen Messwerten und welche prinzipiellen Messunsicherheiten sind hiermit verbunden?

• Welche weiteren Messunsicherheiten sind bei der Messung zu beachten? • Welche Maßnahme kann einen zentralen Fehlereinfluss der Positionsmessung deutlich redu-

zieren? Wie lange müssen Sie warten, wenn der verbleibende Messfehler kleiner als q%,

q∈ ]0,100%] sein soll? Begründen Sie Ihre Antwort wissenschaftlich.

Nur zu Lehrzwecken


6 Anlagen

• Anzeige und Bedienelemente, Übersicht • Not-Aus • Tastatur-Belegung, Prinzip • Textsymbole für Tastenfunktionen • Menüstruktur PHG • HBM Dokumentation • Theoretische Grundlagen

Weitere Unterlagen werden Ihnen von den Technikern des Instituts nach Bedarf zur Einsicht zur Verfügung gestellt. Diese dürfen Sie nicht mit nach Hause nehmen!

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Labor Mechatronik SS 2008 - TUHH · 2008. 5. 2. · Labor Mechatronik SS 2008 ... (Weitere Daten siehe Bosch SR60-Handbuch) Vor Inbetriebnahme des Roboters muss jeder Student eine