Weber Industrieroboter

Methoden der Steuerung und Regelung
3. neu bearbeitete Auflage 2017
ISBN: 978-3-446-43578-0
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 242 Seiten

Industrieroboter – ein kompakter Einstieg für Studierende und IngenieureBewegungsbeschreibung, Programmierung und Regelung von Industrierobotern – eine Einführung in das interdisziplinäre Fachgebiet der Robotertechnik.Der Industrieroboter stellt ein markantes Rationalisierungsinstrument der Automatisierungstechnik dar. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Daher richtet sich auch dieses Lehrbuch an einen breiten Leserkreis. Studierenden technischer Fachbereiche und der Informatik an Universitäten und Hochschulen bietet es einen Grundkurs in Lagebeschreibung, Interpolation, Programmierung und Regelung von Industrierobotern.Mit einfachen, anwendungsnahen Beispielen wird schrittweise in die unbedingt notwendigen mathematischen Methoden eingeführt. Praktikern aus der Industrie, die fortgeschrittene, leistungsfähige Regelungskonzepte entwickeln, bietet das Buch einen effizienten Zugang zur Modellbildung und zum Regelungsentwurf.Für das praktische Verständnis wird auf der Internetseite http://www.weber-industrieroboter.eit.h-da.de das Entwicklungs- und Visualisierungswerkzeug ManDy zur Verfügung gestellt. Zusätzlich zu ManDy können Beispiele und Übungsaufgaben mit bereitgestellten MATLAB-M-Files nachvollzogen und gelöst werden. Dies ermöglicht vor allem den Studierenden ein direktes Überprüfen des theoretischen Wissens in der Praxis.Die dritte Auflage des Titels wurde komplett aktualisiert und erweitert.

Autoren/Hrsg.

Weber, Wolfgang

Inhaltsverzeichnis

1;Inhalt;12
2;1 Komponenten eines Industrieroboters;16
2.1;1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern;16
2.2;1.2 Mechanischer Aufbau;18
2.3;1.3 Steuerung und Programmierung;22
2.4;1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung;24
2.5;1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik;27
3;2 Beschreibung einer Roboterstellung;30
3.1;2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung;30
3.1.1;2.1.1 Koordinatensysteme;30
3.1.2;2.1.2 Freie Vektoren;30
3.1.3;2.1.3 Operationen mit Vektoren;32
3.1.4;2.1.4 Ortsvektoren;34
3.1.5;2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen;35
3.1.6;2.1.6 Rotationsmatrizen;35
3.1.7;2.1.7 Homogene Matrizen (Frames);38
3.1.8;2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel;40
3.1.9;2.1.9 Freiheitsgrad des Robotereffektors;44
3.1.10;2.1.10 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen;45
3.2;2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter;47
3.2.1;2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette;47
3.2.2;2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention;48
3.2.3;2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter;53
3.3;2.3 Übungsaufgaben;56
4;3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten;58
4.1;3.1 Die Vorwärtstransformation;59
4.2;3.2 Die Rückwärtstransformation;59
4.2.1;3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten;59
4.2.2;3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze;60
4.2.3;3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter;61
4.2.4;3.2.4 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter;64
4.3;3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix;70
4.4;3.4 Übungsaufgaben;71
5;4 Bewegungsart und Interpolation;72
5.1;4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten;72
5.2;4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten;74
5.2.1;4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung;74
5.2.2;4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation;76
5.2.3;4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation;78
5.2.4;4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite;80
5.2.5;4.2.5 Synchrone PTP;82
5.2.6;4.2.6 Vollsynchrone PTP;83
5.2.7;4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn;84
5.3;4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung);86
5.3.1;4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung;86
5.3.2;4.3.2 Linearinterpolation;87
5.3.3;4.3.3 Zirkularinterpolation;89
5.3.4;4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn;96
5.4;4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen;97
5.4.1;4.4.1 PTP-Überschleifen;98
5.4.2;4.4.2 CP-Überschleifen;99
5.4.3;4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn;100
5.4.4;4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten;102
5.5;4.5 Übungsaufgaben;104
6;5 Roboterprogrammierung;107
6.1;5.1 Online-Roboterprogrammierung;108
6.1.1;5.1.1 Teach-In-Programmierung;108
6.1.2;5.1.2 Play-Back-Programmierung;110
6.1.3;5.1.3 Master-Slave-Programmierung;111
6.2;5.2 Offline-Programmierung;112
6.2.1;5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache;113
6.2.2;5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung;113
6.2.3;5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung;114
6.3;5.3 Roboterprogrammiersprachen;116
6.3.1;5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen;117
6.3.2;5.3.2 Programmbeispiel;119
6.4;5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation;121
6.5;5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten;123
6.6;5.6 Übungsaufgaben;124
7;6 Modell der Dynamik;125
7.1;6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse;125
7.1.1;6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils;125
7.1.2;6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik;127
7.1.3;6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks;129
7.1.4;6.1.4 Gesamtmodell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks;130
7.2;6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren;131
7.2.1;6.2.1 Kinematische Berechnungen;133
7.2.2;6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente;136
7.2.3;6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen;138
7.2.4;6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung;139
7.2.5;6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren;140
7.2.6;6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung;145
7.3;6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke;149
7.3.1;6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke;150
7.3.2;6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen;152
7.4;6.4 Übungsaufgaben;153
8;7 Regelung;156
8.1;7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen;156
8.2;7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur;160
8.2.1;7.2.1 Übersicht und Regelstrecke;160
8.2.2;7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler;162
8.2.3;7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler;165
8.2.4;7.2.4 Entwurf des Lagereglers;168
8.2.5;7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung;174
8.2.6;7.2.6 Hinweise zur Realisierung;178
8.3;7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen;180
8.4;7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte;183
8.4.1;7.4.1 Zentrale Vorsteuerung;183
8.4.2;7.4.2 Entkopplung und Linearisierung;185
8.4.3;7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen;188
8.4.4;7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten;190
8.4.5;7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur;193
8.4.6;7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen;195
8.4.7;7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten;196
8.4.8;7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung;198
8.5;7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren;200
8.5.1;7.5.1 Fuzzy-Regelungen;200
8.5.2;7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung;202
8.6;7.6 Strukturen von Kraftregelungen;205
8.7;7.7 Übungsaufgaben;207
9;Anhang;209
9.1;A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen;209
9.2;B Aufstellen der Jacobi-Matrix;213
9.2.1;B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile;213
9.2.2;B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens;215
9.3;C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung;217
9.3.1;C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk;217
9.3.2;C2 Statische Reibung beim Roboterarm;219
9.4;D ManDy: Programmier- Simulations- und Visualisierungswerkzeug;221
9.5;E Weitere Simulationswerkzeuge;224
9.5.1;E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter;224
9.5.2;E2 Spline-Interpolation mit zwei Bahnsegmenten;224
9.5.3;E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter;225
9.5.4;E4 Simulation einer Eingelenkregelung;227
10;Literatur;228
11;Formelzeichen;236
12;Index;240
13;Hinweise zur Internetseite;243

Leseproben

Komponenten eines IndustrierobotersBeschreibung einer RoboterstellungTransformation zwischen Roboter- und WeltkoordinatenBewegungsart und InterpolationRoboterprogrammierungModell der DynamikRegelung

Über Autor(innen)

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Weber vertritt die Fachgebiete Regelungstechnik/Robotertechnik im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule Darmstadt.