Fallstudie:
Modell zur Motordimensionierung eines Delta-Roboters in MapleSim entwickelt

Die Bernecker & Rainer Industrie Elektronik GmbH (B&R) erstellt für Ihre Kunden umfassende Automatisierungslösungen mit höchster Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. B&R hat mit Codian Robotics, einem äußerst innovativen Hersteller von Pick-and-Place-Robotern, beim Antrieb einer Familie von Delta-Robotern für verschiedene Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen zusammengearbeitet.

Das Team hat MapleSim, die hochpräzise Modellierungs- und Simulationsplattform von Maplesoft, dazu eingesetzt, ein Delta-Robotermodell, das auf dem Roboter Codian D4-1300 aufbaut, zu entwickeln und zu testen. Ziel des Projekts war es, ein Modell zu entwickeln, das den Codian-Roboter mit ausreichender Genauigkeit darstellt, um eine zuverlässige Dimensionierung der Motoren mit dem Modell zu ermöglichen und so auf reale Prototypen verzichten zu können.

Der Codian-Roboter wird von B&R-Steuersystemen mit vier B&R-Motoren angetrieben. Er ist darauf ausgelegt, Lasten bis 3 kg bei einer Reichweite von 1.300 mm zu bewegen. Das MapleSim-Modell ist als parametriertes Modell einschließlich der Drehposition, der Trägheit und idealer Getriebekomponenten aus der 1-D-Mechanik-Bibliothek des Motor-Subsystems, starren Rahmen und verschiedenen Arten von Gelenken aus der Multibody-Bibliothek der Arm-Subsysteme entwickelt worden. Die physikalischen Parameter des Referenzroboters, z.B. Längen und Massen der Arme, Masse und Trägheit des Werkzeugs und die Trägheit der Motoren und ihrer Bremsen sind zum Konfigurieren des MapleSim-Modells verwendet worden.

Abbildung 1 - Modellierung der B&R-Motoren und vollständiger Delta-Roboter in MapleSim

Mit ARNC0 (Automation Runtime Numerical Control 0) erzeugte das Forscherteam im B&R Automation Studio mehrere Bewegungspfade, die der Roboter auszuführen hatte, wobei das Drehmoment der Motoren im Verlauf der einzelnen Pfade gemessen wurde. Diese Pfade beinhalten das Aufnehmen eines Werkstücks von einem Fließband, die Drehung des Werkzeugs und das Absetzen. Sie wurden als entsprechende Drehwinkel für die verschiedenen Motoren exportiert und in MapleSim als Zeit-Lookup-Tabellen importiert. Mit den importierten Pfaden wurden die Motoren im Modell gesteuert und das Drehmoment in den einzelnen Simulationen ermittelt.

Die Ergebnisse der Simulation wurden anschließend mit den gemessenen Werten verglichen, um zu bestimmen, wie genau das Modell dem Codian-Roboter entsprach. Für jeden Pfad wurden die Kurven des gemessenen Drehmoments der einzelnen Motoren im Referenzroboter und des simulierten Drehmoments übereinander gelegt.

Abbildung 2 - Drehmoment im Motor A bei der Pick-and-Place-Bewegung vom Fließband

Die Spitzenwerte des simulierten Drehmoments stimmten mit den am Referenzroboter gemessenen Werten so gut überein, dass sie die Motorparameter im MapleSim-Modell bestätigten. Doch obwohl die Spitzenwerte übereinstimmten, gab es Abweichungen bei den Zwischenwerten des Drehmoments. Das Forscherteam will diese Frage angehen, indem es die Modellierung von Vibrationen und Reibung verfeinert.

Die Stangen und der Mittelpunkt des Werkzeugs erzeugen minimale Vibrationen, wobei die oberen Arme die dominante Vibrationsquelle sind. Die Reibung in den Gelenken der Stangen ist sehr gering und kann vernachlässigt werden. Die stärkste Reibung tritt somit in den Getrieben der vier Motoren auf, die ursprünglich mit idealen Getriebekomponenten modelliert worden waren. Bei den Arbeiten zur weiteren Verbesserung des Modells werden Reibungswerte aus den Datenblättern der B&R-Motoren sowie die Verluste durch die Getriebekomponenten in MapleSim berücksichtigt, um die Reibung in den Getrieben genauer zu modellieren.

Nachdem das Forscherteam den Nachweis erbracht hat, dass mit MapleSim ein Robotermodell erstellt werden kann, das für die virtuelle Dimensionierung der Motoren geeignet ist, konzentriert es sich nun auf die Verfeinerung seiner Entwicklung.

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.