Angesichts der zunehmenden Automatisierung industrieller Produktionslinien beschreibt dieser Artikel die technische Anwendung des 6-Achs-CNC-Systems und des AC-Servosystems von Delta Electronics in Industrieroboterarmen. Er hebt die vielfältigen Funktionen des Delta Electronics CNC-Systems hervor und bietet in Kombination mit der überlegenen Leistung des Delta-Servosystems wertvolle integrierte Lösungen für Kunden. Mit der steigenden Automatisierung und Flexibilität industrieller Produktionslinien werden Industrieroboterarme vermehrt in Produktionsprozessen wie Lackieren, Verpacken, Schweißen und Montieren eingesetzt, um manuelle Arbeit in anspruchsvollen Umgebungen zu ersetzen. Diese Fallstudie beschreibt die Nutzung der 6-Achs-Verkettung und der automatischen NC-Programmgenerierungsfunktionen des 6-Achs-CNC-Systems von Delta Electronics in Kombination mit der robusten Steuerung und dem integrierten Positionsregister des Delta ASDA AC-Servosystems. Dadurch wird die technische Transformation des Steuerungssystems und der automatisierten Produktionslinie des 6-Achs-Roboterarms realisiert. 1. Analyse der technischen Anforderungen und Herausforderungen: Der Kunde erwarb diesen 6-Achs-Roboterarm für die Dosier-, Imprägnier- und Trocknungsprozesse in einer Transformatorenfertigungslinie. Der Prototyp wurde in Japan gefertigt. Aufgrund irreparabler Schäden am Steuerungssystem wurde eine Änderungsanforderung gestellt, die folgende Anforderungen an das Steuerungssystem und die Servos stellt: [align=center] Abbildung 1 Fortschrittliches FMS Flexibles unbemanntes Fertigungswerkstatt [/align] 2.1 Servobewegungsachsen Mechanisch ist der sechsachsige Roboterarm mit einem 6-DOF-Raumkoordinatensystem ausgelegt. Die X-, A-, B- und C-Achsen verwenden Servomotoren, die über 1:10-Getriebe für indirekte Kraftübertragung angetrieben werden und eine Kreisbewegung von ca. 360 Grad ausführen. Die Y- und Z-Achsen verwenden Servomotoren, die über Kugelgewindetriebe mit 10 mm Steigung angetrieben werden und mit einem Hebelarm für eine Kreisbewegung von ca. 120 Grad verbunden sind. Diese sechs Servoachsen müssen sich synchron bewegen können. Der Kunde wünschte die Hinzufügung einer Servoachse D, die den Roboterarm über einen Kugelgewindetrieb vorwärts und rückwärts bewegen soll, sodass er sich frei an jede Position der Produktionslinie bewegen kann, ohne dass eine synchrone Steuerung erforderlich ist. Der Kunde forderte außerdem, dass das Steuerungssystem sieben Achsen ansteuert, wobei mindestens sechs Achsen miteinander verbunden sein müssen, und dass die Servoachsengeschwindigkeiten einstellbar sind. Darüber hinaus unterscheidet sich das Servosteuerungssystem von herkömmlichen Roboterarmen mit kartesischen Koordinaten, da der Roboterarm in seiner mechanischen Konstruktion ein 6-DOF-Raumkoordinatensystem verwendet. Daher variiert die Trägheit der mechanischen Last während der Bewegung aufgrund der unterschiedlichen Hebelarme erheblich. Dies erfordert vom Servosystem eine ausgezeichnete Stabilität, Reaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit an Laständerungen. 2.2 Genauigkeitsanforderungen Mechanische Nullpunktgenauigkeit: +/-1 Grad. Wiederholgenauigkeit: +/-1 Grad. Positioniergenauigkeit: 2 mm. Das Steuerungssystem und das Servosystem müssen über eine Rückkopplung verfügen, um die Genauigkeit der mechanischen Bewegung zu gewährleisten. 2.3 Verarbeitung von NC-Bearbeitungsprogrammen Da ein 6-DOF-Raumkoordinatensystem verwendet wird, ist eine manuelle oder softwarebasierte Programmierung nicht möglich. Daher muss das Steuerungssystem über Lernfunktionen verfügen, die in der Lage sind, NC-Bearbeitungsprogramme auf Basis erfasster Daten automatisch zu generieren sowie diese zu bearbeiten und zu speichern. 2.4 Zusatzfunktionen Hinsichtlich der Zusatzfunktionen muss das Steuerungssystem die Ansteuerung mehrerer pneumatischer Magnetventile mittels NC-Befehlen ermöglichen, um mechanische Funktionen zu realisieren. Bei Bedarf können Detektionsschalter hinzugefügt werden. 2.5 Sicherheitsschutz Bezüglich des Sicherheitsschutzes muss das Steuerungssystem neben der erforderlichen Stabilität des Controllers auch über die notwendigen Sicherheitsschutzfunktionen verfügen. 2 Machbarkeitsanalyse des Systementwurfs Durch die Analyse der Anforderungen an die mechanische Konstruktion und die Steuerungstechnik wurde eine Steuerungsarchitektur mit 6 Achsen + 1 Achse ermittelt. Diese besteht aus einem 6-Achs-CNC-System von Delta Electronics als übergeordnetem Controller und sieben AC-Servosystemen von Delta als untergeordneten Controllern. Die detaillierte Analyse ist wie folgt: 2.1 Hauptmerkmale des 6-Achs-CNC-Systems von Delta Electronics (1) Sechs unabhängige Servoachsenschnittstellen zur Ansteuerung der Achsen 1 bis 6, die die Anforderungen an die Bewegungssteuerung der Servoachsen erfüllen. (2) Die Servo-Schnittstelle mit Spannungssteuerung (V-Command) und einer minimalen Auflösung von 0,001 mm ermöglicht in Verbindung mit Rasterlinealen oder Drehgebern die Realisierung von geschlossenen und halbgeschlossenen Regelkreisen und erfüllt somit die Genauigkeitsanforderungen. (3) Die maximale Ansprechgeschwindigkeit des Drehgebers von 500 kPPS ermöglicht eine schnelle Positionierung. (4) Der integrierte Lehrmodus speichert die aktuellen mechanischen Koordinatenpunkte und generiert automatisch NC-Bearbeitungsprogramme basierend auf den erfassten Daten. Die generierten Programme lassen sich einfach bearbeiten und lesen. (5) Der Controller verfügt über 240 KB Speicherplatz für bis zu 1000 NC-Bearbeitungsprogramme. Die Bearbeitung der Programme erfolgt bequem über die Standard-CNC-Tastatur. (6) Dank einfacher TNC-I/O-Steuerungsbefehle und integrierter SPS-Entwicklung lassen sich Zusatzfunktionen flexibel über NC-Programme realisieren. (7) Die integrierte programmierbare SPS (SPS) verfügt standardmäßig über 24 Eingänge und 16 Ausgänge, erweiterbar auf 96 Eingänge und 64 Ausgänge. Damit werden die Anforderungen an Sicherheitsschaltungen wie elektrische Verriegelung, Fahrwegschutz und Not-Aus vollständig erfüllt. (8) Mit dem externen elektronischen Handrad lässt sich die Funktion „Handradtest für Bearbeitungsprogramme“ realisieren, um mechanische Kollisionen zu vermeiden. Vergleichende Analysen zeigen, dass das 6-Achs-CNC-System von Delta Electronics die Anforderungen an eine Host-Steuerung für Roboterarme vollumfänglich erfüllt. 2.2 Hauptmerkmale des Delta AC-Servosystems : (1) Es bietet verschiedene Steuermodi, ist flexibel mit der Host-Steuerung kompatibel und vielseitig einsetzbar. (2) Die acht frei konfigurierbaren Positionsbefehlsregister über den integrierten Bewegungscontroller und die externen Ein-/Ausgänge des Servos ermöglichen die präzise Steuerung der siebten Achse (D-Achse) der Maschine. (3) Der robuste Steuermodus gewährleistet auch bei stark schwankenden Lastträgheitsmomenten eine hervorragende Performance. (4) Es verfügt über Glättungsfunktionen für die Positions-P-Kurve und die Geschwindigkeits-S-Kurve. Die Befehlsquelle wird unabhängig davon geglättet, ob es sich um einen externen Analogeingang oder eine interne Registereinstellung handelt. (5) Umfangreiche Softwarefunktionen erleichtern die Fehlersuche. Vergleichende Analysen zeigen, dass das Delta-AC-Servosystem die Anforderungen an einen untergeordneten Controller für Roboterarme vollumfänglich erfüllt. Nach Analyse und Berechnung der mechanischen Struktur, der Lastträgheit und des Ausgangsdrehmoments wurden die folgenden Servoantriebe als untergeordneter Controller ausgewählt: ASDA 3 kW (1 Einheit), ASDA 2 kW (1 Einheit), ASDA 1 kW (2 Einheiten), ASDA 200 W (2 Einheiten) und ASDA 100 kW (1 Einheit), insgesamt 7 Servoantriebe. 3. Implementierung der Lösungsfunktionen 3.1 Steuerungssystem Die Architektur des 64XIS+1-Achsen-Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. [align=center] Abbildung 2 Steuerungsarchitektur des 64XIS+1-Achsen-Systems[/align] 3.2 Hardware-Zusammensetzung und Implementierung der 6+1-Architektur Die Hardware des Steuerungssystems besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem CNC-Steuerungssystem, dem Servosystem und weiteren Hilfskomponenten. 3.2.1 CNC-Steuerungssystem Das CNC-System verwendet ein Delta-Sechs-Achs-CNC-System, das als Steuerzentrale des Roboterarms dient. Neben der Bewegungssteuerung, wie z. B. der linearen Interpolation, ermöglicht es auch die Bildschirmanzeige, die Parametereinstellung, die Programmbearbeitung und die SPS-Logiksteuerung. 3.2.2 Servosystem Das Servosystem verwendet sieben Delta-A-AC-Servoantriebe und -motoren. Eine ASDA-3-kW-Einheit steuert unabhängig den mechanischen D-Achsen-Verschiebetisch und bewegt so den Roboterarm vor und zurück, wodurch dieser sich frei an jeder beliebigen Position der Produktionslinie bewegen kann. Der Servo-Steuerungsmodus verwendet Deltas einzigartigen PR-Steuerungsmodus für AC-Servos. Die Befehlsquelle ist das Delta-AC-Servo-Positionsbefehlsregister mit 8 internen Positionsbefehlen (eingestellt über die Parameter P1-15 bis P1-30), die Servomotordrehzahl wird über die Parameter P1-36 bis P1-43 eingestellt. Mithilfe der CNC-System-I/O-Ausgänge OUTPUT Y0-Y3 sowie der Servo-CN1-Schnittstelle I/O POS0-POS2 und GTRG kann einer der 8 Befehle als Positionsbefehlsquelle ausgewählt werden. Sobald die steigende Flanke des Servo-CTRG-Signals ausgelöst wird, fährt der Servomotor zum vorgegebenen Ziel. Die übrigen 6 Servos sind: ein ASDA 2-kW-Servo zur Steuerung der räumlichen Bewegung des Roboterarms auf der X-Achse; zwei ASDA 1-kW-Servos zur Steuerung der räumlichen Bewegung des Roboterarms auf der Y- und Z-Achse; zwei ASDA 200-W-Servos zur Steuerung der räumlichen Bewegung des Roboterarms auf der A- und B-Achse. und eine ASDA 100-kW-Einheit zur Steuerung der räumlichen Bewegung der C-Achse des Roboterarms. Diese sechs Servos arbeiten im Drehzahlregelungsmodus. Das CNC-System gibt eine analoge Spannung von +/-10 V am Servoachsenanschluss aus, um die Drehung des Servomotors zu steuern. Der Bewegungsstatus der Servos wird in Echtzeit über den PG-Teilungsverhältnis-Ausgang des Servotreibers (OA/OB/OZ-Signal) an das CNC-System zurückgemeldet, um eine halbgeschlossene Regelung zu erreichen und die Bewegungsgenauigkeit des Roboterarms sicherzustellen. 3.2.3 Weitere Hilfskomponenten Zu den weiteren Hilfskomponenten gehören im Wesentlichen: Ein elektronischer Impulsgenerator (MPG-Handrad), DC 5 V, der Impulssignale zur Steuerung der Servoachsenverschiebung im manuellen Modus und im Teach-Modus erzeugt. Ein Leistungstransformator, 7,5 kVA, Drehstrom 380 V/Drehstrom 220 V, der das Servosystem mit Strom versorgt. Ein Steuertransformator, 500 VA, Wechselstrom 380 V/Wechselstrom 220 V, der die Steuerspannung für das CNC- und das Servosystem bereitstellt. Ein Schaltnetzteil (500 VA DC24V AC220V/DC24V) versorgt die Steuerschaltung mit Gleichstrom. Die Eingangsplatine (NPN-Typ) dient zum Anschluss von Sensorsignalen wie Tastern, Endschaltern und Relaiskontakten. Die Ausgangsplatine (NPN-Typ) steuert Zwischenrelais, Miniatur-Magnetventile und andere DC24V-Verbraucher. Zwischenrelais (DC24V) erhöhen die Kapazität der Ausgangsplatine und bieten Schutz für die Schaltung. Pneumatische Magnetventile (DC24V) steuern die Spannzylinder des Roboterarms und weitere Hilfsfunktionen der Produktionslinie. Verschiedene Taster und Schalter liefern unterschiedliche Sensorsignale. Dank dieser Hardwarekonfiguration und Architektur kann das 6-Achs-CNC-System von Delta Electronics die Bewegung eines 6-Achs-Roboterarms und eines unabhängigen Verfahrtisches über analoge Geschwindigkeits- und Spannungsbefehle sowie externe I/O-Ausgangssignale steuern. 3.3 Implementierung der Teach- und Handradtestfunktionen: Das 6-Achs-CNC-System von Delta verfügt über Teach- und Handradtestfunktionen. Diese beiden Funktionen lassen sich durch die erforderliche SPS-Bearbeitung aktivieren, was die Programmkompilierung und -prüfung vereinfacht. Wird der Sechs-Achs-Roboterarm mit externen Ein-/Ausgängen und einem elektronischen Handrad aktiviert, folgt sein Betrieb dem Prozess „Lernen und Anlernen → Generierung eines NC-Programms → Bearbeiten und Modifizieren des NC-Programms → erneute Ausführung des Roboterarms“. Das bedeutet, dass ein Benutzer dem Roboterarm das Verhalten über ein Teach-Panel beibringt. Während des Lernvorgangs erfasst das CNC-System die Positionsinformationen der Endpunkte jedes Gelenks und zeigt sie als NC-Code auf dem Bildschirm an. Nach Abschluss eines Lernzyklus speichert das CNC-System eine neue Datenwarteschlange im NC-Code. Der Benutzer kann das aktuelle NC-Programm über die Standard-CNC-Tastatur bearbeiten und Befehle wie Bewegungsgeschwindigkeit und Ansteuerung externer Ein-/Ausgänge hinzufügen. Dadurch werden alle für den Betrieb des Roboterarms benötigten Informationen generiert. Nach der Bearbeitung ermöglicht die Aktivierung der „Automatischen Lauf“-Funktion des CNC-Systems das automatische, sequenzielle Einlesen der Datenwarteschlange und der Befehlsinformationen sowie deren Übertragung an den Servoregler und die externen Ein-/Ausgänge zur Steuerung der Roboterarmbewegungen. Nach der Bearbeitung der mit der „Teach“-Funktion generierten Daten kann vor dem Ausführen der „Automatischen Lauf“-Funktion die „Handradtest“-Funktion aktiviert werden, um das bearbeitete Programm neu zu kalibrieren. Bei Aktivierung des „Handradtests“ führt der Roboterarm die Aktionen gemäß den zuvor bearbeiteten Anweisungen aus. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Servoachse wird durch die Drehzahl des Handrads und das MPG-Verhältnis bestimmt. Sobald das Handrad stoppt, stoppt auch die Servoachse; dreht es sich weiter, führt die Servoachse die Aktion fort und verhindert so mechanische Kollisionen. Nach Abschluss des Tests kann der Roboterarm durch Aktivierung der „Automatischen Lauf“-Funktion mit der im Programm festgelegten Geschwindigkeit normal arbeiten. [align=center] Abbildung 3 Hülsenverbindungsstruktur[/align] 3.4 Flexible externe E/A-Steuerung und Implementierung von Zusatzfunktionen Der Endeffektor des Roboterarms ist ein pneumatischer Zylinder, der von einem Magnetventil angetrieben wird, um die Greif- und Lösebewegungen der Roboterfinger auszuführen. Die flexible externe E/A-Steuerung des 6-Achs-CNC-Systems von Delta Electronics kann nicht nur durch Bearbeiten des SPS-Programms innerhalb des CNC-Systems, sondern auch durch direktes Einfügen geeigneter einfacher E/A-Steuerungsbefehle in das NC-Programm realisiert werden. Beispielsweise gibt G11 P1 *** an, dass OUT-PUT *** EIN ist und der Befehl "RESET" ungültig ist. G12 P *** wartet auf INPUT *** EIN, bevor das Programm den nächsten Befehl ausführt usw. Mithilfe dieser Befehle können Benutzer die externe E/A-Steuerung flexibel realisieren. Der Arbeitsablauf des Roboterarms und die NC-Programmierung sind in Abbildung 4 dargestellt. [align=center] Abbildung 4: Arbeitsablaufdiagramm[/align] 3.5 Servo-Systemanpassung und Glättung der Ansteuerung Da der Roboterarm in seiner mechanischen Konstruktion ein 6-DOF-Raumkoordinatensystem verwendet, variiert die Trägheit der mechanischen Last aufgrund der unterschiedlichen Hebelarme bei der gleichzeitigen Bewegung der sechs Achsen stark. Dies erfordert vom Servo-System eine ausgezeichnete Stabilität, Reaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit an Laständerungen. Optimale Einstellergebnisse lassen sich durch die integrierte „Automatische Verstärkungsanpassungsfunktion (PDFF Robust Control Mode, Parameter 2-32)“ des Servomotors der Delta-A-Serie erzielen. In diesem Anpassungsmodus bleibt die Leerlaufverstärkung des Servos bei 1 Hz stabil, wenn sich die Lastträgheit innerhalb eines bestimmten Bereichs beliebig ändert. Die Bandbreite passt sich entsprechend den Änderungen der Lastträgheit an, wobei gute Phasengrenzen erhalten bleiben. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der stationäre Nachführfehler des Servos mit der Lastträgheit nicht ändert. Gleichzeitig wird der durch die mechanische Struktur während des Betriebs des Roboterarms (insbesondere der D-Achse, da diese interne Befehlsquellen nutzt) entstehende Stoß durch Aktivierung der integrierten Kurvenglättungsfunktion (Parameter 1-34 bis 1-36) des Servomotors der Delta-A-Serie effektiv kompensiert. Die Glättungsfunktionen P-Kurve für die Position und S-Kurve für die Geschwindigkeit glätten die Bewegungsbefehle und sorgen so für eine kontinuierliche Geschwindigkeit und Beschleunigung des Motors. Dies verbessert die Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften des Motors deutlich und optimiert den Betrieb der mechanischen Struktur. [align=center]Abbildung 5: Servosystemeinstellung und Befehlsglättung[/align] 4. Fazit: Die auf der oben beschriebenen Architektur basierende Robotersteuerungslösung bietet die Vorteile hoher Regelgenauigkeit, hoher Systemstabilität und flexibler Bedienbarkeit. Dies ist eine typische Anwendung, die speziell für Delta-CNC-Systeme und Delta-Servosysteme entwickelt wurde. Durch die Nutzung der vielfältigen Funktionen des Delta-Sechs-Achs-CNC-Systems in Kombination mit der hervorragenden Leistung des Delta-Servosystems kann es in verschiedenen Bereichen der industriellen Automatisierung breit eingesetzt werden und ist in der Lage, Kunden wertvollere, kundenspezifische integrierte Lösungen zu bieten.