Industrie-Roboter mit Gefühl

[erik_wolfram]

Hallo,

Wir sind derzeit damit beschäftigt die Firma zu automatisieren. Hierzu wurde ein Roboter mit einer Tragkraft von 100Kg gekauft.
Seine Aufgabe besteht daraus Teile mit einer Polierscheibe zu polieren. Hierzu ist ein kleiner Drehstrommotor auf Gummipuffern auf dem Werkzeugflansch der Roboters gelagert. Die Andruckkraft (bis zu 50Kg) wird über die Zustellung und dem daraus folgenden Nachgeben der Puffer geregelt.
Das funktioniert soweit wunderbar!

Das Problem ist hierbei, dass durch ständig wechselnde Teile eventuelle Bedienerfehler fatale Folgen hätten da der Roboter nicht nachgeben würde....

Hierzu dachte ich an eine Art digitales Längenmessgerät um bei einem zu starken Nachgeben der Gummipuffer einen Nothalt auszuführen.

Von den Herstellern ABB, Fanuc und KuKa werden mittlerweile sogenannte Force Controll angeboten.
Diese besteht aus einer mit Dehnungsmessstreifen versehenen Metallplatte zwischen Roboterflansch und Werkzeug sind allerdings teurer und setzen eine entpsrechend aktuelle Steuerung vorraus.

Als Alternative hatte ich einen (bzw. min 2) digitalen Messtaster mit entsprechender Auswertung ins Auge gefasst.
Diese werden aber selbst in der einfachsten Ausführung bei bekannten Hersteller sehr teuer ~1000€.

Nun suche ich nach einer eventuellen günstigeren Lösung für dieses Problem. Leider fällt mir bisher keine andere Lösung ein.

Wichtig is auch, dass Flansch und Werkzeug nicht nur linear, sondern auch in alle anderen Richtungen nachgeben und somit auch seitliche Bewegungen am Messsystem anfallen!
Als Messgenauigkeit wäre 5/100 - 1/10 ausreichend!

ich hoffe, dass mir vielleicht der ein oder andere einen Tip oder eine Empfehlung geben könnte, welche Sensoren für diese Anwendung evlt. noch denkbar wären?

MFG Erik

(Im Anhang befindet sich eine vereinfachte Skizze um Aufbau und die Belastungsfälle zu skizzieren)

[ranke]

Denkst Du an einen analogen Sensor, oder einen Schalter mit dem Du nur das Überschreiten einer Maximalauslenkung feststellen kannst (ich frage das besonders in Hinblick auf die 5/100 bis 1/10 Auflösung, die Du vorschlägst). Oder andersherum gefragt: bei welchen Auslenkungen soll Not-Aus gegeben werden?

Prinzipiell geeignet wären wohl induktive Näherungssensoren (sind meist Schalter, es gibt aber auch analoge (http://www.dietz-sensortechnik.de/shop/439.html)), evt. Hall Sensoren (ebenfalls meist schaltend, gelegentlich analog (http://www.allegromicro.com/en/products/part_numbers/1301/index.asp)). Letztere bräuchten noch einen Magnet, das ist vielleicht bei stark eisenhaltiger Luft nicht so optimal. Optisch ist wegen Verschmutzung meistens auch nicht so günstig, ich wüßte auch keinen geeigneten Fertigsensor, die Sharps sind ja etwas grob.
Kapazitive Näherungssensoren gibt es auch, die kenne ich nicht so genau, dass ich für deine Anwendung irgendeinen Vorteil gegenüber den induktiven nennen könnte.

[erik_wolfram]

Hallo,

ich denke dabei an einen Sensor, keinen Schalter. Da ich über das System neben der Überlast/Kollisionserkennung auch den Andruck des Werkzeugs messen möchte.
D.h. ich bräuchte einen ablesbaren Wert und eine Verarbeitung der Grenzwerte zum Auslösen des Not-Aus.

Leider denke ich, dass so keine Nährungsschlater in frage kommen...

Den Arbeitsbereich würde ich auf 5mm weg beschränken - eine mechanische Begrenzung sollte dabei kein Problem sein!

MFg erik

[ranke]

Die mechanische Begrenzung ist selbstverständlich ein muss.
Von der Beschreibung kommt vielleicht etwa dieser hier (http://www.pepperl-fuchs.de/cps/rde/xchg/germany/hs.xsl/143_induktive_sensoren.htm/papp/Selektor/http://www.pepperl-fuchs.com/selector/gui/show_product_detail.kly?selected_prod_id=1003&lang=DEU) in Frage
Messbereich 3..8 mm
Reproduzierbarkeit 0..15 Tausendstel
Nettolistenpreis EUR 136,--/Stück.
Die Linearität ist zwar nicht berauschend, das könnte man natürlich kalibrieren, wenn man es genauer haben will.
Interessant ist dann noch die Anordnung zwischen den Flanschen, wie man die einzelnen Freiheitsgrade am besten entkoppelt, man wird ja mehrere Sensoren benötigen. Möglicherweise ist es dazu zweckmäßig, die elastische Aufnahme nochmals umzukonstruieren.

Edit: der Link geht wohl nur mit den entsprechenden Coockies, ich wollte auf diesen Typ verlinken:
Induktiver Analogsensor IA8-30GM-I3 von Pepperl & Fuchs

[Thoralf]

wir arbeiten viel mit induktiven Sensoren, die aber in fast allen Fällen eine teure Auswerteelektronik brauchen. Der gescheiteste Ausweg wäre potentiometrische Sensore. Die sind wie ein Schieberegler aufgebaut und halten viele 10.000 ...100.000 Lastspiele aus.
Die Ansteuerung ist easy, da sie sich eben wie ein Potentiometer mit 5V (o.a) versorgen lassen. Am Ausgang ist ohne weitere Verstärkung eine Spannung von 0...5V messbar.
Preislich liegen die meist zwischen 100..300 €

[ranke]

@Thoralf
Der von mir oben genannte Sensor hat ein Ausgangssignal 0..20mA, das ist ähnlich simpel auszuwerten wie ein direkter Spannungsausgang beim Potentiometer. Als Vorteil des Potentiometers würde ich die bessere Linearität sehen ("mein" induktiver hat einen Fehler von +/- 10 % vom Endwert, das ist natürlich nicht so toll).
Kannst Du evt. ein Datenblatt oder Bezugsquelle verlinken, dann könnte man besser vergleichen?

[erik_wolfram]

Hmmmm,
also das mit den induktiven Sensoren kommt mir schon sehr entgegen - auch preislich ist das noch akzeptabel.
Einen großen Vorteil sehe ich darin, dass das Ganze berührungslos erfolgt - das sich ständig bewegende Werkzeug würde andere Messungen sehr behindern.

Die Schieberegler sind sicher eine genauere und günstigere Angelegenheit - aber die erwähnte Bewegung erschwert ein anbringen dieser erheblich!

10% Abweichung sind nicht ohne, aber nach eine Kallibrierung könnte ich mich damit abfinden.

Danke für die Hilfe!

(Ich bin natürlich immer für weitere Vorschläge offen!)

[Thoralf]

hier mal ein Datenblatt von der Fa. Megatron www.megatron.eu

http://www.megatron.eu/SMC3/plugin-transformer?trafo=PDF&plugin=doc&mode=designin&method=GetFolderInfo&tp_subRulesID=1206567953264&webdavID=1219047307984&language=de&objType=doc

Preise hab ich leider nicht gefunden, habe die aber als nicht so teuer in Erinnerung.
Übrigens ist ein weiterer Vorteil der pot. Aufnehmer die hohe Langzeitstabilität, die ansich nur von der Versorgungsspannung abhängt.

[ranke]

Thoralf, danke für das Datenblatt.
Die geben bei dem Poti 40 Mio Achsbewegungen als Lebensdauer an. Klingt erstmal viel, wenn aber ein Drehstrommotor mit 3000 1/min und etwas Unwucht draufsitzt, dann entspricht das nur 110 Stunden (etwa 3 Wochen einschichtig). Das sollte man vorher abklären (auch die Schutzart ist mit maximal IP 54 nicht so berauschend).
Zur Genauigkeit (und Linearität): die braucht beim Sensor nicht wahnsinnig toll zu sein, die Gummipuffer haben mit Sicherheit einen deutlichen Temperaturgang in Volumen und E-Modul. Die Federkennlinie ist vermutlich deutlich nichtlinearer als +/- 10% und für jeden Belastungsfall (Zug, Druck, Scherung) anders. Kalibrieren muss man also immer und besonders hohe Genauigkeit wird man nie erreichen. Man wird aber hautsächlich Reproduzierbarkeit haben wollen, das könnte ich mir durchaus vorstellen, dass das befriedigend geht.

[Manf]

Ich lese hier nur eifrig mit und ich will auch nicht dass man meinetwegen anfängt die Sache genauer zu erklären. Aber wenn es schon bekannt ist:

Wo im Bild Roboter kommen denn die Wegsensoren hin, die den Arm und seine Umgebung vor Überlastung schützen sollen?
Wieviele Sensoren werden es etwa sein?

Wie groß schätzt man das Verhältnis der kritischen Kräfte in Bezug auf die unterschiedlichen Lastfälle (nach Bild oben: Stauchen, Torsion, Kippen) an den Sensoren.

(Kippen tritt bei den vier Puffern in zwei Richtungen getrennt voneinander auf und wird wohl sehr viel empfindlicher erkannt als ein Stauchen bzw Ziehen.)

[erik_wolfram]

ok, die Frage ist ja berechtigt:

Sicher, die Gummipuffer geben bei seitlicher Belastung wesentlich mehr nach als beim Stauchen oder ziehen. (Per Hand ist nich viel zu machen)
Da sich das Werkzeug aber, gegeben durch das Werkstück, in meinem Fall zentriert sind die Belastungen nur beim Eilgang bei An- und Abfahrt am höchsten und die Verdrehung erfolgt wenn, nur durch die Rotation der Werkzeugspindel.
Der Andruck auf das Werkstück befindet sich geschätz zwischen 20-50Kg - welche dann aber genau zur Mitte des Roboterflansches gerichtet sind.

Sollte die Zentrierung nicht erfolgen und das Werkzeug gibt in eine seitliche Richtung nach - soll dieses als Ausschlag vermerkt - als Fehlerfall gelten!

Bezüglich der Positionierung dachte ich entweder an 2 gegenüberliegende Sensoren, oder gar 4 jeweils zwischen 2 Gummipuffern.

[Manf]

Da sind es höchstwahrscheinlich erst einmal 2 Sensoren die mit 90° Abstand am Umfang verteilt sind und die axial Zug und Druck erkennen.
Torsion ist damit praktisch noch nicht abgedeckt.
Kippen und Stauchen (und die Kombinationen davon) wirken dabei aber auch je nach Länge des Werkeugs sehr unterschiedlich auf die Sensoren, ich hatte in dem Zusammenhang nur über die 10% oben nachgedacht.

[Thoralf]

@ erik:
ja, eine Skizze wäre sehr hilfreich. Die o.a. ist dafür noch nicht zu aussagekräftig.

@ranke:
Steifigkeit bzw. Emodul von Elestomeren ist extrem temperaturabhängig und nicht linear. Wirmachen ziemlich oft derartige Versuche. Dazu kommt, dass Lastspiele den Gummi quasi warm- und damit weichkneten.
Zur Kraftmessung sind die m.E. sowieso nicht geeignet.

Die Lastspielzahl der Aufnehmer ist nur eine Garantiegröße. Die schaffen durchaus eine Zehnerpotenz mehr ohne groß "auszuklappern".

@all
Eine Kraftmessung wird meist durch eine Verformungsmessung eines elastischen Körpers (Spiralfeder, Tellerfeder, einen O- oder faßförmigen Dehnkörper usw.) mittels irrgendeines Wegaufnehmers (IWA, Potiaufn., DMS u.v.a.m) realisiert.
Zur Lösung der o.a. Kraftmessers würde ich eine geeignete Feder mit potent. oder indukt. Aufnehmer in den Kraftweg applizieren. Genauigkeit war hier ja nicht ganz so entscheident.
Aber dazu müßte man mehr konstruktives wissen.

[Richard]

Hmm, wie ist es denn mit Druck z.B. Öeldruck Sensoren, von der Mechanischen Realisierbarkeit einmal abgesehen?

Gruß Richard

[Thoralf]

wie gesagt, man müßte wissen, wie die vorgesehene Konstruktion aussehen soll.
Öldruckgeber wären ok, sollten aber nicht bis in den Zugbereich gebracht werden.