Planung von Robotern

[skullmonkee]

Hallo liebe Community,

vor ein paar Monaten habe ich angefangen, mich in CAD-Programme einzuarbeiten. Jetzt habe ich einiges an Erfahrungen gesammelt und auch schon einige mechanische Teile (zB. Räder, Turbinen etc.) designed, um Erfahrungen zu sammeln.
Davor habe ich auch schon einige Roboter mithilfe von Tutorials nachgebaut, allerdings nur mit Holz. Dadurch dass ich einen 3D-Drucker besitze, wollte ich mich nun mithilfe von inventor oder solidworks einen Roboter komplett von Grund auf bauen.
Das einzige was mir bei der Modellierung von selbstgestalteten Teilen schwer fällt, ist die richtige Bemaßung der Teile.
Meine Frage ist jetzt: Wie kann ich einen Roboter komplett selbst designen? Also wie bestimme ich am besten das Layout der Teile, wie bestimme ich die Maße der skizzierten Elemente und was muss ich im Vorfeld beachten, wenn ich einen Roboter bauen möchte?
Ich habe mir auch überlegt, ob es nicht vielleicht sinnvoll wäre, ein Prototypenmodell aus Holz zu bauen, sodass man dann die Teile direkt dort verbauen kann und dann abmessen kann?

[i_make_it]

Was Du machen möchtest nennt sich konstruieren (Konstruktionslehre).

Es gibt erst mal äußere Kräfte die auftreten und denen das zu konstruiernede System standhalten muß.
Dann hat das System eine (oder mehrere) Funktion(en) die es erfüllen soll.
Wenn es ein Roboter sein soll, der nur rumfahren können soll, dann plant man mit welchen Rädern (Durchmesser) es wie schnell fahren können soll und welche Beschleunigung es schaffen soll. Damit kann man einen Motor festlegen und den Motortreiber sowie die notwendige Batterie.
Das Ganze hat eine Masse und wiegt also was. Auch unterliegt es der Massenträgheit. Daraus ergeben sich Kräfte die auf die Motorhalterung, das Fahrwerk, das Chassis etc. wirken. Dann hat der Werkstoff eine bestimmte Festigkeit (bei 3D-Druck , quer zur Lage hoch und von Lage zu Lage niedrig) Diese Festigkeit bestimmt die Dimensionierung der Bauteile.
Je kleiner so ein Roboter ist um so unwichtiger und vernachlässigbarer wird die Konstruktion. Je größer und schwere, um so wichtiger wird der Part.
Es hängt also davon ab was Du bauen willst, was es alles können soll und wie groß und schwer es wird, ob du einfach über den Daumen peilen kannst oder richtig konstruieren musst.
Eine pauschale Antwort ist also nicht möglich.

Ein Modell ist hilfreich, wenn es Zeit und Kosten spart um festzustellen ob etwas so machbar ist wie Du es Dir vorstellst.
Der Werkstoff ist egal. Wenn es um ein Lichtprofil geht (also ob sich mehrere Beuteile räumlich ins Gehege kommen) geht auch Styropor oder ein Topfschwamm. Für eine Verkleidung kann man auch Papier nehmen und das mit einem Kunsstoff wie Epoxidharz lakieren damit es hällt.
Soll das Modell eine Festigkeit oder Leistung im Verhältinss zum Orginal simulieren wählt man Werkstoffe die bei diesen Parametern passend sind.
Das ist wirklich von Fall zu Fall unterschiedlich.
Es zählt halt nur das Ergebniss/Resultat.

[skullmonkee]

Danke! Konstruktionstechnik war das Wort was ich gesucht habe!
Gibt es in dem Bereich irgendwelche empfehlenswerte Fachliteratur oder andere Quellen, wo man sich mehr über das Thema informieren könnte?

[Andree-HB]

Die Suche "Konstruktionslehre" gibt Dir Unmengen an relevanten Links!

[i_make_it]

Erst mal gibt es die grundlegenden Normen:
VDI 2221 - Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte
VDI 2222 - Konstruktionsmethodik

Dort kann man Leitlinien für das Vorgehen entnehmen.
http://www.optimus-spitzencluster.de/entwicklungsprozessvorgehensmodellnachvdi.pdf
Bei der Konstruktionsmethodik haben sich mittlerweile verschiedene "Schulen" an verschiedenen Universitäten ausgeprägt.
Je nach Quelle kann man also verschiedene Schwerpunkte und Ansichten finden (unter anderem auch zu planed Obsoleszenz).

In den 1990ern waren Roloff/Matek DIE Bücher (heute im deutschen wohl auch noch wenn man in Amazon nachsieht).
Maschinenelemente und Formelsammlung als wichtigstes.
Als Basis dazu halt die Physik (Mechanik, Thermodynamik) und Werkstoffkunde (Chemie, Werkstofftechnologie, physikalische Eigenschaften).
Dank Internet und Google, kann man sich heute auch vor einem Buchkauf schon recht tief einarbeiten und ggf. sogar auf ein Buch verzichten wenn man keine größeren oder komplexen Berechnungen benötigt. Sehr viele einfache Berechnungen kann man bereits durchführen mit dem was man in der Schule in Physik gelernt hat.

[White_Fox]

Vor der Konstruktion steht eigentlich die Konzeption. Die sehe ich bei dir noch nicht.

Mach dir doch erst mal Gedanken darüber was dein Roboter können soll. Einfach nur herumfahren...soll er noch was greifen können? Gelände? Einfache Räder oder gar Kettenantrieb?
Oder ist der Roboter gar schietegal, und eigentlich willst du dich lieber in deinem CAD austoben? Dann vielleicht einfach nur ein Standmodell?

[i_make_it]

@White_Fox die Konzeption gehört nach VDI 2221 zur Konstruktion. Wird so auch gelehrt.
Also erstellen Lasten-/Pflichtenheft (Anforderungsanalyse).
Kreativprozesse wie:
- konstruktives und destruktives Brainstorming
- morphologische Analyse
- Delphi - Methode
- System - Dynamics
- Synektische Verfahren
- Methode 635
- Moderatorenmethode
technisch-wirtschaftliche Bewertung von Lösungsvarianten.
Das findet in den Abschnitten "Planen" und "Konzipieren" statt, die die ersten 4 Konstruktionsphasen umfassen.

Ich vermute das Du unter Konstruieren die Detailkonstruktion verstehst. Das ist dann der Abschnitt "Ausarbeiten" der die Phasen 6 und 7 umfasst.
Dort werden dann einzelne Bauteilberechnungen für die Dimensionierung und Zeichnungen angefertigt.
Da bei vielen Firmen diese Tätigkeit mit der Jobbezeichnung "Konstrukteur" benannt wird, wird das oft missverstanden.

[White_Fox]

Ich habe keine Ahnung wie die DIN Konstruktion definiert. Aber gut zu wissen, danke. Wieder was gelernt. :)

Nein, ich habe Konstruktion eher als "Umsetzung des Konzepts im CAD" kennengelernt. Ich glaub die DIN werd ich mir mal durchlesen...

[Holomino]

Was mir bei der Sache mit oder ohne DIN nicht klar ist: Wie sieht das mit der Produktionsvorbereitung aus:
Mit einer maßstabsgetreuen Zeichnung komme ich beim 3D-Druck nicht sonderlich weit. Bei Löchern z.B. muss ich Übermaße, bei ineinander greifenden Gelenken teilweise auch Untermaße einpflegen. So ein 3D-Drucker ist im Ergebnis längst nicht perfekt.

Wie macht Ihr das? Malt Ihr zuerst die Zeichnung mit Sollmaßen und leitet daraus dann die Produktionszeichnung mit den an den Produktionsprozess angepassten Maßen ab?

[i_make_it]

@ Holomino: Bei der Konstruktion fallen im Eérsten Schritt erst mal Konstruktionszeichnungen, Zusammenbauzeichnungen und Stücklisten an.
Dann geht man an die Fertigungszeichnungen für die einzelnen Teile.
Da kommen dann, für das Herstellungsverfahren spezifische Abweichungen dazu.
Bei modernen Systemen mit CAD würe eine CAD-CAM Kopplung das machen.
Da käme dann für Laserschneiden z.B. rein wie breit der Schnitt ist und daraus ergibt sich der maßliche Offset fürs CNC Programm.
Oder Fräserdurchmesser etc. für andere Verfahren.
Genauso z.B. Werkstoffspezifische Schwundmaße um Formen fürs Gießen herzustellen.

Wenn der Slicer so etwas nicht beherscht (das ist beim 3D-Druck die CAD CAM Kopplungssoftware), dann muß man es in die Fertigungszeichnung (3D-Modell) direkt einarbeiten.
Gewerbliche Software für Rapid Prototyping hat solche Funktionen integriert, aber mein Slicer z.B. hat das auch nicht. Da änder ich auch Maße direkt im Modell.

@White_Fox: die ganze Norm wirs Du nicht im Web finden, da hat der Beuth Verlag den Finger drauf. Also entweder du hast Vitamin-B um da ran zu kommen oder einfach mal nach "VDI 2221 pdf" googlen.
Übrigens leiten sich die meisten Projektablaufschema von der VDI2221 ab. Es gibt das 10 Stufen Modell, wo einfach die 7 Stufen um den Product Livecycle ergänzt wurden und Vereinfachungen. Aber wenn, man VDI2221 kennt, kommt einem plötzlich alles im PM irgendwie bekannt vor.

[Holomino]

Das ist schade, es spiegelt aber auch meine bisherigen Erfahrungen wieder:
- In extern gefertigten Teilen (stl hin, Bauteil zurück) musste ich bislang Löcher immer nachbohren.
- Technische mehrteilige Vorlagen bei Thingiverse & Co sind auch mit Vorsicht zu genießen.

Aber Du hast recht, das müsste dann der Slicer machen. Als Format für den Transfer hat sich stl ja quasi etabliert.

[i_make_it]

Bei gewerblichen Software Suiten für Rapid Prototyping gibt man den Düsendurchmesser ein, den Werkstoff und die Höhe der Lagen sowie die Temperatur.
Daraus wird errechnet wie breit ein Strang beim Extruieren wird und dann das halbe Maß als Offset genommen.
Vermutlich wird das irgendwann auch mal jemand in einen Slicer integrieren.
Lagenhöhe hat man ja eh schon und Düsendurchmesser eingeben ist kein großer Programmieraufwand.
Temperatur ist problematisch, da die meisten ja beim Drucken die Werte anpassen um ein optimales Ergebniss zu bekommen.

Theoretisch müsste man also mal Messreihen durchführen bei denen für jeden Werkstoff für einen Dusendurchmesser je für eine Lagenhöhe die gängige Temperaturspanne durchprobiert wird und mann eine einsträngige Wand über mindestens 10 Lagen druckt.
Dann die Dicke misst und das dann für jede Lagenhöhe (z.B. in 0,02mm Schritten) und alles noch mal für jeden Düsen durchmesser und danach für jeden Werkstoff.
Mit den Werten könnte man dann Korrekturwerte, Korrekturtabellen oder Korrekturformeln erstellen die Bestandteil des Slicers sind oder auf die zugegriffen werden kann.

Das dürfte der Part sein, weswegen das noch nicht existiert.
Wobei einfach ein Offset wert, den man vor dem Slicen eingeben kann wäre ja schon mal ein Anfang.
Da startet man dann mit dem halben Düsendurchmesser und tastet sich dann an das Optimum für einen selbst ran.
Meist arbeitet man ja eh mit Werten (Düsendurchmesser, Lagenhöhe, Temperatur) die man für sich als optimal für einen bestimmten Werkstoff ansieht.

[White_Fox]

@White_Fox: die ganze Norm wirs Du nicht im Web finden, da hat der Beuth Verlag den Finger drauf.
Das dachte ich mir schon...wie schön, einen HS-Zugang zu Perinorm zu haben... :)