Roboterarm bauen

[dealmen]

Hallo,


ich möchte einen Roboterarm mit 5 Gelenken bauen, jetzt bin ich auf der Suche nach Infos.

Hier mal die Eckdaten was ich mir vorstelle.

bis zu 5 Gelenke (Antrieb hab ich mir so etwas vorgestellt Link)
Aktionskreis 1,5m
Gewicht was der Arm stemmen soll 5kg

Was soll er können:
Definierte Bewegungen ausführen
0,5 mm genaue Wiederholung der Bewegungen.
3D Drucken (Möchte einen Extruder montieren)

Infos die mir fehlen:
Benötige ich Servomotoren oder reichen Stepper
Wie wird der Arm referenziert?
Was für einen Controller kann ich benutzen?
Welche Software kann ich nutzen?

Was hab bzw weiß ich:
Habe 3D Drucker und kleine CNC Fräse selber gebaut.
Software Erfahrung Arduino, Linux Mach3 usw.
Bin Elektroniker, habe alle metallbearbeitende Maschinen zur Verfügung (Traub TNA300, FB4)

Danke schon mal in voraus

VG
Hans

[i_make_it]

Hallo,

sportliches Unterfangen.
Arbeitsraum Radius 1,5m.
Handlinggewicht 5kg.
Wiederholgenauigkeit 0,5mm

Wobei 3D-Druck bei 0,5mm Wiederholgenauigkeit ist nicht machbar.
Die Extruderdüsen gehen da von 0,2-0,5mm.
Wenn Du da also bei zweimaligem Anfahren der selben Position 0,5mm daneben liegst, dann sind das 100% bis 250% neben dem Anschlußpunkt der zu druckenden Ebene.
Da kommt dann nur Schrott raus aber keine brauchbaren Teile.

Zu den Motoren. Industrieroboter mit den Daten (5kg, 1,5m) haben üblicherweise Servomotoren.

[oberallgeier]

.. Roboterarm .. Gelenke .. Aktionskreis 1,5m ..0,5 mm genaue Wiederholung der Bewegungen ..

.. sportliches Unterfangen .. Wiederholgenauigkeit 0,5mm ..bei 3D-Druck bei 0,5mm Wiederholgenauigkeit ist .. 100% bis 250% neben dem Anschlußpunkt der zu druckenden Ebene ..

Ich bin mir (wie i_make_it) nicht wirklich sicher, dass Hans beim "Aktionskreis" wirklich den Durchmesser nennt. Aber egal, ich rechne mal nur mit dem Durchmesser.

Aktionskreis 1,5 m bedeutet rund 4712 mm Umfang. Bei 0,5 mm Wiederholgenauigkeit muss auf besser als 4712/0,5 - sprich: besser als 9400 Schritte am Vollkreis gearbeitet werden. Rechnet man das Basisgelenk (Drehbewegung) und das erste Schwenkgelenk (auf - ab) mit jeweils maximal rund 90 Grad Aktionswinkel so muss die Auflösung der Winkelmessung besser (VIEL besser) als 10 Bit sein, sagen wir mal zwölf Bit. Bedenkt man dass ein Minimum von Spiel vielleicht da sein wird, dann brauchen wir nochmal 1 bis zwei Bit zusätzlich. Da die Winkelsensoren wohl selten genau an die eigene Konstruktion optimiert/angepasst sind, sind nochmal ein bis zwei Bit zusätzlich nötig. Die eben genannten Basisgelenke dürften also Winkelsensoren erfordern, die mit zwölf bis vierzehn Bit einen Viertelkreis auflösen können. Klar gibts die, aber dann kommen die Antriebe, an die dieselben Anforderungen gestellt werden (am Abtrieb des Antriebsatzes rund 1/45tel Grad pro Schritt). Und da i_make_it´s Einwand beim 3D-Druck beachtet werden muss reicht das aber immer noch nicht.

Wirklich ein sportlicher Plan. (PS: meine Rechnungen, auch Schätzungen, sind meist ziemlich simpel, manchmal falsch und nur selten exakt).

Wichtig: ich möchte Dich Hans aber bitte ermuntern, nur auf die hohe Anforderung hinweisen.

[Mxt]

Hallo,

ja, ich stimme dem was gesagt wurde auch zu. Sehr ambitioniert, aber zumindest theoretisch machbar.

Ich habe an der Arbeit mit Industrierobotern dieser Größe zu tun, auch schon damit 3D gedruckt.

1500 mm Radius bei 7 kg Traglast wäre die größte Größe wo es noch Industrieroboter mit 230 V Anschluss gibt (Mitsubishi RV-7FLLM-D). Der liegt in der Spitzenlast also in Bereichen wie eine Waschmaschine bei Kochwäsche.

Das spricht für Antrieb und Steuerung auch eher für etwas Industrielles, also z.B. eine SPS mit Drehstromservos. Selber bauen dürfte da in einer ziemlichen Materialschlacht enden.

[i_make_it]

Mit dem angegebenen Maschinenpark dürften R=1500mm aber auch R=750mm (D=1500mm) nicht ohne weiteres z uschaffen sein.
Neben den Meßsystemen und den Motoren geht es ja auch darum das die Konstruktion entsprechend biegesteif ist.
Einfach mal im Gedanken eine Position ohne zu handelnde Masse und dann noch einmal mit 5kg anfahren. Selbst um die 0,5mm einzuhalten, ist da mit Frästeilen nicht viel zu holen.Üblicherweise werden da, um Leichtbau und belastungsgerechte Konstruktion (Rippen da wo sie gebraucht werden sonst möglichst dünn und leicht) umsetzen zu können Gußteile genommen.
Jetzt kann man sich mit Aluguß befassen und könnte so wohl ein leichte, Biegesteife Konstruktion herstellen.
Die Altenrtative ist eine Schraubkonstruktion (Vierkanthohlträger aus Platten), die allerdings dann deutlich schwerer wird.

Bei den Drehgebern bekommt man ja nur Pulse, somit ist die Bitzahl ja nur relevant für die Variablen der Steuerung. bei einem CPC Encoder hat man zwei Signalausgänge (Spur A und B) oder drei, wenn der Encoder ein eigenes Referenzsignal pro Umdrehung hat.
Letzeres ist deutlich teuer als die 15-20€ für die 600p/r Incrementalencoder die man so aus China bekommt.
die mechanische Ankopplung wird allerdings unter dem Gesichtspunkt von Umkehrspiel ziemlich anspruchsvoll.
Hängt man den Encoder direkt an die Motorwelle, bekommt man zwar (je nach Untersetzung) eine gigantische Auflösung, hat aber das gesammte Spiel von Getriebe und Kraftübertragung drin.
Will man das vermeiden und keine elastische Kraftübertragung dafür in Kauf nehmen (Zahnriementrieb) ist man ganz schnell bei Harmonioc Drives wie sie auch in kaufbaren Roboterarmen genutzt werden.
Wenn man sich mit den Möglichkeiten spielfreier Getriebe auseinandersetzt und dabei Gewicht, Baugröße, Wartungsfreiheit und Lebensddauer berücksichtigt, bleibt nur noch das übrig.

Für ein erstes Projekt würde ich einen Arm mit maximal R=750, Handlinggewicht maximal 2kg, Positioniergenauigkeit 0,2-0,4mm und Wiederhohlgenauigkeit 0,2mm empfehlen.
Das wird immer noch schwierig genug, ist aber finanziell nichts das gleich 5 Stellig wird.
Aber 2000-4000€ sollte man da schon veranschlagen.
Neben einer Fräßmaschine ist da allerdings auf jeden Fall noch eine Drehmaschine wichtig.
3D-Druck wird man da nur für Anbauteile nutzen können.
Tragende Teile sind da wohl eher weniger mit herstellbar ohne gleich entsprechend groß zu bauen.

Zur Vorgehensweise:
Ich setze mal vorraus, das ein Vertikal Knickarm gemeint ist, da die meisten Horizontal Knickarm (SCARA) 4 Achsen haben. und ein Portalroboter halt kein Arm ist.

Wenn der Greifer nicht bereits zum Handlinggewicht zählen soll, dann ist der als erstes zu konstruieren und wie er mechanisch und elektrisch an den Handflansch angeschlossen wird.

Danach fängt man mit dem Handgelenk an das ja dann den Greifer plus das Handlinggewicht lagern,bewegen und positionieren muß.

Beim Unterarm kann man sich dann überlegen ob man 5-Achsen oder doch gleich 6-Achsen haben will.
Ellenbogengelenk und Oberarm sind jetzt nicht so komplex wenn man das andere schon durch hat.
Schulter und Basis auch nicht.

Bei den Motoren wären dann in der Klasse bis 2kg noch DC Getriebemotoren möglich oder halt gleich Servomotoren.
Da lohnt dann ein Blick zu den BLDC Motoren, da das genau die Technik der meisten Industrie Seromotren ist.
Die Motorregler sind da dann Frequenzumrichter. Modellbau BLDC Regler sind üblicherweise nicht möglich, da die oft asymetrich reglen (EMK-Bremse). Da macht ein gutes Buch Sinn um sich in die Motortreiber einzuarbeiten.


Mal ein Beispiel eines DC-Servomotors (Z-Achse) aus einem Bandroboter eines größeren Backup Systems.

[dealmen]

Hallo Gemeinde,


erst mal ein gesundes neues Jahr,
dann sorry war im Urlaub
dann wow in dem Forum steckt knowhow!

Ich bin begeistert! Danke für die Infos.

Jetzt gehen wir mal davon aus das der Arm fertig ist, mit welcher Software und Steuerung funktioniert der Arm?
GCode STL Files?

Danke schon mal

Kennt jemand evtl. eine Adresse wo man gebrauchte Arme günstig kaufen kann?

z.B. klick hier

VG
Hans

[Mxt]

Na, dann von mir auch ein gutes neues Jahr

Jetzt gehen wir mal davon aus das der Arm fertig ist, mit welcher Software und Steuerung funktioniert der Arm?

Normalerweise steht die Steuerung schon bei der Auswahl der Antriebe fest, daher verstehe ich die Frage so nicht.

GCode STL Files?

Ja, diesen Weg sind wir gegangen. Aber sowas können normale Roboter nicht von Haus aus. Wir haben da für die C++ Schnittstelle des Industrieroboters einen G-Code Interpreter geschrieben. Davor hängt eine 3D-Drucksoftware von der Stange (damals Viscam-RP) wo unser Robotertreiber als "generic G-Code Printer" eingestellt ist.

Kennt jemand evtl. eine Adresse wo man gebrauchte Arme günstig kaufen kann?

Gebrauchtroboterhändler haben einen ähnlichen Ruf wie Gebrauchtwagenhändler. Aus meiner Sicht sind gebrauchte Industrieroboter für 3D Druck ungeeignet. Wenn es zum Kauf eines neuen nicht reicht, dann eben mieten.

[dealmen]

Hallo Mxt & i_make_it

danke für die Infos

@i_make_it du hast geschrieben "Neben einer Fräßmaschine ist da allerdings auf jeden Fall noch eine Drehmaschine wichtig."

Habe im ersten Chat geschrieben das ich auf eine Traub TMC300 (Bearbeitungszentrum)Zugriff habe.

Sollte als Drehmaschine ausreichen


VG
Hans

[i_make_it]

Habe im ersten Chat geschrieben das ich auf eine Traub TMC300 (Bearbeitungszentrum)Zugriff habe.

Das hatte ich geflissentlich ignoriert, da ich nicht davon ausgegangen bin, das Du die Maschine selbst besitzt, also alleinigen Zugriff drauf hast.
Und da ich selbst schon in verschiedenen Unternehemen Zugriff auf Produktionsmaschinen hatte und selbst weiß was es am Ende heißt auf eine Maschine zugreifen zu können oder jederzeit das was man grade machen möchte darauf zu fertigen.
Insbesondere das Umrüsten wenn es um mehr geht als nur mal schnell eine Fase, einen Einstich oder einen Absatz zu drehen.

Wenn Du Dir mal Roboter in der von Dir anfangs genannten Größenordnung (1,5m, 5kg) ansiehst, stellst Du fest das da sehr viele Gußteile an tragender Stelle dran sind.
Bei dem notwendigen Leichtbau mit der notwendigen Steifigkeit führt da kein Weg dran vorbei.
Das merkt man wenn man mal die verschiedenen Hersteller vergleicht und sich die Kosten einer Gießerei mit Sandguß vor Augen hällt.
Wenn ein Hersteller einen Weg gefunden hätte das zu umgehen, würde er es auch tun.
Das es versucht wird, merkt man an Robotermodellen bei denen Gußteile mit Schweißkonstruktionen verbunden werden um Guß einzusparen wo es halt geht.

Für die Drehbeartbeitung heist daß, das man mit einem normalen Dreibackenfutter nicht hinkommt.
Da ist man bei Planscheiben, Sonderbacken fürs Futter, einzeln verstellbaren Vierbackenfutter, etc.

Das wiederum bedeutet entsprechende Rüstzeiten.
Wenn man für das Spannen und Ausrichten eines Teils vier Stunden braucht um dann in 20 Minuten einen Lagersitz zu drehen, wird man bei einer Produktionsmaschine einer Firma (sofern es nicht die eigene Firma ist) schnell schräg angesehen.
Wenn die Produktionsmaschine danach wieder zurückgerüstet werden muß und eventuell eine Produktionsabnahme durch den Feinmeßraum erfolgen muß, ist es auch egal ob man Samstags oder Sonntags seine Privatsachen macht. Es entstehen Kosten.
Da wird aus einem "ja da kannst Du mal was drauf machen" ganz schnell ein "gehts noch?" mit einem abschließenden "Nein".

mit welcher Software und Steuerung funktioniert der Arm?
GCode STL Files?

Das entscheidest Du.

Bei Industrierobotern gibt es keinen einheitlichen Standard.
Mit VDI 2863 irdata (Industrial Robot Data) hat man seit Anfang der 1980er versucht ein Standartsprache einzuführen.
Allerdings bis heute ohne nennenswerten internationalen Erfolg.

Da Du bei einer nicht karthesischen Kinematik wie z.B. bei einem Vertikal Knickarm, Probleme hast mit G-Code (ISO 6983) Positionen in Gelenkwinkeln auszudrücken, bietet sich das nicht an. Üblicherweise wird ein Präprozessor verwendet, der den G-Code in steuerungsspezifische Fahr und Positionsangaben umrechnet.

Software und Steuerung sind Herstellerspezifisch.
Allerdings mußt Du die nicht unbedingt schon bei der Auswahl der Antriebe festlegen.
Motoren und Motortreiber/Motorreglern kann man auch separat festlegen, man muß dann halt auf genau definierte Schnittstellen zwichen Motortreibern/Motorreglern sowie Meßsystemen und der Steuerung achten.

Im Hobbybereich findest Du für den 3D- Druck diverse Steuerungslösungen ein Beispiel wäre ein Arduino Mega 2560 mit Ramps 1.4 Board und Marlin Firmware.
Wenn man nach "arduino robot arm firmware" und "arduino robot arm software" sucht findet man auch verschiedene Projekte zu Lösungen für 5- und 6-Achs Vertikal Knickarm und SCARA Robotern.

Da Du ja schon selbst einen 3D-Drucker gebaut hast, sollten Dir die Anforderungen für einen gelungenen Druck ja bekannt sein.
Damit kannst Du ein Pflichtenheft für den Usecase 3D-Druck erstellen und dann erarbeiten welchen Aufwand Du dafür betreiben musst.

Es gibt ja eine kommerzielle Lösung mit einem 6-Achs Verikal Knickarm zum 3D-Druck. Da kann man sich ansehen, welche Anforderungen der Arm erfüllen muß.
http://www.mataerial.com/
In dem Promovideo (das den Druck übrigens im Zeitraffer x3 zeigt) kann man allerdings sehen wie weit entfernt das System von feinen Strukturen und von Genauigkeit ist.

Bei den Strukturbreiten die man mit einem etablierten 3D-Drucker hin bekommt, den Investitionskosten fürs Gerät und den Energiekosten für Antriebe und Steuerung, dürften klassische Bauformen auch noch auf absehbare Zeit die Nase vorn haben.

Zum Kauf von Roboterarmen: ich habe meinen Scorbot ER 5+ auch gebraucht gekauft, aber da kannte ich den Anbieter und ich habe mir vorher den Arm angesehen und vorführen lassen.
Um Industrieroboter gebraucht zu kaufen, sollte man sich mit der Materie entsprechend gut auskennen und mit den Besonderheiten des Models das man erwerben will.
Nur so kann man vermeiden das man teuren Edelschrott kauft.
Beim Scorbot ist das System offen, so das man alles sehen kann, einem großen Arm sieht man von außen nicht an ob da der Getriebe- oder Lagerschaden schon drin steckt.
Und grade bei Ebay tummeln sich da viele die bei Firmenauflösungen einfach das Zeug ersteigern ohne selbst Ahnung von den Geräten zu haben.
Ich habe selbst schon Geräte abgebaut und konnte sehen wie im nächsten Hallenabschnitt von einer anderen Firma vorgegangen wurde. Da Wurde teilweise durch unsachgemäsen Umgang bei der Demontage Schäden verursacht, die die Anlagen in Schrott verwandelten.
(Lager verkantet da ohne Spezialwerkzeug einfach der Arm als Hebel genommen wurde um Lagerstellen zu trennen)