Tool and workpiece actuation in manufacturing tasks

Abstract

In der industriellen Fertigung werden höhere Anforderungen an Flexibilität, Geschwindigkeit und Genauigkeit gestellt. Diese Anforderungen lassen sich mit Robotersystemen erfüllen. Die Leistung von Robotern wird jedoch durch lange serielle kinematische Ketten eingeschränkt. Sie führen zu schwereren Hebelarmen an den Aktuatoren in den Gelenken, was zu höheren Drehmomenten führt. Diese werden mit stärkeren Aktuatoren bewältigt, die mit höheren Strömen arbeiten. Dieser führt zu einer größeren Unsicherheit bei der Genauigkeit des Roboters aufgrund höherer thermischer Effekte und höherem Rauschen. Daraus folgt ein Verlust an Präzision und ein Geschwindigkeitsverlust aufgrund der dynamischen Auswirkungen auf das Drehmoment, die durch die höheren Massen verursacht werden. Diese langen seriellen kinematischen Ketten sind jedoch notwendig, um die hohe Flexibilität von Robotermanipulatoren zu erhalten. In dieser Arbeit soll die Flexibilität beibehalten werden und zusätzlich die Genauigkeit erhöht werden. Dabei wird ein Robotermanipulator in zwei Manipulatoren aufgeteilt, unter der Annahme, dass die Anzahl der Gelenke und die daraus resultierende Flexibilität gleich bleiben. Der erste Schritt besteht darin, die Lösung mit einer Simulation zu bewerten. Dabei werden einzelne und duale nicht redundante Manipulatoren mit sechs Freiheitsgraden und Drehgelenken in zwei orthogonalen Achsen kinematisch hinsichtlich Flexibilität, Arbeitsraumvolumen, Genauigkeit und Erreichbarkeit betrachtet. Die Simulationsergebnisse bestätigen eine Reduktion der auftretenden Drehmomente an den Aktoren durch die Aufteilung eines einzelnen Manipulators in einen dualen Aufbau. Jedoch führt die Aufteilung zu einer Verringerung des Arbeitsraumvolumens und einer Verringerung der Erreichbarkeit. In realen Experimenten bestätigen duale Manipulatoren die höhere Präzision im Vergleich zu einem Einzelmanipulator. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Doppelmanipulatoranordnung mit kürzeren seriellen kinematischen Ketten sinnvoll ist, um eine höhere Präzision zu erreichen. Allerdings müssen die Aufgaben aufgrund eines Verlusts und Veränderung des Arbeitsraums genauer geplant werden.

Industrial manufacturing faces increasing demands for flexibility, speed, and accuracy. These requirements are best met by robotic systems. However, robots are limited in their performance by long serial kinematic chains. They result in heavier lever arms on the actuators in the joints, leading to higher occurring torques. The torques are handled with stronger actuators that operate at higher currents. The higher current causes more uncertainty in the robot’s accuracy due to higher thermal effects and higher noise. This results in a loss of precision and loss of speed due to the dynamic effects on the torque caused by the higher masses. However, these long serial kinematic chains are necessary to maintain the high flexibility of robot manipulators. In this work, a solution is proposed that aims to maintain the high flexibility and increase the performance of the robots in terms of accuracy and speed of movement. In fact, the solution proposes the division of a robotic manipulator into two manipulators, assuming that the number of joints and the resulting flexibility remain the same. The first step is to evaluate the solution with a simulation. Non-redundant six-degree-of-freedom manipulators with rotary joints in two orthogonal axes are observed kinematically in terms of flexibility, workspace volume, accuracy, and reachability. The simulation results confirm a reduction in the occurring torques on the actuators by splitting a single manipulator into a dual setup. In addition, the split causes a reduction in workspace volume and a reduction in reachability. In real experiments, dual setupsachieve higher precision than a single manipulator. In conclusion, a dual manipulator setup, including shorter serial kinematic chains, is reasonable to achieve higher precision. However, the tasks need to be planned more precisely due to a loss in the fully actuated part.