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Exakter Dauerläufer

01.05.2010
Robotik in der Mess- und Versuchstechnik

Durch die stetig ansteigende Verbreitung von Industrie- robotern ist ihr absoluter Preis in den vergangenen zwanzig Jahren um die Hälfte gesunken. Die Rechenleistung der Controller ist im Gegenzug gestiegen. Diese Entwicklung qualifiziert Roboter für komplexe Aufgaben in der Messtechnik.

Die Rechenleistung moderner Roboter des Herstellers Stäubli ist in den vergangenen zehn Jahren um Faktor zwanzig gestiegen. Ein CS8C-Controller mit 933-MHz-Prozessor verarbeitet bis zu 3.000 Befehle pro Millisekunde. Diese Steigerung wirkt sich besonders auf die Verarbeitung des applikationsabhängigen Programmcodes aus. Auf dieser Basis hat Entwicklungsdienstleister Bertrandt in München einen roboterbasierten Prüfstand für mechanische Dauerläufe und Messungen entwickelt.

Komplexe Prüfbewegungen lassen sich ohne kostenintensive Hilfsgestelle für Pneumatik- und Servoantriebe ausführen. Konkret ist damit das Bewegen eines Handschuhkastens oder die Betätigung eines Gangwahlhebels gemeint. Während der Roboterbewegung erfolgt die Aufzeichnung der Betätigungskraft und Position am Werkzeug. So lassen sich Kraft-Weg-Diagramme für die Berechnung der Steifigkeit oder der Betätigungsenergie erstellen. Durch die Regelung der Betätigungskraft ist die Belastung im Versuch reproduzierbar. Der Vergleich dieser Messdaten über viele Zyklen ermöglicht eine Aussage über die Qualität des Prüflings.

Zur Erfassung der Kraft ist eine piezoelektrische Kraftmessdose am Roboter installiert. Der Vorteil piezoelektrischer Messmittel liegt im großen, einstellbaren Messbereich und der damit verbundenen Genauigkeit.

Als Ladungsverstärker kommt der ICAM 5073A von Kistler zum Einsatz mit einem Modus für die schnelle Datenübertragung. Hier wird der aktuelle Messwert im Fünf-Millisekunden-Takt über die RS232 Schnittstelle exportiert. Durch das VAL3-System auf dem CS8C-Controller ist es möglich, ebenfalls in diesem Takt die aktuelle Werkzeugposition im Raum zu ermitteln. VAL3 kann über die serielle Schnittstelle des Controllers mit dem ICAM 5073A kommunizieren und die aktuelle Kraft einlesen.

Kraft und Position werden fortlaufend in einer Botschaft synchronisiert und via Ethernet an den Steuerungsrechner übertragen. Für die Kommunikation zwischen Controller und Steuerungsrechner hat Bertrandt einen bedarfsspezifischen Befehlssatz entwickelt.

Auf dem Steuerungsrechner verarbeitet und speichert ein in LabVIEW geschriebenes Programm die Messdaten und bietet eine sehr komfortable Oberfläche für die Erstellung der Roboterbewegung.

Einfache Bedienbarkeit des Prüfstands

Besonderes Augenmerk liegt auf der Einfachheit der Bedienung des Prüfstands. Ziel: Die mit der Bauteilerprobung beauftragten Techniker sollen die Roboterbewegung selbständig und ohne große Vorkenntnisse einstellen können. Genauso sollen Anpassungen der Bewegung schnell und unkompliziert durchgeführt werden können. Zur Programmierung stehen außerdem nützliche Hilfsmittel zur Verfügung: Eine der Einparkhilfe im Automobil nachempfundene Teachhilfe warnt vor dem Erreichen einer Achsbegrenzung.

Die Steuerungssoftware arbeitet nach folgendem Konzept: Der Bediener positioniert den Roboter manuell auf den Ausgangspunkten einer Bewegung. Die dann auszuführenden Messbewegungen werden nur durch Parameter eingestellt. Dazu gehören der Weg, die Maximalkraft sowie Radius und Mittelpunkt bei einer Kreisbahn. Besonders für zerstörende Prüfungen ist diese Vorgehensweise unumgänglich, da sich der Endpunkt einer Bewegung oft mitten im Bauteil befindet. Bei einem Umbau des Systems, beispielsweise in eine Klimakammer, oder bei wiederkehrenden Prüfungen ist lediglich der Startpunkt zu korrigieren. Das System hat sich schon in der Praxis bewährt – binnen einer halben Stunde ist ein Dauerlauf startbereit.

Zur Durchführung von Lebensdauertests enthält die Software eine Dauerlaufsteuerung. Sie wiederholt Messungen in einer Schleife mit permanenter Aufzeichnung der Messdaten, einer Nachregelung der Betätigungskraft sowie einer Überwachung von Abschaltkriterien. Minimale Bauteilveränderungen werden durch die Wiederholgenauigkeit des Roboters sichtbar und dokumentiert. Reicht der Fünf-Millisekunden-Takt als Abtastrate für die Kraft nicht aus, bietet Kistler mit dem Ladungsverstärker 5015A ein Modell, das die Kraft im Ein-Millisekunden-Takt via RS232 exportiert. Der CS8C-Controller kann ebenfalls in diesem Takt betrieben werden.Auch Geräusch-, Temperatur-, oder Lichtstärkemessungen gekoppelt an die Raumposition sind möglich. Hat ein Messdatenverstärker keine RS232- oder Ethernetschnittstelle, kann via ModBus ein Wago-Feldbuskoppler zur Messdatenerfassung eingebunden werden.

Mit überschaubarem Einsatz lässt sich ein Stäubli Roboter mit CS8C-Controller in ein dynamisches und genaues Messsystem verwandeln. Als Basiswissen zur Programmierung des Controllers reichen neben Kenntnissen in der Datenverarbeitung die Inhalte der VAL3-Programmierschulung aus. Für die Programmierung der Steuerungssoftware ist Erfahrung in einer weiteren Programmiersprache nötig. LabVIEW eignet sich hier besonders im Bezug auf die Erstellung von grafischen Benutzeroberflächen sowie für die Messdatenverarbeitung. Für den Einsatz des Systems in einer Klimakammer kann der Roboterarm mit einer flexiblen Schutzhülle ausgestattet werden.

Stäubli | handling
Weitere Informationen:
http://www.handling.de/Robotertechnik/Robotik-und-Messtechnik_id_4071__dId_502050__app_510-34977_.htm

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