igus_leveranciers.jpg


For English version: click here

Related pages:
IGUS ROS Software
PMAC configuratie
20-sim configuratie

Project Igus Robotarm


Bij het Kenniscentrum Mechatronica van Fontys Hogeschool Engineering loopt een project genaamd "Igus Robotarm". Het doel van dit project is het realiseren van een low-cost robotarm die inzetbaar is bij diverse toepassingen.


render_final4.JPG


Igus

Igus is een Duitse leverancier van onder andere kabelgeleidingen/lagers e.d. Ze fabriceren tegenwoordig ook onderdelen voor de realisatie van low-cost robotarmen. Bij dit wordt gebruikt gemaakt van de onderdelen zoals die te zien zijn in figuur 1 & 2. In figuur 1 is een joint weergegeven die over 2 vrijheidsgraden beschikt, een zwenk- en een roterende beweging. In figuur 2 is een "schoudergewricht" weergegeven die ook beschikt over 1 vrijheidsgraad, een roterende beweging.
igus_joint1.jpg
Figuur 1: RL-50-001-WS

igus_joint2.jpg
Figuur 2: RL-50-TL1-WS















De opbouw van het systeem binnen het kenniscentrum is te zien in figuur 3. Hierbij worden 2 joints gebruikt met 2 vrijheisdgraden en één schoudergewricht. Het totaal komt hiermee op 5 vrijheidsgraden. De bewegingsvrijheid voor de bewegingen is als volgt:
  • Roterende bewegingen (DOF2 en DOF4) -> ±270 graden vanuit middenstand
    • Totale hoek = 540 graden -> 1,5 rotatie
  • Zwenkende bewegingen (DOF1 en DOF3) -> ±90 graden vanuit middenstand
    • Totale hoek = 180 graden
  • Roterende beweging schoudergewricht (DOF5) -> ±90 graden vanuit middenstand
    • Totale hoek = 180 graden -> 0,5 rotatie
igus_dof.jpg
Figuur 3: Opbouw robotarm Igus


Verder is elke vrijheidsgraad uitgerust met een incrementele encoder. De resolutie is voor de zwenk- en roterende beweging verschillend.
  • Zwenkbeweging
    • 31 poolparen
    • 40 pulsen/poolpaar
    • 160 posities/poolpaar
    • 1240 pulsen/omwenteling
    • 4960 posities/omwenteling
  • Roterende beweging
    • 29 poolparen
    • 40 pulsen/poolpaar
    • 160 posities/poolpaar
    • 1160 pulsen/omwenteling
    • 4640 posities/omwenteling
  • Nauwkeurigheid
    • Zwenkbeweging -> 360/4960 ≈ 0,0726 graad
    • Roterende beweging -> 360/4640 ≈ 0,0776 graad

Informatie encoder


Zie ook:
http://www.igus.de/Blog_DE/category/robolink-blog.aspx

Mechanisch ontwerp

Het mechanisch ontwerp is afhankelijk van een aantal deeloplossingen;
  • Aandrijfwiel met spansysteem
  • Motoren
  • Lagering
  • Koppeling
  • Geleiding

Aandrijfwiel met spansysteem

Voor het realiseren van een beweging in de joints is het noodzakelijk dat de touwen (die uit de gewrichten komen) ergens opgewonden worden. Op de huidige opstelling wordt gedaan op een deelbaar aandrijfwiel van Igus. Op dit aandrijfwiel zijn groeven aangebracht waar de touwen in kunnen lopen. Het voordeel van een deelbaar aandrijfwiel is dat de touwen tevens opgespannen kunnen worden. Het aandrijfwiel is te zien in figuur 4.
igus_aandrijfwiel.jpg
Figuur 4: Nieuw aandrijfwiel


Gebruikershandleiding Aandrijfwiel (Duitstalig)


Motoren

Voor de nieuwe opstelling zijn nieuwe motoren uitgezocht van het merk Maxon en verder zijn de nieuwe motoren aan te sturen met Maxon Motor Controllers 4-q-dc. Een belangrijk aspect hierbij is het te leveren koppel. Dit koppel is afhankelijk van de verhouding tussen het aandrijfwiel en de interne diameter in de gewrichten. In het geval van de nieuwe aandrijfwielen is deze verhouding 1:1.

Omdat er twee soorten bewegingen in de robotarm plaatsvinden, is het van belang om te kijken naar de benodigde krachten voor deze bewegingen. Bij Igus is de volgende data opgegeven:
Zwenkbeweging -> 12[Nm] bij kracht 600[N] op aandrijftouw
Roterende beweging -> 5[Nm] bij kracht 300[N] op aandrijftouw

Omdat de verhouding van diameters tussen het aandrijfwiel en het gewricht (intern in de joint) 1:1 is, is een motor gekozen gebaseerd op deze waardes. Er is in overleg gekozen voor een marge van 2 ten opzichte van het benodigde koppel. De opstelling beschikt namelijk over wrijving en er moet marge zijn voor eventuele toekomstige aanpassingen/uitbreidingen. Voor de selectie van de motor voor de zwenkbeweging is een marge van 2 aangehouden. Er zijn dus motoren met het volgende koppel gezocht:
Zwenkbeweging -> 2*12[Nm] = 24[Nm]
Roterende beweging -> 2* 5[Nm] = 10[Nm]

De uiteindelijk gekozen motoren combinaties zijn te zien in de volgende bestanden;
  • Koppel zwenkbeweging ±27,88[Nm]
  • Koppel roterende beweging ±15[Nm]





Lagering

Omdat de benodigde radiale krachten voor de aandrijftouwen de maximaal toelaatbare krachten voor de uitgaande as van de gearbox overschrijvden, is er lagering toegepast (figuur 5). Deze lagering zorgt ervoor dat de gearbox zodanig ontlast wordt dat de kracht wel binnen de toelaatbare grenzen blijft.Er is gekozen voor 2 verschillende buitendiameters van de lagers zodat deze makkelijk van 1 kant af gemonteerd kunnen worden.
igus_lagering.jpg
Figuur 5: Concept lagering aandrijfas

De gebruikte lagers zijn van het type 6201-2Z en 6301-2Z:
SKF 6001-2Z PDF
SKF 6301-2Z PDF


Koppeling

Het is niet mogelijk om de lagering toe te passen op de uitgaande as motor omdat deze te kort is. Daarom zal de lagering op een aparte as geplaatst worden waar ook het aandrijfwiel op bevestigd kan worden. Om het koppel op deze aandrijfas over te brengen is er een koppeling tussen de twee assen toegepast. Er is een koppeling toegepast die lichte uitlijningsfouten kan opvangen en bovendien een hoge torsiestijfheid heeft.

MCOCGWK38-12-12 productpagina


Geleiding

Voor de geleiding van de touwen is een bestaande oplossing toegepast. Het schoudergewricht (DOF5) beschikt over een geleiding. Door de mechanica hier op aan te passen hoeven er geen extra onderdelen toegepast te worden om geleiding van de touwen te realiseren. In figuur 6 is te zien dat de touwen loodrecht op de aandrijfwielen uitgelijnd zijn. Dit zorgt ervoor dat er geen problemen optreden bij het opwinden op de aandrijfwielen en bovendien wordt de axiale kracht hierdoor beperkt (ontbinding van kracht in X- en Y-richting).
igus_geleiding.jpg
Figuur 6: Geleiding touwen op de nieuwe opstelling



Totale opstelling

In de totale opstelling zijn alle bovenstaande aanpassingen verwerkt. De aandrijflijn van motor tot aandrijfwiel is te zien in figuur 7. Het voordeel van de uitwerking op deze manier is dat de uitlijning (en dus de montage) geen problemen vormt door gestelde toleranties op de onderdelen.

igus_aandrijflijn.jpg
Figuur 7: Aandrijflijn (motor tot aandrijfwiel)


Bovendien is er een simulatie uitgevoerd op het middenblok met de krachten die vrijkomen bij het gebruik van de motoren, te zien in figuur 8. Dit is gedaan om te kijken of het geheel stevig genoeg is. De totale opstelling in 3d is terug te vinden in figuur 9.
igus_krachtensimulatie.jpg
Figuur 8: Simulatie deformatie door krachtenspel


igus_totaal_3d.JPG
Figuur 9: Totaalconcept in 3d



De werktekeningen voor de onderdelen van de opstelling:






Motion controller

Het is wenselijk om een Motion Controller te implementeren zoals in figuur 10. Hierbij wordt de feedback van de encoder op de motor gebruikt in een snelheidslus en de feedback van de encoder die in de betreffende joint zit als positiefeedback.

igus_motioncontrol.jpg
Figuur 10: Motion controller schematisch


De opstelling wordt op het moment aangestuurd met de PMAC (Programmable Multiple Axis Controller). Dit is een idustriële controller die het mogelijk maakt om snel een regeling op te zetten zonder bekend te zijn met de proceseigenschappen. Het regelschema van de PMAC is te zien in figuur 11. Voor een korte handleiding over hoe de opstelling aan te sturen is door middel van de PMAC, klik hier.

igus_pmac_regeling.jpg
Figuur 11: Regelschema PMAC

20-sim

Op het moment wordt gekeken naar de mogelijkheden om de regeling te implementeren via 20-sim i.c.m. 20-sim 4c. Door middel van 4C is het mogelijk om bijvoorbeeld een targetPC, embedded bord of een industriële controller te gebruiken in combinatie met het model van 20-sim. De bedoeling is om de gehele opstelling te modelleren en vervolgens te simuleren. Voor informatie over hoe 20-sim via 4C te koppelen is aan een targetPC, klik hier.

FRF motoren
Als start van de modelvorming is een FRF meting gedaan op de motoren incl. gearbox. Er is witte ruis uitgestuurd naar de motoren en de verdraaiing is gemeten door middel van de encoder op de motor. Voor de zwenkbeweging is de FRF te zien in figuur 12, voor de roterende beweging in figuur 13.


igus_frf_bode_zwenk.jpg
Figuur 12: FRF motor zwenkbeweging

igus_frf_bode_rot.jpg
Figuur 13: FRF motor roterende beweging


In 20-sim is deze FRF te benaderen door de motor met gearbox te idealiseren en te zien als een "torque actuator" met een massatraagheid en een demper. Dit is terug te zien in figuur 14. Hier is een snelheidsregeling gesimuleerd met een P-regelaar op de motor.

igus_modelvorming_motor.jpg
Figuur 14: Modelvorming motor in snelheidsregeling

Bronnen:

http://igus.de/_wpck/pdf/global/robolink_04_12_s.pdf
http://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/