Optimierung von Robotern mit paralleler Kinematik unter thermischer Last

Beschreibung

Im Schwerpunktprogramm SPP 1099 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wird das dynamische Verhalten und die Charakteristik von Robotern mit paralleler Kinematik systematisch untersucht. Eine wichtige Eigenschaft von Robotern mit paralleler Kinematik ist ihr thermisches Verhalten. Diese Eigenschaft ist von besonderem Interesse bei Robotern, die als Werkzeugmaschine eingesetzt werden, und wird im Schwerpunktprogramm SPP 1099 in einem gemeinsamen Projekt des Instituts für Werkzeugmaschinen und des Institut für Technische und Numerische Mechanik untersucht.

Das Ziel des gemeinsamen Projektes ist die Erhöhung der Prozessfähigkeit von Werkzeugmaschinen mit paralleler Kinematik durch wirksame Verbesserungsmaßnahmen zur Verminderung der Auswirkungen thermischer Störungen auf das dynamische Verhalten.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen vorgenommen. Die theoretischen Untersuchungen werden am Institut für Technische und Numerische Mechanik durchgeführt und umfassen die Modellierung, Simulation und Optimierung von Werkzeugmaschinen mit paralleler Kinematik. Diese Untersuchungen werden durch Messungen verifiziert, welche simultan am Institut für Werkzeugmaschinen vorgenommen werden. Die Ergebnisse der Messungen dienen weiterhin dazu, die Konstruktion der Gelenke und Verbindungselemente zu verbessern.

In den theoretischen Untersuchungen werden die Maschinen als Mehrköorpersysteme modelliert, welche auch die Elastizität der wichtigsten Bauteile berücksichtigen. Mehrere Modelle unterschiedlicher Komplexität wurden für Maschinen mit zwei- und dreidimensionalem Arbeitsraum entwickelt. Die thermischen Einflüsse werden durch die thermisch bedingte Längenänderung der Gelenkstreben und temperaturabhängige Lagersteifigkeiten berücksichtigt. Die entsprechende Charakteristik der Lagersteifigkeit wird durch einen Vergleich des mechanischen Modells mit den Messdaten gewonnen.

Simulationen mit diesen Modellen zeigen den Einfluss der Temperatur auf die Genauigkeit der Werkzeugmaschine und die Notwendigkeit zu konstruktiven Verbesserungen. Verbesserungsmöglichkeiten werden zunächst in den Modellen implementiert und ausgetestet und falls Sie ihre Tauglichkeit dort unter Beweis stellen, in der realen Maschine implementiert. Die Genauigkeit der Maschine wird dann wieder anhand von Messungen bewertet.

Die optimalen Entwurfsvariablen werden dabei durch einen mathematischen Optimierungsprozess mit deterministischen und stochastischen Algorithmen ermittelt. Die deterministischen Algorithmen müssen dafür erweitert werden, damit sie auch punkt- und abschnittsweise definierte Funktionen in den Kriterien und in der Modellbeschreibung behandeln können, welche zu unstetigen Gradienten führen können. Die stochastischen Methoden werden parallelisiert, um auch solch komplexe Optimierungsaufgaben in akzeptablen Rechenzeiten lösen zu können.

Diese grundlegenden Untersuchungen sollen in eine Methode zur Berücksichtigung von thermischen Effekten in elastischen Mehrkörpersystemen münden und auf Werkzeugmaschinen mit paralleler Kinematik angewandt werden, um deren Prozessfähigkeit zu erhöhen.

Publikationen

• Stortchak, M.; Gruber, S.; Freitag, H.-G. and Dignath, F.: Zum thermischen Einfluss auf das dynamische Verhalten von parallelen Kinematiken, Zwischenbericht ZB-128, Institut B für Mechanik, Universität Stuttgart, 2001.
• Dignath, F.; Hermle, M. and Schiehlen, W.: Smart Structures in Robotics, Proceedings of the IUTAM Symposium on Smart Structures and Structronic Systems, U. Gabbert and H.S. Tzou (Eds.), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, S33--40, 2001.
• Dignath, F.: Optimization of Controlled Machine Tools with Parallel Kinematics, in: Advanced Driving Systems, Proceedings of the First International Symposium on Mechatronics. P. Maißer und P. Teneberge (Eds.), Chemnitz, S261-270, 2002.
• Dignath, F.; Hempelmann, D.: Grundlagenuntersuchungen zum thermischen Einfluss, Zwischenbericht ZB-131, Institut B für Mechanik, Universität Stuttgart, 2002.

Weitere Seiten zu diesem Thema

• Globale Struktur-Regler-Optimierung

Ansprechpartner

• Dipl.-Ing. F. Dignath