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System Übersicht
CNC-mac & RoBo-mac
arbeiten nach derselben System-Philosophie, einer auf Hard- Firm- und Software verteilten Intelligenz zur
Achssteuerung von CNC Systemen und Robotern
Die Systemphilosophie des Multi-Achs-Controllers CNC & RoBo-mac ermöglicht zwei Betriebsmodi
- Kombination aus Hardware und PC-Software
zur Generierung der Bahnkurven und Systemparametrierung mit den Funktionen des Control-Centers
- Hardware Stand Alone Variante
zur Abarbeitung bereits erfaßter Bahnbewegungen
Dieses Konzept verbindet die mathematisch mächtigen Möglichkeiten EXCEL's® zur Entwicklung und Test des 3D-Bahnverlaufes mit einem kostengünstigen, industriellen Einsatz. Schwerpunktmäßig zielt
- CNC-mac, die 4-Achs Version
in den klassischen CNC-Markt der 3 bis 4 Achser
- RoBo-mac, die 8 Achs Version
in den Roboter-Markt mit der Möglichkeit komplexer Bewegungen im Raum, - ähnlich einer Hand am Arm oder der "Beinsteuerung" einer Stewart-Plattform auf Linear Aktuatoren.
- 4 Achsen nach den Takt- Richtungsverfahren interpoliert der CNC-mac
8 Achsen der RoBo-mac synchron aus Windows online
- ohne die Windows üblichen Stolper-Schritte;
der Algorithmus ist auf höhere Achs-Zahl erweiterbar.
- Stolper-Schritte sind bei einer Direkt-Taktung für ein Multitasking Betriebssystem letztendlich normal. Sie entstehen, weil das Betriebssystem "zwischendurch anderes erledigt" – und sind nur zu vermeiden, wenn das Betriebssystem seine Multitasking Funktion de facto verliert.
- CNC-mac & RoBo-mac verarbeiten bis zu 65535 Digits je Datensatz
dies ermöglicht hoch präzise Bewegungsabläufe im Mikroschrittbetrieb. Die Übertragung und Auswertung des Datensatzes erfolgt online während der Achs-Bewegung. Datenvolumen unbegrenzter Größe sowie eine Roboter-Arm Steuerung mittels "Joystick" werden so möglich.
- Die Pin-Belegung der Hardware und das Logik-System sind per Software parametrierbar,
- dies macht beide Controller mit nahezu allen gängigen Systemen kompatibel.
- Last not least, CNC & RoBo-mac verfügen über eine eigene Intelligenz,
- dynamisch variable Arbeitsgeschwindigkeit
- dynamische Rampenberechnung
in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Drehrichtung
- Nullpunkt-Automatik
- Überwachung der Not-aus und Endschalter
- Restart aus Not-Aus ohne Daten und Positonsverlust
- Sleep / Boost Automatik für hochdynamische Achsen
- Umkehrspiel Kompensation
- Zu- und Abschalten beliebiger Steuer-Signale während des Programmlaufes
- LCD- Statusanzeige
Die Programmierung kann sich so auf die eigentliche Achs-Bewegung, den "Fahrauftrag" beschränken.
- Alle Bedienfunktionen, Parametrierungen und Teach-In werden über eine 'intelligente' Maske per Maus-Click gesteuert.
- Teach-In programmiert Online und bietet zusätzliche Offline Optimierung!
- Das Datentransfer Protokoll ist offengelegt.
- Zum Lieferumfang gehört ein EXCEL® -VBA Programm, das Datensatz und Protokollstruktur erläutert. Grundsätzlich kann an Stelle der EXCEL® Software jedes andere Programm eingesetzt werden!
Der Multi-Achs-Controller
- SoftWare
- Lieferbestandteil der Voll-Version ist eine spezielle EXCEL®-Datei,
- die ein VBA Programm für den Datenaustausch mit der Hardware,
- ein Control-Center mit Masken-Direktzugriff per 'Maus-Click'
- sowie die Tabellen MA-Parameter / MA-Step enthält.
- Grundsätzlich ist an Stelle der EXCEL® Software jedes andere Programm einsetzbar,
- CodeStruktur und Datentransfer Protokoll sind OEM-Lizenznehmern offen gelegt.
- OEM-Lizenznehmer können ihr eigenes Pass-Wort-System etablieren.
- HardWare
- Das System baut auf Funktionsmodulen auf, die individuell kombiniert werden. Dies ermöglicht kompakte Bauformen im
- Stromversorgung:
- wahlweise AC oder DC ca. 8-12 V
ungeregeltes Steckernetzteil, bzw. aus der zu steuernden Hardware.
- FirmWare
- Das Industriekonzept ermöglicht den Betrieb ohne PC.
Die Bewegungsdaten werden seitens der Hardware direkt vom Wechsel- Datenträger gelesen.
Kinematik und Dynamik
(an Stelle eines Vorwortes)
beschreiben Ursache und Wirkung einer bahngesteuerten Bewegung - und sie erklären auch, warum einige Bewegungen nicht möglich sind:
- Nehmen wir das simple Beispiel eines Radfahrers; er kann nicht rechtwinklig um die Ecke fahren und gleichzeitig seine Geschwindigkeit beibehalten:
Bei einer winkligen Kontur muß eine beliebige Geschwindigkeit in X-Richtung zunächst '0' (Null) werden, bevor die Geschwindigkeit in Y-Richtung wirksam werden kann. Das ist normal und einleuchtend - aber ausgesprochen hinderlich, wenn eine bestimmte Menge Material pro sec. aus einer Düse fließt:
- Der Materialauftrag nimmt mit abnehmender Geschwindigkeit zu !!!
- Mag sein, daß einige Bewegungsmuster hilfreich wären, wenn sich eine Bewegungskomponente 'von 0 auf 100' ändern könnte ohne mit den Problemen der Beschleunigung in Konflikt zu geraten.
Beschleunigt eine Komponente, während die andere ihre Geschwindigkeit unverändert beibehält, so ergibt sich eine Bahn, die nicht der Soll-Kontur entspricht. Um die Soll-Kontur sicher zu stellen, muß jeder Bahnpunkt zeitgleich aus seinen Komponenten erzeugt werden. Dies ist jedoch nur erreichbar, wenn die Geschwindigkeiten aller Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Wohl oder übel muß hierzu die eigentlich kontinuierliche Geschwindigkeit der einen Achse synchron mit der zu Beschleunigenden ebenfalls beschleunigt werden - und das geht nur, wenn die eigentlich kontinuierliche Geschwindigkeit hierzu zuvor abgesenkt wurde. Die Umkehrspiel- Kompensation ist ein markantes Beispiel für diese Crux!
- CNC & RoBo-mac bieten mehrere Lösungsansätze:
- "Asympthotischen" Rampe;
- schnell wie eine Linear-Rampe,
- in den Übergängen weich wie eine Sinus-Rampe.
- Individuelle Geschwindigkeitssteuerung je Datensatz (Auflösung < 1%).
- "Virtuelle-Achse" - mehr hierüber im Manual
- und natürlich ist auch der Anpress- bzw. Dosierdruck als Achse steuerbar!
Bahnsteuerung & Continuous Path (CP)
Die CNC Technik verwendet den Begriff 'Bahnsteuerung', die Robotic kennt ergänzend 'Continuous Path'– gemeint ist dasselbe, eine 4D Bewegung, wobei die 4te Dimension die Zeitachse darstellt. Eine Bahnsteuerung bewegt das Werkzeug frei im Raum (3D) und fährt diese Bewegung in reproduzierbarer Zeit. Eine Bahnsteuerung hat also immer eine Zeitachse.
Kennzeichen einer Bahnsteuerung ist es, daß sich alle beteiligten Bewegungsträger (Achsen) zeitgleich und zeitlich aufeinander abgestimmt bewegen. Um eine gewünschte Bewegung zu realisieren wird die Bahnkurve über Stützpunkte definiert. Diese Stützpunkte müssen von allen beteiligten Achsen zeitgleich erreicht und wieder verlassen werden, ist die Zeitbedingung nicht erfüllt, so entspricht die gefahrene Bahn nicht der Soll-Bahn!
- Die Bahnsteuerung sorgt nun dafür, daß die beteiligten Achsen sich mit jeweils erforderlicher Individual-Geschwindigkeit von Stützpunkt zu Stützpunkt bewegen.
- Jeder Achs-Antrieb (Motor) erbringt also eine individuell unterschiedliche Winkelgeschwindigkeit, wobei die jeweilige Winkelgeschwindigkeit zwischen den Stützpunkten konstant bleibt.
- Wird die Winkelgeschwindigkeit geändert (Beschleunigungs-/Verzögerungsrampe), so müssen alle beteiligten Achsen ihre Winkelgeschwindigkeit im entsprechenden Verhältnis zeitgleich ändern, sonst entspricht die gefahrene Bahn nicht der Soll-Bahn!
Die Abschnitte zwischen den Stützpunkten können als "Bahnsegmente" erachtet werden. Die Anweisung ein einzelnes Bahnsegment abzufahren, wird hier als "Fahrauftrag" definiert. Der Controller interpoliert hieraus die individuelle Winkelgeschwindigkeit und taktet die Motore.
Jeder einzelne Fahrauftrag verbindet also je zwei Bahnpositionen. Um eine kontinuierliche Bewegung zu erhalten ändern sich Winkel bzw. Geschwindigkeit von Bahnposition zu Bahnposition. Je dichter diese aneinander liegen, je gleichmäßiger, kontinuierlicher wird die Bahn (Continuous Path).
Der Multi-Achs-Controller CNC & RoBo-mac interpoliert Online: Während der Schrittpause der jeweils schnellsten Achse wird errechnet, ob und welche langsameren Achsen am nächsten Schritt teilnehmen oder nicht. Zeitgleich wird während der Abarbeitung eines Fahrauftrages der Folgende für die Interpolation "aufbereitet".
Bahnsteuerung & Bahnkorrektur / Lage- bzw. Positionserkennung.
Um im Ergebnis die Soll-Bahn als Ist-Bahn zu erhalten, muß das Gesamtsystem stabil und verzerrungsfrei arbeiten. Es liegt auf der Hand, daß eine Mechanik, die Motorbewegungen nicht präzise überträgt, zu Bahnabweichungen führt. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen wird im klassischen Maschinenbau verwindungssteif konstruiert.
Nicht desto trotz schwingt und federt nahezu jede mechanische Konstruktion, hinzu kommt das Umkehrspiel. Theoretisch kann aus einer Soll-/Ist Abweichung ein Steuerungskorrekturwert errechnet werden. Für eine einzelne Bewegungsachse ist dies verhältnismäßig unproblematisch. Setzt sich eine Bewegung jedoch aus mehreren Achsen zusammen, so beeinflußt die Abweichung einer Achse die Ansteuerung aller - und dies unter den oben erläuterten 4D Gesichtspunkten. Der Rechenaufwand für eine Mehrachs-Bahnkorrektur-Reglung steigt exponentiell.
Hilfsweise wird an Stelle einer 4D Bahnkorrektur-Reglung jede Einzelachse für sich korrigiert. Dies ist zwar keine echte Bahnkorrektur führt aber zumindest zu einem recht genauen Anfahren der Stützpunkte. Der Multi-Achs- Controller CNC & RoBo-mac bietet unter Kostengesichtspunkten eine Umkehrspielkompensation.
8 Achsen für 3D
Selbst bei einfachen Pick and Place Prozessen entstehen bereits erhöhte Anforderungen an die Roboterfunktion:
Die 3D Orientierung einer Roboterhand im Raum setzt sich aus 8 Freiheitsgraden bzw. Drehachsen zusammen:
Legen wir den klassischen Gelenkroboter mit 5-Achsen zu Grunde, so verbleiben dem RoBo-mac 3 Freiheitsgrade zur Steuerung der Effektor- (Werkzeugträger) Bewegungen (UVW), um so den eigentlichen Werkzeug Eingriffspunkt (Tool Center Point TCP) in Position zu bringen.
EXCEL® ermöglicht die Koordinatentransformation aus dem kartesischen System (XYZ bzw. Xp Yp Zp) in das Werkzeug Koordinatensystem (U V W) – und vice versa. Während die Vorwärtstransformation verhältnismäßig überschaubar ist, verursacht die Rückwärtstransformation meist "Kopfschmerzen", da die Kinematik der Knickarme Mehrdeutigkeit zuläßt. EXCEL® löst diese Aufgaben relativ überschaubar im iterativen Ansatz.
Manuelle Korrekturen erlauben es, Bewegungsabläufe "weicher" zu gestalten und die Kinematik wie auch die Dynamik zu optimieren, denn:
- Die Bewegungskomponenten aus allen 8 Achsen sind im Fahrauftrag überschaubar gelistet.
- Jeder Fahrauftrag kann um eine individuelle Geschwindigkeitskomponente ergänzt werden.
- Die Teach-In Funktion hat direkten (Korrektur-) Zugriff auf mathematisch berechnete Bewegungen.
Ausführliche Information im
MANUAL
MULTI-ACHS-CONTROLLER
Knowhow & Tutorial
Hintergrundinformationen finden Sie in den Tutorials
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