Entwicklung und Bau von Roboterzellen für Delta-Roboter

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Abbildung 1: Entwurf des gesamten Modules

Autoren: Leger Paco Kamegne Kamdem, Ferry Rossini Nde, Jasmin Tewo Watio
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel

Einleitung

Dieses Projekt, im siebten Semester des Studiengangs Mechatronik beinhaltet die Entwicklung, Konstruktion, Fertigung eines Roboterzellen für Delta-Roboter (wikipedia:Delta-Roboter) im Rahmen des Praktikums der Produktionstechnik (GPE). Die Abbildung 1 rechts zeigt ein Prototyp. Zu sehen sind unter Anderem den gesamten Anlage.

An dieser Stelle drücken wir uns herzlichen Dank an die Firma Kuchenmeister aus, die uns 2 dieser Roboter als Schenkung überlassen haben!

Danke für die Schenkung der 2 Delta-Picker-Roboter!

Kurz zu dem Roboter:

• es ist ein 4-Achsen Parallel-Roboter mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision,
• Ethernet-kompatibel zur Steuerung des Roboters über die gewohnte Programmiersprache (IEC 61131-3) des NX/NJ-Maschinen-Controllers
• Vier-Arm-Design verteilt Lasten gleichmäßig auf den Roboter.
• Schnelle und hochpräzise Fließbandverfolgung und Montage hohe Nutzlast für Multi-Picking- Anwendungen.
• Das 650HS-Modell hat die USDA-Zulassung für das Handling von primären Lebensmitteln Arbeitsbereich von 1.300 und 1.600 mm bis zu 15 kg max Nutzlast.
• Schutzart: IP65 (IP66 für HS-Modell).

Dieses Projekt wird sich nach dem V-Modell entwickeln, um Transparenz, Harmonie und leichte Verständlichkeit für den Leser zu ermöglichen (S. Abbildung 2)

Aufgabenstellung und Definition der Anforderungen

Aufgabenstellung: In diesem Projekt geht es darum, eine Aufhängung für den Picker-Roboter zu entwickeln und zu bauen, die eine Last von ca. 117 kg (Gewicht des Picker-Roboters) tragen kann. Die einzelnen Arbeitspakete gliedern sich wie folgt:

•	Bestandsaufnahme: Alle Teile müssen sortiert und geprüft werden, ob sie noch funktionieren. Und repariert, falls sie nicht.
• 	Konzeption Aufhängung & Rahmen: Unter Zuhilfenahme von Kreativitätstechniken soll ein geeignetes Lösungskonzept entwickelt werden. 
        Das Lösungskonzept ist als 3D- 
        Modell zu realisieren. Technische Zeichnungen sind ebenfalls zu erstellen.
•	Beschaffung: Bestellung fehlender Halbzeuge, Normteile oder sonstiger Zukaufteile zur Umsetzung des Lösungskonzeptes.
•	Bau: Die Halbzeuge sind eigenständig nach den techn. Zeichnungen zu fertigen. Alle Teile der Baugruppe sind anschließend zu fügen.
•	Montage des Pickers: Mit Hilfe des Hubwagens wird der Picker-Roboter an die Aufhängung gehängt und befestigt. 
•	Inbetriebnahme des Picker-Roboters: Durchführung erster Funktionstest mit elektrischer Ansteuerung.

Anforderungsdefinition

Folgende Rahmenbedingungen und Anforderungen wurden an die Projektlösung gestellt:

• 	Konventioneller, simpler Aufbau
•	flexibel und bewegliche Aufhängung
•	Gegenlager für lange Werkstücke
•	Verwendung der Alu-Strukturprofile
•	Spanndurchmesser bis ca. 80 mm
•	Budget bis maximal 1500€
•	Bestellung/ Beschaffung rechtzeitig auslösen
•	Lieferung bis Januar 2020
•	Dokumentation in SVN und Wiki nach dem V-Modell:

SVN-Ordner: Anforderungsdefinition

Abbildung 2: V-Modell

SVN-Ordner: nach V-Modell

Bestandaufnahme

Wir mussten die verschiedenen Teile und Materialien, die wir für das Projekt erhielten, aussortieren (S, Abbildung 3), um herauszufinden, was wir brauchten und noch wichtiger, was funktionstüchtig war. Danach begann die Reparaturphase in der wir feststellten, dass der Computer, den wir hatten, in einem schlechten Zustand war und sich nicht einschaltete. Nachdem wir erkannt hatten, was das Problem war, und es repariert bzw. beseitigt hatten, trat ein neues Problem auf. Die Festplatte war nicht lesbar (S. Abbildung 4) und wir konnten keine Informationen darüber erhalten. Von dort aus führten wir Verbindungsprüfungen am Computer durch und schafften es (S. Abbildung 5), dieses zweite Problem zu lösen bzw. zu beseitigen.

Komponenten:

Abbildung 3: Komponenten

SVN-Ordner: SVN-Adept-Ordner

Elektrischer Test:

Abbildung 4: Elektrischer Test

SVN-Ordner: SVN-Adept-Ordner

Reparaturen:

Abbildung 5: Reparaturen

SVN-Ordner: SVN-Adept-Ordner

Funktionaler Systementwurf

Wir haben ein Modell mit einer Höhe von 2.180 m und einer Breite von 1.400 m erstellt. Die Funktionen der 3 Hauptteile der Konstruktion sind wie folgt verteilt (S. Abbildung 6).

• (1) Wir mussten eine Struktur bauen, die es ermöglicht, den Roboter stabil und ohne größere Befestigungskomplikationen zu fixieren.

• (2) Wir mussten die Tatsache respektieren, dass die Struktur das Gewicht des Roboters von 117 Kg und die Struktur von 150 Kg tragen kann.

• (3) Da die Konstruktion beweglich sein musste, musste auch sichergestellt werden, dass sie bewegt werden kann und die dafür vorgesehenen Räder den Anforderungen an die Tragfähigkeit einer Masse dieser Größe entsprechen.

Es ist zu beachten, dass die Räder so montiert werden, dass die Räder nach dem Bewegen des Moduls auf einer festen Arbeitsfläche angehoben werden können, so dass das Modul während der gesamten Arbeitszeit vollständig stationär bleibt. Es ist wichtig zu beachten, dass selbst nachdem das System signalisiert hat, dass der Roboter vollständig installiert ist, der Werkzeugflansch sich weiter bewegt, unabhängig davon, wie stark die hängende Basis des Roboters bewegt werden kann.

Abbildung 6: Baugruppe

SVN-Ordner: Funktionaler Systementwurf

Technischer Systementwurf

Da haben wir die verschiedenen Teile der Vorrichtung mit Bemaßungen gezeichnet.

Konzeption Aufhängung & Rahmen

Wir haben unter der Kritik des Professors mehrere Zeichnungen nach unseren Vorstellungen angefertigt und auch Vorschläge von ihm erhalten, die die Höhe und Breite der Türen und der Aufzüge respektieren. Wobei auch die Höhe und der Arbeitsraum des Roboters berücksichtigt wurden, ohne seine Form und sein Gewicht zu vergessen. Abbildung 7 zeigt uns einige Ausschnitte, die auf einer Platte angefertigt wurden. Damit sich die Roboterarme vertikal bewegen können. Die Arme brauchen Platz, wenn sie "einknicken"und nach oben bewegen! wenn der Roboter in Betrieb ist, gibt es eine Bewegung der Roboterarme nach oben um 200 mm über die Roboter-Befestigungsposition. wir haben unsere Zeichnungen unter Berücksichtigung dieser Tatsache angefertigt. einschließlich der Höhe der TCP (Tool Center Point) über dem Roboter.

Abbildung 7: Seitliche Darstellung des Entwurfs (von Prof Göbel).

SVN-Ordner: Technischer Systementwurf

Komponenten Spezifikation

Nach der Realisierung unserer mehrfachen Zeichnungen und der endgültigen Auswahl der zu wählenden, haben wir unsere Liste der benötigten Materialien und Montagewerkzeuge mit den entsprechenden Preisen erstellt, damit sie rechtzeitig bestellt werden konnten. Wir stießen auf mehrere Schwierigkeiten, da die Vielfalt der Produkte auf dem Markt uns dies erschwerte. Es war nicht einfach, nach weiteren Recherchen das genaue Produkt zu finden, das wir für unsere Konstruktion benötigten. Wir mussten uns auch mit dem Lehrer über die Auswahl bestimmter Teile einigen. Da einige von ihnen preislich und konstruktiv einfach zu handhaben waren.

Die nachfogend aufgeführten Zukaufteile wurden beschafft:

Pos.	Beschreibung	Anzahl	Preis	Link
1	Gewinde-Formverbindersatz 10 Profiltyp schwer	32	52,48€	Link
2	Hauptsäulen: Profil 10 100x100, L = 2040mm	8	958,38€	Link
3	Streben oben: Profil 6 40x160, L = 1200mm	8	201,20€	Link
4	Streben unten: Profil 10 45x90 schwer, L = 1200mm	4	58,28€	Link
5	Werkzeug: Bit Torx T50 mit Nuss-Aufnahme	1	18,99€	Link
6	Werkzeug: Bit Torx T50	5	19,95€	Link
7	Schraube für Rolle an Fußplatte	8	3,20€	Link
8	Schraube für Dachplatte an Fußplatten	32	12,80€	Link
9	Rittal AE 1045.500 Schaltschrank 400 x 500 x 210 Stahlblech Lichtgrau (RAL 7035) 1 St.	2	129,58€	Link
10	FSP FSP180-50PLA Netzteil	2	110,16€	Link
11	Fußplatte 10 100x100 M12	8	89,60€	Link
12	Winkel 10 100x100	40	268€	Link
13	Installationskabel H07RN-F 3 x 1.5 mm² Schwarz 50 m	1	90,66€	Link

SVN-Ordner: Komponentenspezifikation

Entwicklung

Nach der Abnahme des endgültigen Konzeptes ging es an die Umsetzung der Zeichnungen am Computer mit der Software May-CAD (vgl. Abbildung.8). May-CAD wurde uns vom Professor vorgeschlagen, weil wir für die Realisierung des Projektes über Bosch-Profile verfügten und die May-CAD-Software auf Bosch-Profilzeichnungenspezialisiert war. Wir stießen auf mehrere Komplikationen zwischen den von Hand angefertigten Zeichnungen und deren genauer Machbarkeit mit der Software. Aus diesem Grund haben wir unter der Aufsicht des Professors mehrere Prototyp-Zeichnungen angefertigt, bis wir uns auf die realisierbare Zeichnung geeinigt haben. Diese Software hat die Besonderheit, dass sie uns nach der Erstellung einer Zeichnung erlaubt, die Produktionskosten, das Gewicht und viele andere Informationen bereits zu kennen, was ein sicherer Grund für die Beurteilung und Einschätzung der Machbarkeit der angefertigten Zeichnungen war.

Abbildung 8: Darstellung des Maycad-Entwurfs

SVN-Ordner: Zeichnungen/Maycad_Gestell

Standard-Profilverbindung

Um ein Standardprofil zu erstellen, haben wir mit der Empfehlung von Prof. Herr Göbel das May-Cad-Programm genutzt, das wirklich sehr praktisch ist. Denn nachdem wir die Zeichnung komplett fertig gestellt haben (die Abbildung 9 zeigt, wie man ein Standard-Profil auf May-Cad erstellt), brauchten wir nur noch ein paar Klicks und wir konnten nicht nur die genaue Stückliste der Zeichnung erhalten, sondern auch ein Angebot für jedes einzelne Teil der Stückliste bei der Firma (Maytec) anfragen und ( 1-2 Tage) erhalten. Die Links zum Herunterladen des Programms und die Bestellseite befinden sich in der Rubrik Quellen.

Abbildung 9: Verbindung von ein 100X100 Profil mit 160X40 Profil

Nach der Realisierung und Fertigstellung der vom Lehrer gewählten Zeichnung auf May-CAD konnte die Konstruktion (noch mit Software) diesmal auf SolidWorks weitergeführt werden ((vgl. Abbildung.9),(Abbildung.10)), da es darum ging, ein anderes Material als Aluminium (Holz) hinzuzufügen, um Kosten zu reduzieren und die Konstruktion zu vereinfachen. Wir haben uns sehr gefreut, dass May-CAD uns die Arbeit erleichtert hat, da wir nicht alle diese Bosch-Profile auf May-CAD zeichnen mussten, einschließlich der anderen Teile, die dazu gehören.

Abbildung 10: Darstellung des SolidWorks-Entwurfs

SVN-Ordner: Zeichnungen/Adept mit Platten und Stange_Halter

(Abbildung 11) zeigt den Roboter Adept Quattro s650H, der oberhalb des hängenden Arbeitsbereichs auf einem von uns gelieferten Rahmen montiert ist. Der Rahmen ist steif genug, um den Roboter starr zu halten, während sich die Roboterplattform im Arbeitsbereich bewegt.

Abbildung 11: Darstellung des Baugruppen-Modells

SVN-Ordner: Zeichnungen/ SolidWorks_Baugruppe

Technische Zeichnungen

Nachdem unsere Konstruktion auf SolidWorks fertiggestellt war, mussten wir alle Holzteile so bemessen, dass der Lehrer sie zuschneiden und uns für die Konstruktion zur Verfügung stellen konnte (S. Abbildung 12 und 13).

Abbildung 12: Darstellung der technischen Zeichnung der Befestigungsplatte

Abbildung 13: Darstellung der technischen Zeichnung der Deckplatte

SVN-Ordner: Zeichnungen/ Technische Zeichnungen

CAD-Daten

Abbildung 14:Technische Zeichnungen unserer Aufhängung

Dies in Abbildung 14 ist eine zeichnerische Darstellung unserer Aufhängung.

Die sämtlichen CAD-Daten und weitere Projektdateien finden sich unter folgendem SVN-Link: CAD-Daten

Komponententest

Aufgrund der Tatsache, dass unser Projekt nicht abgeschlossen ist, ist es uns nicht möglich, einen kompletten Test unserer zu bauenden Struktur durchzuführen. Dennoch haben wir alle Komponenten getestet, die wir bis zum Ende der Montagezeit des Projekts zusammengesetzt haben.

SVN-Ordner: Komponententest

Fertigung und Montage

Zu Beginn unserer Konstruktion hatten wir Schwierigkeiten mit den Lagern, die wir bestellt hatten. Aber nicht die, die uns geliefert wurden. Sie entsprachen nicht dem, was in unserer Konstruktion vorgesehen war und waren aufgrund ihrer Form und Abmessungen nicht verwendbar. Eine Lösung wurde gefunden, wo es darum ging, Löcher in die Einsätze zu bohren, auf die sie gesetzt werden sollen, um die Konstruktion zu ermöglichen (S. Abbildung 15).

Abbildung 15:Montage von Rollen

Zuerst montierten wir die acht Fußplatten auf den Profilalu 10.100*100 und dann wurden vier Rollen auf den unteren Teil unserer Aufhängung geschraubt(vgl. Abbildung.15).Die Platte wurde nach der vollständigen Montage des Rahmens montiert. Für die Konstruktion unserer Aufhängung, wurden wir von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter betreut. Wir hatten einige Schwierigkeiten während des Montageprozesses. Genauer gesagt, wie wir auf der (Abbildung.16) des gebrochenen Verbinders sehen können. Der Grund dafür könnte sein, dass die Arbeit manuell mit ungeeigneten Arbeitsmethoden und Werkzeugen durchgeführt wurde.

Abbildung 16:Schwierigkeiten

Wir haben mit der Konstruktion von zwei H-Profilen begonnen (vgl. Abbildung.17), die wir dann zu unserem vollständigen Profil zusammengefügt haben (vgl. Abbildung.18). Die Standard-Befestigungssätze sind optimal für eine dauerhafte und feste Verbindung der Profile. Sie bieten eine hohe Belastbarkeit gegen Verschiebung und Torsion. Der große Montagevorteil liegt im Wegfall jeglicher maschineller Profilbearbeitung: Wie die (Abbildung.19) zeigt, die Verbinder werden stirnseitig direkt in die Nut von Profil 1 eingeschraubt. In die Nut von Profil 2 werden Hammermuttern eingebracht, mit denen die Aluprofil-Verbinder aus Profil 1 anschließend verschraubt werden.

Abbildung 17:H-form

Abbildung 18:Aufhängung

Abbildung 19:Standard-Profilverbindung

Schaltplan

Ein System wurde entwickelt (S. Abbildung 20), um die Geräte miteinander zu verbinden. Zwischen dem XSLV-Sicherheitsverriegelungsstecker des Roboter-Interface-Panels und dem XSYS-Stecker der SmartController wird ein XSYS-Kabel installiert. Und die Schrauben werden dann verriegelt. Stecken Sie ein Ende des IEEE 1394-Kabels in den Anschluss SmartServo Port 1.1 oder 1.2 am SmartController und das andere Ende in den Anschluss SmartServo Port 1 am Roboter-Interface-Panel. Bevor Sie Programme ausführen, müssen Sie eine optionale Adept Bedienkonsole oder eine vom Benutzer gestellten Schalter für Antriebsleistung (Betriebsmodus und Not-Halt mit dem XFP-Anschluss des Adept SmartControllers CX) verbinden. Der Adept SmartController CX und das sDIO-Modul erfordern eine geglättete 24 V-Gleichspannungsversorgung.

Abbildung 20: Schaltplan https://assets.omron.com/m/61547d4849409d86/original/Quattro-S650H-Parallel-Robot-Users-Manual.pdf

SVN-Ordner: Schaltplan

Integrationstest

Aufgrund von Zeitmangel und organisatorischen Schwierigkeiten war es uns nicht möglich, den Bau fertigzustellen und daher unsere endgültige Konstruktion zu testen. Wir hoffen jedoch, dass alle Informationen, die im svn enthalten sind, den nächsten Studenten, die sich für dieses Projekt interessieren, helfen werden.

Abnahmetest

Da das Projekt nicht abgeschlossen werden konnte, war es für uns unmöglich, einen Abnahmetest durchzuführen, da von der Verkabelung bis zur Programmierung des Roboters nichts machbar war, wenn der Roboter nicht an der Aufhängung befestigt ist.

Systemtest

Da der Roboter nicht angeschlossen, die Verkabelung abgeschlossen und die Programme getestet werden konnten, war es für uns unmöglich, diesen Teil des Projekts abzuschließen.

Fazit und Ausblick

Das Projekt adepter Pickroboter stellt eine herausfordernde und spannende Aufgabe dar und gibt einen globalen Blick auf ein mechatronisches System. Es geht darum, das Projekt auf der elektrischen Ebene (Herstellung aller Verbindungen unter Berücksichtigung möglicher Kurzschlüsse), auf der elektronischen Ebene (Herstellung von Steuerungen und Software-Updates), aber auch auf der mechanischen Ebene (Erstellung von CAD-Zeichnungen und anschließende Konstruktion) zu bearbeiten. All dies erfordert viel Recherche und Einarbeitung in das Thema.

Während dieses Projektes konnten wir unser Wissen in verschiedenen Bereichen vertiefen, aber auch viele neue Dinge lernen, wie z.B. das Zeichnen auf May-CAD, die Anwendung des V-Modells und die Arbeit mit SVN.

Im Rahmen des Praktikums erledigte Aufgaben:

• Elektrischer Test
• Reparaturen durchführen
• Aufhängungskonzept entwickeln und erstellen
• Technische Zeichnungen erstellen
• Schaltplan erstellen

Was ist noch nicht fertig und ist noch zu machen:

Von dem Punkt, an dem das Projekt von uns verlassen wurde, könnte es in Zukunft für diejenigen, die an diesem Projekt weiterarbeiten wollen, von Vorteil sein, an den Punkten zu arbeiten, wie:

• Die Fertigstellung der Aufhängung,

• Befestigung der Roboterlegierung an der Aufhängung,

• Studie die Programmiersoftware des Roboters, der in dem von uns reparierten PC vorhanden ist,

• Programmierung des Roboters entsprechend einer bestimmten Aufgabe,

• Den Roboter in Betrieb Nehmen.

Lessons Learned

• Dokumentation
• Projektplanung
• CAD-Konstruktion in MAY-CAD
• Adept-Verkabelungen
• SVN

Quellen

https://assets.omron.com/m/61547d4849409d86/original/Quattro-S650H-Parallel-Robot-Users-Manual.pdf

http://products.omron.us/Asset/Omron-Adept-SmartController-EX_UG_EN_201602_R96IE01.pdf

https://industrial.omron.de/de/products/robotics

https://de.wikipedia.org/wiki/Adept_Technology

http://maytec.com.de/index.php?id=21&L=1/

Sonstiges

Autoren: Leger Paco Kamegne Kamdem, Ferry Rossini Nde, Jasmin Tewo Watio
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel

SVN-Ordner: SVN-Adept-Ordner