Industrieroboter

4D Engineering betreibt seit mehreren Jahren die Softwareentwicklung der Steuerungsmodule für die Industrieroboter der Firma KUKA Roboter GmbH, den Marktführer für Industrieroboter in Deutschland.
So wurden unter anderem Module für die interaktive Steuerung asynchroner Zusatzachsen, den Werkzeugwechsel "on the fly" und die flexible Anbindung von Sensoren an die Steuerung implementiert.

Die Robotik gilt als eine der Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert. Insbesondere in ihrer Ausprägung als Industrieroboter dringen Roboter ständig in neue Anwendungsgebiete vor und sind auch Gegenstand intensiver Forschung. 4D Engineering entwickelt seit vielen Jahren Steuermodule und Simulationssoftware für die Industrieroboter der KUKA Roboter GmbH, die zu den weltweit führenden Anbietern in diesem Markt zählt.

Industrieroboter werden häufig im Automobilbau eingesetzt. Sie kommen aber auch in der Verpackungsindustrie, der Montage und der Industrieautomation, sowie in vielen Nischengebieten als flexible Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Aufgrund ihrer inneren Komplexität und ihrer vielfältigen Einsatzgebiete stellen Industrieroboter große Herausforderungen an die Funktionalität und Performance der Steuerungssoftware.

Wir arbeiten seit vielen Jahren an der Entwicklung der Steuerung für die Industrieroboter der KUKA Roboter GmbH mit Sitz in Augsburg mit. Zudem befindet sich in Nachbarschaft zum Firmensitz der 4D Engineering das Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt, in dem an innovativen Verfahren zur Bahnoptimierung, Positioniergenauigkeit, Sensorik und Ähnlichem geforscht wird. 4D Engineering hat dabei mitgewirkt, Innovationen aus dieser Forschung in die Robotersteuerung von KUKA zu integrieren. So konnten zum Beispiel durch ein dynamisches Robotermodell die Antriebe momenten-optimiert angesteuert und dadurch Fertigungszeiten in der Automobilfertigung erheblich reduziert werden.

Zur Bewältigung der vielfältigen und komplexen Aufgaben basiert die KRC (KUKA Robot Control) auf einer modernen Plattform mit Intels Multi-Core- Prozessoren und einer Kombination aus dem Echtzeitbetriebssystem VxWorks und Windows XP. Dabei läuft mit die Steuerung mit Vorrang unter VxWorks, während Windows die Benutzeroberfläche trägt.

Die Robotersteuerung muss in einem Takt im Millisekundenbereich Sollwerte liefern, um die verlangte Positionier- und Bahngenauigkeit in der Größenordnung von Zehntelmillimetern bei einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von mehreren m/s zu gewährleisten. In diesem kurzen Zeitraum müssen u. a. Bahnplanung, Interpolation der Bewegungsprofile, Koordinatentransformationen, Einrechnung von Sensorkorrekturen, ggf. Bremsensteuerung, Führung von asynchronen Achsen und die Interpretation des Programmcodes durchgeführt werden. Zur Bewältigung der damit einhergehende hohen- Komplexität und Parallelität wird intensiver Gebrauch von Multi-Tasking unter prioritätengesteuerten, präemptiven Scheduling gemacht, sowie der zugehörigen Mechanismen zur Interprozesskommunikation und -synchronisation. Nicht zuletzt deshalb setzt KUKA auf die neueste Version des Echtzeitbetriebssystems VxWorks 6.x, das neben diesen Kernmechanismen auch Echtzeitprozesse, Speicherschutz und symmetrisches Multi-Processing beherrscht. 4D Engineering ist seit mehr als einem Jahrzehnt mit VxWorks und der zugehörigen Entwicklungsumgebung Tornado bzw. Wind River Workbench vertraut.

Zur Ansteuerung der Antriebe, für Signal I/O und Sicherheitslogik, sowie für die Anbindung externer Kinematiken oder kooperierender Roboter wird eine echtzeitfähige, also schnelle und deterministische Echtzeitkommunikation benötigt. Hier kommt Ether- CAT zum Einsatz, wobei die KRC selbst den Master darstellt und über mehrere EtherCAT Stränge mit ihren Slavekomponenten mit Raten im Kilohertzbereich Prozessdatenabbilder abgleicht.

Bei der Planung moderner Roboteranlagen spielen Simulation und Offline-Programmierung eine große Rolle. Solche Simulationssysteme ermöglichen es, ohne Erfordernis der realen Hardware die Roboterbewegungen zu simulieren, die Arbeitsabläufe zu programmieren und Taktzeiten zu bestimmen. Dabei wird das Verhalten des Roboters in seiner Arbeitsumgebung in Echtzeit simuliert und als 3DAnimation visualisiert. In diesem Umfeld stellt RRS - Realistic Robot Simulation - einen Standard dar. 4D Engineering erstellt für KUKA die Steuerungs-Simulations-Module nach RRS I und II.

Für die KUKA Robot Control wurden von 4D Engineering mehrere Steuerungsmodule entwickelt. Dazu zählen unter anderem die folgenden.

Für die KUKA Robot Control wurden von 4D Engineering mehrere Steuerungsmodule entwickelt. Dazu zählen unter anderem die folgenden.

Das von uns implementierte Modul "asynchrone Achsen" dient zur interaktiven Steuerung einzelner Zusatzachsen während die Hauptachsen unter Programmkontrolle gefahren werden. Die Funktion steht auch zur programmgesteuerten Bewegung der Zusatzachsen, jedoch völlig entkoppelt von allen anderen Achsen zur Verfügung, z.B. für einen Prozessleitrechner. Hierzu wurde auch der Sprachumfang der Anwendungssprache KRL (KUKA Robot Language) erweitert.

Das Modul 'Abgekoppelte Zusatzachsen' ermöglicht eine flexible Handhabung von mehreren, verschiedenen Werkzeugen (z.B. elektromotorische Schweißzangen), die am Robotersystem als Zusatzachse konfiguriert sind. Die benötigten Werkzeuge können sozusagen 'on the fly' programmgesteuert aus der momentan laufenden KRL-Applikation heraus gewechselt werden.

Zur Verbesserung der Bahngenauigkeit und zur Vermeidung von Singularitäten beim interaktiven Verfahren wurden die Algorithmen "lernfähige Vorsteuerung" und "singularitätenfreies Fahren" aus dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik implementiert und in die KRC integriert.

Das Modul "Robot Sensor Interface" wurde komplett von 4D Engineering implementiert. Es gestattet - auch zur Laufzeit - die flexible Anbindung von Sensoren an die Steuerung, die Korrelation der Sensordaten untereinander und das Einbringen von Sensorkorrekturen in den Bewegungsablauf. Dies geht bis zum rein sensorgesteuerten Fahren.

Diese zentrale Komponente des KRC-Powermanagements wurde als Windows-Dienst in C# implementiert, die USV ist über USB (HIDProtokoll) angebunden. Mit der Echtzeitsteuerung und anderen Windows-Komponenten wird über Netzwerk kommuniziert. Der Service ist für das kontrollierte Herunterfahren aller KRC Komponenten zuständig, z.B. im Falle von Spannungsausfall. Zudem bietet er auch für externe Applikationen (z.B. Anlagen-SPS) die Möglichkeit, Teile der Steuerung oder die gesamte Steuerung zu deaktivieren bzw. wieder zu aktivieren.

Entwicklung der Software für die Anbindung kleiner Roboter an die KUKA Robotersteuerung. Dies beinhaltet die Anbindung eines zweiten Steuerungsrechners über EtherCAT, wobei von 4D Engineering auf beiden Seiten die notwendigen Softwaremodule realisiert wurden.

Entwicklung der Software für die Regelung und Geräteanbindung in der KRC Next Generation. Die Anbindung des Roboters an den Steuerungsrechner erfolgt dabei über EtherCAT. Die Regelung wird auf einem Industrie PC mit Standard Hardware im hohen Takt gerechnet. Besonderes Augenmerk liegt auf der variablen Konfiguration der Regelung bei gleichzeitig hoher Performance.