antriebstechnik 9/2023

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG POSITIONIERFEHLER IDENTIFIZIEREN SEILWINDENPRÜFSTAND ZUR UNTERSUCHUNG HOCHDYNAMISCHER SCHLUPF- UND REIBEIGENSCHAFTEN VON KUNSTSTOFFFASERSEILEN Kunststofffaserseile erfüllen zunehmend wesentliche Funktionen in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise Krananlagen, Schachtförderanlagen und Seilrobotern. Im Vergleich zum Einsatz von Stahlseilen, bieten Kunststofffaserseile den Vorteil des geringen Eigengewichts bei vergleichbaren Bruchlasten sowie einer höheren Flexibilität, die eine kompakte Speicherung und Umlenkung ermöglicht. Jedoch führen die Verwendung und der Betrieb mit hochdynamischen nichtlinearen Bewegungs- und Lastprofilen zu bisher unbekannten mechanischen und thermischen Störeffekten, die zu erheblichen Positionierfehlern (Seilschlupf) und Reibung führen können. Um diese Effekte genauer zu untersuchen, wurde am Institut für Steuerungstechnik für Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart ein innovativer Verspannungsversuchsstand mit Kraft- und Linearmesssensorik entwickelt und aufgebaut. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Identifikation und Modellierung dieser Störeffekte, um diese während der Seilaktuierung modellbasiert zu kompensieren. Thomas Reichenbach, M. Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter „Mechatronische Systeme und Prozesse“, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Institutsleiter, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart 40 antriebstechnik 2023/09 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Der Einsatz von Kunststofffaserseilen als Antriebselement in industriellen Anlagen wie Seilrobotern ist aufgrund ihrer geringen Eigenmasse, hohen Bruchlasten und der kompakten Speicherung vorteilhaft. Mit einem Seilroboter können beispielsweise hohe Geschwindigkeiten (> 10 m/s), Beschleunigungen (> 200 m/s2) und große Reichweiten (> 10 m) erzielt werden. Diese Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten zur automatisierten Handhabung großskaliger Objekte. Seilroboter finden daher Anwendung für Handhabungs- und Sortieraufgaben bei denen große Arbeitsräume, hohen Traglasten und hohe Dynamiken erforderlich sind. Ein weiterer Anwendungsfall ist die additive Fertigung von Betonteilen im Bauwesen. Im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern ermöglicht die Leichtbaustruktur eines Seilroboters einen energieeffizienteren Betrieb. Weitere Anwendungen umfassen Logistik in Hochregallagern, Unterhaltungsindustrie (z. B. SpiderCam) und der Einsatz als Bewegungssimulator. Abgeschlossene Forschungsprojekte am ISW demonstrierten die Rekonfigurationsfähigkeit von Seilrobotern bis hin zu hybriden Aufbauten, die eine endlose Rotation um eine Raumachse ermöglichen (Bild S.40). STÖREFFEKTE MIT SEILWINDENPRÜFSTAND UNTERSUCHEN Um die Genauigkeit von Seilrobotern zu steigern, ist es unerlässlich, die Störeffekte, die durch den Einsatz von Kunststofffaserseilen entstehen können, zu untersuchen. Das Aktuierungsverhalten der Seile auf einer Trommelwinde beeinflusst maßgeblich die Genauigkeit der Roboterplattform. Ein konkretes Beispiel ist, dass ein Positionierungsfehler zwischen 2 mm und 5 mm auf der Seilwinde eine absolute Posenabweichung der Plattform von 15 mm bewirkt (bei einem Seilroboter mit Abmessung von 16 m x 11 m x 4 m). Die Ursache für die großen Positionierungsfehler liegen in einer, bisher nicht betrachteten, Kombination aus mechanischen, elektrischen und thermischen Effekten des Aktuierungssystems. Die resultierenden Störeffekte können bisher nur durch die sehr aufwändige Integration von kostenintensiver Messtechnik wie Linearmesssensoren und Kraftsensoren an der Seilwinde sowie absolute Koordinatenmesssysteme (Lasertracker) und Beschleunigungssensoren an der Plattform erfasst werden. Da für einen verspannten Seilroboter mindestens sieben Seilwinden notwendig sind, stellt dies ein beträchtlichen Aufwand und Kostenfaktor dar. An die eingesetzten Seilwinden werden zudem hohe Anforderungen an die Bewegungsdynamik gestellt. Um die Dynamik und Genauigkeit von Seilwinden zu steigern, eignen sich modellba- 01 Am ISW wurde ein Seilwindenprüfstand entwickelt, um die Schlupf- und Reibeigenschaften von laufenden Kunststofffaserseilen auf Trommelwinden zu untersuchen 02 Die Steuerungsarchitektur des Seilwindenprüfstands STUTTGARTER LAGEREGELSEMINAR DES ISW Das ISW veranstaltet am 12. & 13. September 2023 das Stuttgarter Lageregelseminar (LRS). Dort werden zum einen industrienahe Forschungsthemen des ISWs im Bereich Antriebs- und Maschinentechnik, Additive Fertigung sowie Industrie- und Seilrobotik vorgestellt und zum anderen werden Vorträge von Vertretern aus der Industrie gehalten. Auf der zweitägigen Veranstaltung geben Referenten aus Industrie und Forschung einen Einblick zu aktuellen Forschungsergebnissen und Entwicklungen. Es werden zwei Keynotes und insgesamt sechs Sessions zu den jeweiligen Teildisziplinen mit je einem Vortrag aus der Forschung und Industrie angeboten. Mehr Informationen finden auf der Webseite des Lageregelseminars. Dieser Beitrag gibt einen Einblick in eines der am Seminar behandelten Themen. www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2023/09 41