MOBIMA – Arbeitsausrüs­tungen mit parallelkinema­tischen Strukturen für mobile Arbeitsmaschi­nen

Zielstellung

Parallelkinematiken besitzen dabei im Allgemeinen Vorteile durch hohe Traglast und Steifigkeit bei geringer bewegter Eigenmasse, ein gutes Verhältnis von Arbeitsraum zu Aufspannfläche sowie die einfache Umsetzbarkeit modularer und leichter Bauweisen. Für mobile Arbeitsmaschinen finden Parallelkinematiken allerdings aufgrund der komplexen Steuerung bisher keine Anwendung. Ziel des Projektes ist daher die Analyse der wirtschaftlichen und technischen Potenziale des Einsatzes von Parallelkinematiken in mobilen Arbeitsmaschinen. In der ersten Projektphase ergaben Untersuchungen möglicher Einsatzfelder besonders großes Potenzial für den Einsatz als Arbeitskinematik am Radlader.

Speziell für Radlader existieren sowohl viele Maschinentypen, wie Kompakt-, Teleskop- oder Schwenklader, als auch zahlreiche arbeitsprozessspezifische Werkzeuge, wie bspw. Schaufeln und Palettengabeln mit integriertem Schub- oder Drehmodul. Ein Großteil dieser Vielfalt besteht jedoch nur zur Kompensation der eingeschränkten Arbeitsbeweglichkeit des Radladers. Dabei führt die ständige Anpassung an den jeweiligen Arbeitsprozess durch Maschinen- oder Werkzeugwechsel zu einer geringen Maschinenauslastung und hohen Gesamtkosten.

Der Einsatz einer Hexapodarbeitsausrüstung am Radlader erlaubt die Bewegung aller Werkzeuge in  allen sechs Freiheitsgraden und ermöglicht so Bewegungen wie bspw. seitlichen Versatz, seitliches Kippen/Verdrehen oder Telekopieren und damit für viele Anwendungsfälle den Verzicht auf den Einsatz teurer Sonderwerkzeuge oder gar anderer Maschinentypen. Die damit erreichte höhere Wendigkeit und Flexibilität führt direkt zu einer effizienteren Maschinennutzung mit entsprechenden Zeit- und Kostenersparnissen bei den Arbeitsprozessen.

Ziel der Hauptphase des Projektes ist daher die Entwicklung, Umsetzung und Erprobung eines hydraulischen Hexapods als parallelkinematische Arbeitsausrüstung an einem Radlader.

Lösungsweg

Es erfolgt zunächst der Aufbau eines stationären Prüfstandes mit dem Ziel der Inbetriebnahme der Teilsysteme sowie prozessunabhängigen Untersuchungen an Anwendungen und Arbeitsausrüstungen. Anschließend folgen, mittels der verstellbaren Gelenkpunktanordnungen am Prüfstand, Untersuchungen zu verschiedenen Gelenkpunktlagen, um eine für den Radlader passende und hinsichtlich Arbeitsraum und Kraftverteilung günstige Konfiguration zu finden. Parallel werden die Neukonstruktion des Vorderwagens zur Anbindung der neuen Struktur und die Konzipierung der Hydraulik durchgeführt. Die Entwicklung der Steuerung umfasst, entsprechend der neuen Systemarchitektur auf dem Radlader, als wesentliche Aufgaben die

• Auslegung eines CANopen-Bussystems zur Anbindung sämtlicher mit der Steuerung verbundener Sensorik und Aktorik
• die Inbetriebnahme eines echtzeitfähigen Linuxbetriebssystems und die Entwicklung der notwendigen Grundfunktionalitäten: CANopen-Anbindung, Prozessabbild, Datenlogger, Entwickler-Bedienoberfläche, etc.
• Entwicklung und Implementierung der Regler, Bahnplanungs- und Interpolatorfunktionen
• Entwicklung und Implementierung echtzeitfähiger kinematischer Transformationen für den Hexapod mit exzentrischen Gelenken und die neue Kippkinematik
• Entwicklung einer Bedienoberfläche für den Radlader

Ergebnisse

Die gegenständlichen Ergebnisse des Projektes sind ein Hexapod-Prüfstand und ein Demonstrator-Radlader. Der Prüfstand ist mit einer Belastungseinrichtung versehen, die Untersuchungen bei unterschiedlichen Lastsituationen ermöglicht. Der Radlader ist trotz umfangreicher Messtechnik praxisnah aufgebaut und autark einsetzbar.

Die Bedienung erfolgt entweder interaktiv durch den Bediener mit einem Joystick oder trajektoriengeführt durch Auswahl von Trajektorien oder einfachen Zielpositionen (z. B. der Homeposition) auf dem Display. Eine Bedienoberfläche unterstützt den Fahrer weiterhin durch Anzeige der Istpose, der aktuellen Joystickbelegung und des Systemzustandes.

Als weitere Ergebnisse des Projektes sind der hohe Erkenntnisgewinn über den Einsatz von Parallelkinematiken an mobilen Arbeitsmaschinen, die Bestätigung der Machbarkeit und die durchweg positiven Reaktionen von Anwendern und Herstellern zu nennen. Die neuartige Hexapod-Arbeitsausrüstung ist zum Patent angemeldet und es bestehen Kontakte zu Radladerherstellern bzgl. einer Weiternutzung.

Die Vorstellung des Radladers erfolgte bereits auf der Hannovermesse 2012, der 5. Fachtagung für Baumaschinentechnik in Dresden und dem 7. Kolloquium Mobilhydraulik in Karlsruhe.

Veröffentlichungen

• Großmann, K. ; Friedrich, C. : Steuerung einer neuartigen Hexapod-Arbeitsausrüstung für Radlader. Teil 2 - Regelungskonzept, Hexapodkinematik und Sicherheitsfunktionen. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 01/02 (2013), S. 37–41 Volltext
• Großmann, K. ; Friedrich, C. : Steuerung einer neuartigen Hexapod-Arbeitsausrüstung für Radlader. Teil 1 - Systembeschreibung, Busauslegung und Steuerungsarchitektur. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 12 (2012), S. 897–902 Volltext
• Hentschel, T. ; Friedrich, C. ; Kunze, G. : Arbeitsausrüstungen mit parallelkinematischen Strukturen für Mobile Arbeitsmaschinen. In: M. Geimer; P.-M. Synek, WVMA - Wissenschaftlicher Verein für Mobile Arbeitsmaschinen e.V. (Hrsg.): 7. Kolloquium Mobilhydraulik Karlsruhe. KIT Scientific Publishing, 2012 (Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystemtechnik 14). – ISBN 978–3–86644–881–0, S. 109–124 Volltext

Kontakt

© Crispin-Iven Mokry

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Herr Dr.-Ing. Christian Friedrich

Mitarbeiter der Hauptabteilung CPPS am Fraunhofer IWU Dresden

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