Hexapod-MOBIMA – Arbeitsausrüstungen mit parallelkinematischen Strukturen für mobile Arbeitsmaschinen - Dresden

Das ForMaT-Vorhaben

Das Projekt „Arbeitsausrüstungen mit parallelkinematischen Strukturen für Mobile Arbeitsmaschinen – Hexapod-MOBIMA“ entwickelt Parallelmechanismen für mobile Arbeitsmaschinen und ergründet deren technische und wirtschaftliche Verwertungsmöglichkeiten in der Zielbranche der mobilen Arbeitsmaschinen (MOBIMA). Unter „mobilen Arbeitsmaschinen“ werden im Gegensatz zu stationären Arbeitsmaschinen selbstfahrende und passiv fahrende Maschinen verstanden, die sich u.a. in Bau-, Land-, Kommunal-, Förder- und Spezialmaschinen unterteilen lassen. Grundsätzlich dienen mobile Arbeitsmaschinen der Verrichtung von Arbeiten wie z.B. dem Graben, Heben, Greifen, Verladen, Fällen. Die mobilen Arbeitsmaschinen besitzen immer eine der zu verrichtenden Arbeit angepasste Arbeitsausrüstung. Die effiziente Gestaltung dieser Arbeitsausrüstung durch Parallelmechanismen steht im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten der ForMaT-Initiative.

Ein Parallelmechanismus in Form des Hexapods ist ein räumliches Getriebe mit sechs Aktoren (z.B. Hydraulikzylindern). Es verbindet einen Endeffektor mit einer Basisplattform und erlaubt aufgrund seiner topologischen Eigenschaften sowie Regelbarkeit ein besonderes Bewegungs- und Übertragungsverhalten. Dabei spielen die maximal erzielbaren sechs Freiheitsgrade (drei translatorische und drei rotatorische) eine besondere Rolle. Diese werden durch die gezielte parallele Anordnung der Aktoren erreicht. Der Parallelmechanismus unterscheidet sich dadurch deutlich von den üblichen seriellen Mechanismen solcher Maschinen, die nur zwei Freiheitsgrade aufweisen.

Durch den Parallelmechanismus ergeben sich neue und innovative Eigenschaften von mobilen Arbeitsmaschinen:

  • mehr Bewegungen in sechs Freiheitsgraden mit neuen Prozessfunktionen und höherem Automatisierungspotenzial
  • hohe Steifigkeit in der kinematischen Struktur (bei Zug- und Druckkräften)
  • hohe Prozesskräfte und -geschwindigkeiten bei kompakten und leichten Strukturen
  • modulare Gestaltungsfreiheit
  • Energieeffizienz durch Leichtbau
Es wird momentan weltweit an Parallelmechanismen für die Fertigungstechnik geforscht. Eine Übertragung auf mobile Arbeitsmaschinen ist bisher jedoch noch nicht möglich, weil es große Unterschiede in den kinematischen Strukturen und damit in der Rückwirkung auf Gelenkkräfte, Gelenkspiele sowie Positioniergenauigkeiten gibt.

Der bereits entwickelte und getestete Hexapod-Mechanismus, der von der ForMaT-Initiative nun auf mobile Arbeitsgeräte übertragen werden soll, soll diese Probleme lösen. Bis dahin muss zwar noch viel erforscht werden, aber Tests des Hexapod-Mechanismus an der Geräteschnittstelle zwischen Ackerschleppern und Anbaugeräten haben gezeigt, dass die beabsichtigten Innovationen ohne Grundlagenforschung bei Sensoren und Steuerungen erreicht werden können. Lediglich die mathematische Lösung zur Steuerung von parallelen Mechanismen in Form direkter oder inverser Koordinatentransformation muss im ForMaT-Projekt entwickelt werden.

Die Ziele

In der Phase II des ForMaT-Projekts werden die Erkenntnisse, die bisher im Bereich der Landmaschinen gesammelt wurden, für den Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen umgesetzt und weiterentwickelt sowie an die speziellen Rahmenbedingungen angepasst.

Anhand des Beispiels eines handelsüblichen Radladers werden die Möglichkeiten, die parallelkinematische Strukturen bieten, aufgezeigt und bewertet. Hierzu werden der Aufbau des Vorderwagens, insbesondere der topologische Aufbau des Werkzeugmanipulators und des Endeffektors, neu konzipiert.

Das Projekt orientiert sich bei der technologischen Auslegung des Gesamtsystems an den Markterfordernissen, die von potenziellen Herstellern und Endanwendern gestellt werden. Hier kann das Projektteam auf mehrere Marktuntersuchungen der Phase I zurückgreifen. Für die Phase II werden in ähnlicher Form fortlaufend die Kundenwünsche dokumentiert und die entwickelte Technologie in realen Arbeitsumgebungen getestet und optimiert.

Darüber hinaus wirkt das Projekt als Inkubator für weitere Projekte auf dem Themengebiet der parallelkinematischen Strukturen, die weitere Anwendungsgebiete marktorientiert untersuchen, wie z.B. die Federung von Fahrerkabinen. Hierzu untersucht das Projektteam die Möglichkeit der Umsetzung durch ein technologisches und wirtschaftliches Potentialscreening um den Gedanken der marktorientierten Forschung an Forschungsinstituten weiter auszubauen.

Die thematischen Schwerpunkte

Die  thematischen Schwerpunkte, die sich aus der Aufgabenstellung ergeben, werden in einem Innovationslabor umgesetzt, welches sich interdisziplinär aus Forschern verschiedener Fachbereiche des Maschinenbaus und der Wirtschaftswissenschaft zusammensetzt. Zu diesem Zweck arbeiten unterschiedliche Institute der Technischen Universität Dresden bei diesem Projekt zusammen. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, die unterschiedlichen Erfahrungen in das Projekt einfließen zu lassen und verschiedene Sichtweisen auf das Gesamtprojekt zu erhalten.


Folgende Schwerpunkte werden dabei unterschieden:

  1. Konstruktive Auslegung
    Das Forscherteam befasst sich mit der konstruktiven Auslegung des Vorderwagens Hierzu sind umfangreiche CAD-Untersuchungen notwendig, die die Dimensionierung der Einzelkomponenten aufzeigen sowie die auftretenden Kräfte darstellen. Die Arbeiten dienen als Grundlage für zu fertigende Bauteile.
  2. Steuerung und Regelung
    Die Steuerung und Regelung der einzelnen Zylinder stellt eine besondere Herausforderung für das Projekt dar, da diese Zylinder endanwenderfreundlich über einen einzelnen Joystick bedient werden soll. Hierzu gibt es Ansätze und Überlegungen zur Umsetzung, die in der Phase II genauer untersucht, bewertet und umgesetzt werden müssen.
  3. Hydraulik
    Hydraulikkomponenten spielen in dem System der parallelkinematischen Strukturen eine zentrale Rolle. In einem komplexen System von sechs voneinander abhängigen Hydraulikzylindern werden besondere Anforderungen an diese gestellt. So müssen sie z.B. über ein integriertes Wegmesssystem genau positionierbar sein. Derartige Zylinder stellen zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht den Stand der Technik dar, sodass auf diesem Gebiet weitere Forschungsarbeit notwendig ist.
  4. Wirtschaftliche Untersuchung
    Forschergruppenübergreifend bearbeitet ein Wirtschaftswissenschaftler als Projektunterstützung betriebswirtschaftliche Aspekte des Forschungsprojektes. Dies umfasst die Variantenbetrachtung der möglichen Bauarten, die Etablierung relevanter Verwertungsstrategien, die Entwicklung einer Patent- und Schutzrechtsstrategie und die Untersuchungen zur Markttauglichkeit. Ebenso ist der Wirtschaftswissenschaftler zuständig für das Projektcontrolling und er bietet Hilfestellungen beim Projektmanagement.

Die Partner

Die folgenden Partner unterstützten uns bei der Beantragung des Projektes und stehen dem Projekt mit ihrem Know-how und ihren Erfahrungen zur Seite:

Forschungspartner:
  • Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der TU Dresden
  • Lehrstuhl für Entrepreneurship und Innovation der TU Dresden
Beratende Industriepartner:
  • Wacker Neuson SE , München
  • Weidemann GmbH, Diemelsee-Flechtdorf
  • Kramer-Allrad GmbH, Pfullendorf
  • Pneumatik/Hydraulik GmbH, Dippoldiswalde
  • Günter Papenburg AG BT HBM-NOBAS, Nordhausen

Kontakt

Prof. Dr. Günter Kunze
Technische Universität Dresden
Institut für Verarbeitungsmaschinen und mobile Arbeitsmaschinen
Münchner Platz 3
01069 Dresden
Tel.: 0351 46 33 35 11
E-Mail: guenter.kunze[at]tu-dresden.de
Internet: www.baumaschine.de/hexapod/index.html