Robotersysteme im Maschinenbau müssen Bewegungen präzise ausführen, Sensorinformationen verarbeiten und zuverlässig mit Antrieben, I/O-Modulen und übergeordneten Steuerungen kommunizieren. Kommen Machine Vision oder KI-Inference hinzu, steigen zusätzlich die Anforderungen an Rechenleistung, Schnittstellen und Software.
Eine leistungsfähige Rechnerplattform allein ergibt jedoch noch keine industrietaugliche Robotersteuerung. Entscheidend ist das Zusammenspiel der Robotikkomponenten: Robot Controller, Motion Control, Echtzeitkommunikation, Sensorik und funktionale Sicherheit müssen zur Kinematik und zum Prozess passen.
Welche Robotikkomponenten werden benötigt?
Die Steuerungsarchitektur hängt vom Robotertyp und von der Anwendung ab. Ein kartesischer Roboter in einer Handhabungsmaschine stellt andere Anforderungen als ein Delta-Roboter für schnelle Pick-and-Place-Prozesse oder ein sechsachsiger Roboter mit kamerabasierter Objekterkennung.
Ein industrielles Robotersystem kann folgende Komponenten umfassen:
- Robot Controller für Kinematik und Bahnplanung
- Motion Controller für die koordinierte Ansteuerung der Achsen
- Servo Drives und Motoren
- EtherCAT Master oder eine andere Echtzeitkommunikation
- digitale, analoge und sichere I/O-Module
- Kameras und weitere Sensorik
- Safety Controller und sichere Kommunikation
- Bediengerät oder Teach Pendant
- Industrie-PC oder Embedded Computer für Machine Vision und KI-Inference
Mehrere Funktionen können auf einer gemeinsamen Rechnerplattform zusammengeführt werden. Ob das sinnvoll ist, hängt von den Echtzeit-, Safety- und Leistungsanforderungen ab. Zeitkritische Bewegungsabläufe müssen auch dann reproduzierbar ausgeführt werden, wenn parallel Bilddaten verarbeitet oder Bedien- und Kommunikationsaufgaben ausgeführt werden.
Kartesischer Roboter
In Handhabungsmaschinen mit linearen Achsen bestimmen Positioniergenauigkeit und die Synchronisation mehrerer Linearachsen die Wahl von Motion Controller und Antriebstechnik.
Delta-Roboter
Für schnelle Pick-and-Place-Prozesse sind kurze Zykluszeiten und eine präzise, hochfrequente Bahnplanung entscheidend.
Sechsachsiger Roboter mit Kamera
Kommt eine kamerabasierte Objekterkennung hinzu, müssen Rechenleistung für Machine Vision und die Echtzeitsteuerung der Achsen gemeinsam ausgelegt werden.
Robot Control und Motion Control erfüllen unterschiedliche Aufgaben
Die Robotersteuerung berechnet die Bewegung des Roboters auf Grundlage seiner Kinematik. Sie verarbeitet beispielsweise Zielpositionen und erstellt daraus eine Bahn. Die Motion-Control-Ebene setzt diese Vorgaben in koordinierte Sollwerte für die einzelnen Achsen um.
Vor der Auswahl eines Controllers sollten Maschinenbauer deshalb klären:
- Welche Roboterkinematik muss unterstützt werden?
- Wie viele Roboter- und Maschinenachsen sind zu synchronisieren?
- Welche Zykluszeit wird benötigt?
- Welche Anforderungen bestehen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit?
- Welche Servo Drives und Motoren werden eingesetzt?
- Müssen Fördertechnik, Drehtische oder weitere Maschinenachsen eingebunden werden?
Mit kürzeren Zykluszeiten steigen die Anforderungen an das Echtzeitverhalten. Ein KI-Modell kann ein Werkstück erkennen oder eine Zielposition bestimmen. Die präzise und zeitlich koordinierte Ausführung der Bewegung bleibt Aufgabe des Robot Controllers, des Motion Controllers und der Antriebstechnik.
EtherCAT für synchronisierte Bewegungsabläufe
EtherCAT verbindet den Controller mit Servo Drives, I/O-Modulen und weiteren Feldgeräten. Das Protokoll eignet sich besonders für Anwendungen, in denen mehrere Achsen mit kurzen Kommunikationszyklen synchronisiert werden müssen.
Die Angabe „EtherCAT unterstützt" reicht für die Auswahl einer Steuerungsplattform nicht aus. Wichtige Prüfpunkte sind:
- Funktion und Leistungsfähigkeit des EtherCAT Masters
- erreichbare Kommunikationszykluszeit
- Unterstützung verteilter Uhren
- unterstützte Geräteprofile und EtherCAT-Dienste
- Kompatibilität mit den vorgesehenen Servo Drives
- Werkzeuge für Konfiguration und Diagnose
- Verhalten unter vollständiger Achs- und I/O-Last
Das Geräteprofil CiA 402 erleichtert die standardisierte Einbindung kompatibler Antriebe. Trotzdem muss die konkrete Kombination aus Controller, EtherCAT Master, Servo Drive und Motor geprüft werden.
Beispiel: EtherCAT-Leistungsdaten einer PC-basierten Steuerungsplattform
| Kennwert | Wert | Bedeutung für die Anwendung |
|---|---|---|
| Zykluszeit | bis zu 250 µs | hochfrequente Synchronisation mehrerer Achsen |
| Jitter | < 30 µs | hohe Wiederholgenauigkeit bei der Bahnplanung |
| Slaves pro Master | bis zu 64 | Einbindung umfangreicher Achs- und I/O-Konfigurationen |
| Master-Instanzen | bis zu 8 | parallele Steuerung mehrerer Roboterzellen |
Beispielwerte am NexECM-EtherCAT-Master (NEXCOBOT); Werte hängen von der konkreten Hardware- und Achskonfiguration ab.
Wann ein Robot Controller mit GPU sinnvoll ist
Machine Vision und KI-Inference erweitern Robotersysteme um datenintensive Funktionen. Typische Aufgaben sind Objekterkennung, Lagebestimmung, Qualitätsprüfung und die Verarbeitung von 2D- oder 3D-Sensordaten.
Ein GPU-basierter Robot Controller kann diese Berechnungen direkt an der Maschine ausführen. Das ist insbesondere relevant, wenn Bilddaten nicht zunächst an ein separates Rechensystem übertragen werden sollen oder kurze Reaktionszeiten erforderlich sind.
Für die Dimensionierung sind folgende Angaben wichtig:
- Anzahl, Schnittstellen und Auflösung der Kameras
- erforderliche Bildrate
- verwendetes KI-Modell
- benötigte Inference-Leistung
- CPU-, GPU- und Arbeitsspeicherbedarf
- Netzwerk-, USB- und Erweiterungsschnittstellen
- Leistungsaufnahme und thermische Bedingungen
- Betriebssystem und benötigte Softwareumgebung
GPU-Leistung und Echtzeitsteuerung sind dabei getrennt zu bewerten. Eine hohe Inference-Leistung sagt noch nichts über die erreichbare EtherCAT-Zykluszeit oder das deterministische Verhalten der Motion-Control-Anwendung aus.
Funktionale Sicherheit gehört in die Systemplanung
Das Safety-Konzept sollte bereits bei der Auswahl der Steuerungs- und Antriebskomponenten berücksichtigt werden. Die benötigten Sicherheitsfunktionen ergeben sich aus der Risikobeurteilung der Maschine.
Je nach Anwendung können beispielsweise sicher begrenzte Geschwindigkeit, sicher begrenzte Position oder sicheres Drehmoment-Aus erforderlich sein. Daraus entstehen konkrete Anforderungen an Safety Controller, sichere I/O, Antriebe und Kommunikationswege.
Maschinenbauer sollten prüfen:
- Welche Sicherheitsfunktionen unterstützen Controller und Antriebe?
- Welche Safety-Protokolle werden benötigt?
- Welche Zertifikate und Herstellerunterlagen liegen vor?
- Wie werden sichere Sensoren und I/O-Module integriert?
- Wie sind Standardsteuerung und Safety-Funktionen voneinander getrennt?
KI-basierte Erkennung kann zusätzliche Informationen für den Prozess liefern. Sie ersetzt jedoch keine sicherheitsgerichtete Funktion und keinen erforderlichen Sicherheitsnachweis.
Robotikkomponenten im IPC2U-Portfolio
Das Robotik-Portfolio von IPC2U umfasst PC-basierte Steuerungs- und Rechenplattformen für industrielle Robotik und Motion Control.
Die Kategorie Intel x86 Motion Controller richtet sich an Anwendungen, bei denen Mehrachssynchronisation, Echtzeitkommunikation und weitere Maschinenfunktionen auf einer offenen x86-Plattform zusammengeführt werden sollen.
Für Robotersysteme mit Machine Vision oder KI-Inference bietet IPC2U NVIDIA Jetson Robot Controller an. Diese Systeme kombinieren ARM-basierte CPU-Rechenleistung mit einer integrierten NVIDIA GPU und industriellen Schnittstellen.
| Plattform | Rechenbasis | Kernfunktion | Am besten geeignet für |
|---|---|---|---|
| Intel x86 Motion Controller | Intel Core / Atom (x86) | EtherCAT Master, Mehrachs-Synchronisation, Motion Control | kartesische Roboter, Mehrachsmaschinen, Fördertechnik |
| NVIDIA Jetson Robot Controller | NVIDIA Jetson (ARM + integrierte GPU) | Machine Vision, KI-Inference, EtherCAT | sechsachsige Roboter mit Kamera, AMR, Pick-and-Place mit Objekterkennung |
| MARS400-A10-04-C | NVIDIA Jetson AGX Orin, 64 GB LPDDR5 | KI-Inference + EtherCAT Master (NexECM) | High-End-Robotik mit hohen Vision- und KI-Anforderungen |
Ein Beispiel ist der NexCOBOT MARS400-A10-04-C. Der Robot Controller basiert auf NVIDIA Jetson AGX Orin mit 64 GB LPDDR5. Zur Anbindung von Netzwerken, Kameras, Sensoren und Erweiterungen stehen unter anderem fünf Gigabit-Ethernet-Schnittstellen, vier USB-3.2-Ports, vier serielle Schnittstellen, GPIO sowie M.2-Steckplätze zur Verfügung.
Für EtherCAT-basierte Steuerungen stellt NexCOBOT mit NexECM einen EtherCAT Master und mit NexRTOS eine echtzeitoptimierte Linux-Umgebung bereit. Der IPC2U-Produktüberblick zu NexECM und NexRTOS beschreibt die Verbindung von Echtzeitkommunikation und PC-basierter Robotiksteuerung.
Welcher Controller geeignet ist, lässt sich nicht allein anhand von CPU-, GPU- oder TOPS-Angaben entscheiden. Kinematik, Achsanzahl, Zykluszeit, Antriebe, Sensorik, Software und Safety müssen gemeinsam betrachtet werden.
Robotikkomponenten von IPC2U im Überblick
- NexCOBOT MARS400-A10-04-C – NVIDIA Jetson AGX Orin, 64 GB LPDDR5, 5 × Gigabit Ethernet, EtherCAT Master (NexECM)
- NEXCOM ECM-M400-A10-04-C-1T-X – NVIDIA Jetson AGX Orin, 1 TB NVMe-SSD, EtherCAT Master und NexRTOS werkseitig vorinstalliert
Checkliste für die Auswahl von Robotikkomponenten
Für eine erste technische Bewertung sollten folgende Projektdaten vorliegen:
- Robotertyp und Kinematik
- Anzahl der Roboter- und Maschinenachsen
- geforderte Zykluszeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit
- eingesetzte Motoren und Servo Drives
- benötigte Feldbusse und Geräteprofile
- Anzahl und Art der I/O-Signale
- Kameras und weitere Sensorik
- Anforderungen an Machine Vision oder KI-Inference
- benötigte Sicherheitsfunktionen und Safety-Protokolle
- Umgebungsbedingungen, Einbauraum und Spannungsversorgung
- Betriebssystem und vorhandene Software
- Projektphase, geplante Stückzahl und Serientermin
Diese Angaben ermöglichen es, die Auswahl geeigneter Robot Controller, Motion-Control-Plattformen und ergänzender Robotikkomponenten einzugrenzen.
Robotikkomponenten mit IPC2U auswählen
IPC2U unterstützt Maschinenbauer, OEMs und Systemintegratoren bei der Auswahl von Robot Controllern, EtherCAT-Master-Plattformen und industriellen Rechnern für Robotikanwendungen. Die technische Bewertung erfolgt anhand der konkreten Kinematik, Zykluszeit, Antriebe, Schnittstellen sowie der Machine-Vision-, KI- und Safety-Anforderungen.
Sie planen ein Robotikprojekt? Übermitteln Sie IPC2U die wichtigsten technischen Eckdaten. Ein IPC2U-Ansprechpartner prüft die Anforderungen und unterstützt Sie bei der Auswahl einer geeigneten Komponentenarchitektur.
