Roboterkinematik Roboterkinematik erlaubt genauere Roboterprozesse dank Präzisionskalibrierung

Autor / Redakteur: Ulrich Schneider und Alexander Kuss / Mag. Victoria Sonnenberg

Bei der roboterbasierten Zerspanung oder bei genauen optischen Prüfprozessen ermöglicht eine Roboterkinematik, dass der Roboterendeffektor mit einer exakten Orientierung verschiedene Positionen an Werkstücken erreichen kann.

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Entwickelter Endeffektor bei der Kalibrierung des Sensors.
Entwickelter Endeffektor bei der Kalibrierung des Sensors.
(Bild: Fraunhofer-IPA)

Hohe Flexibilität und geringe Investitionskosten – das sind die häufigsten Gründe für einen Robotereinsatz in der Produktion. Neben typischen Handhabungsprozessen werden Industrieroboter auch vermehrt für Fertigungs- und Prüfaufgaben eingesetzt, bei denen der große Arbeitsraum und die vielfältigen Orientierungsmöglichkeiten der Roboterkinematik vorteilhaft sind.

Die Genauigkeit dieser Prozesse hängt jedoch maßgeblich davon ab, wie die Werkzeuge und Sensoren bezüglich des Roboters kalibriert sind. Um ein Werkzeug gezielt auf einer Bahn im Raum zu führen oder um Sensordaten im 3D-Arbeitsraum des Roboters zu interpretieren, muss deshalb die relative Lage von Werkzeug und Sensor zum Roboter mit hoher Präzision bekannt sein. Die Kalibrierung von Roboterwerkzeugen wird heute typischerweise mithilfe von spitzen Kegelelementen durchgeführt. Das manuelle Ausrichten der Spitzen erlaubt jedoch lediglich eine Genauigkeit im Bereich von Millimetern. Für die Zerspanung werden daher häufig sehr lange Spitzenelemente verwendet, um durch die Skalierung Winkelabweichungen zu reduzieren. Die für die Zerspanung häufig geforderten Genauigkeiten von kleiner als 0,5 mm werden damit jedoch nicht erreicht.

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Kalibrierung erfolgt ausschließlich über die Messdaten des Sensors

Noch schwieriger ist es, die Positionen von Sensoren am Roboter oder im Arbeitsraum des Roboters zu identifizieren. Das relevante Koordinatensystem liegt innerhalb des Sensors und ist physisch nicht erfassbar, da es in der Regel keine Flächen am Sensor gibt, die zum Koordinatensystem genau bemaßt sind. Eine Kalibrierung kann daher ausschließlich über die Messdaten des Sensors selbst erfolgen.

Wissenschaftler des Fraunhofer-IPA haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem optische Sensoren und robotergeführte Werkzeuge mit hoher Präzision kalibriert werden können. Mit dem Verfahren kann die 6D-Lage des Sensors auf ± 0,15 mm und ± 0,015° genau identifiziert werden. In weniger als einer Stunde werden Messposen des Roboters geteacht (das heißt Posen des Roboters werden definiert und gespeichert), Sensordaten aufgenommen, die Lage des Sensors bestimmt und in der Robotersteuerung hinterlegt. Herkömmliche Verfahren erfordern ein manuelles Ausrichten des Sensors zur Kalibrierung. Dadurch entstehen bereits zu Beginn der Kalibrierung Fehler, die sich weiter fortpflanzen. Das Verfahren des Fraunhofer-IPA kommt durch geometrische Betrachtungen und numerische Optimierungsalgorithmen ohne Anfangsbedingungen aus und funktioniert garantiert für jede Lage des Sensors am Roboter und für jede Lage des Kalibrierkörpers im Roboterarbeitsraum. Besonders bei Positionierfehlern von Industrierobotern von größer als ± 0,2 mm kann die erzielte Genauigkeit der Sensorlage hochgenaue Roboterprozesse signifikant verbessern.

Kalibrierkörper ist fest im Arbeitsraum des Roboters platziert

Das entwickelte Verfahren wurde bereits für Linienscanner und 3D-Sensoren in der Anwendung validiert, es lässt sich jedoch ohne Weiteres auf 1D-Sensoren und andere Sensorik anwenden. Zur Kalibrierung des Sensors am Roboterflansch wird der Kalibrierkörper fest im Arbeitsraum des Roboters platziert. Befestigt man den Kalibrierkörper aber am Roboterendeffektor, beispielsweise in der Einspannung eines Zerspanungswerkzeugs, so kann damit die Lage des Werkzeugs am Flansch vermessen werden. Der Kalibrierkörper wird dafür über einen zusätzlichen, innerhalb der Roboterzelle fest stehenden Sensor bewegt, um Messdaten aufzunehmen.

Eine Anwendung des entwickelten Kalibrierverfahrens in der Industrie zeigt beispielhaft seine Vorteile. Forscher des Fraunhofer-IPA haben zusammen mit einem Unternehmen aus der Energiebranche ein System zum roboterbasierten Entgraten von Turbinenteilen entwickelt. Das System hat mehrere Vorzüge: Es senkt die Kosten, verbessert die Arbeitsergonomie und Fertigungsqualität und macht den Prozess sicherer.

Darüber hinaus muss es allerdings hohe Qualitätsanforderungen bezüglich der resultierenden Kantengeometrie nach der Entgratung erfüllen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, stellt die präzise Kalibrierung des Entgratwerkzeugs sowie beteiligter Sensoren eine Schlüsseltechnologie dar. Als Ergebnis konnte mittels der verwendeten Sensorik die Lage der Welle mit einer Genauigkeit von 0,1 mm bestimmt und das Bearbeitungsprogramm des Roboters entsprechend angepasst werden. Durch die genaue Kalibrierung des robotergeführten Entgratwerkzeugs wird der Entgratprozess optimiert und eine hohe Qualität des Entgratergebnisses sichergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass auch große Roboter, wie beispielsweise die eingesetzte Maschine mit über 3 m Reichweite, sehr genau arbeiten können, vorausgesetzt, Sensor und Roboterwerkzeug sind präzise kalibriert. Dies macht die beschriebene Lösung möglich.

Roboter als ernsthafte Alternative zu Werkzeugmaschinen

Das am Fraunhofer-IPA entwickelte Verfahren zur präzisen Kalibrierung von robotergeführten Werkzeugen und optischen Sensoren kann die Lage dieser Komponenten bezüglich des Roboters genau bestimmen. Dies macht den Robotereinsatz auch für Prozesse mit hohen Genauigkeitsanforderungen, wie beispielsweise das Zerspanen oder optische Prüfprozesse, möglich. Da der verwendete spezielle Kalibrierkörper frei im Arbeitsraum des Roboters positionierbar ist, ist er auch in bestehende Anlagen integrierbar und steigert deren Genauigkeit. Dabei werden keine zusätzlichen Messgeräte benötigt, sodass eine kostengünstige und zeitsparende Kalibrierung erreicht wird. Insgesamt können Roboterprozesse so wesentlich genauer durchgeführt werden. Damit werden Roboter zum Beispiel in der Zerspanung mehr und mehr zu einer ernsthaften Alternative zu den traditionell eingesetzten Werkzeugmaschinen. MM

* Dipl.-Ing. Ulrich Schneider und Dipl.-Ing. Alexander Kuss sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in 70569 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70 12 76, Ulrich.Schneider@ipa.fhg.de

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