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Wie man mit optimierter Roboterkalibrierung die Genauigkeit steigert

Präzisionsanwendungen, 3D-Druck oder auch Zusammenbau von Miniaturelektronik bringen Roboter an die Grenzen ihrer Genauigkeit. Mechanische Verbesserungen bei Hochpräzisionsrobotern reichen nicht mehr aus - es braucht zusätzlich Optimierung in der Steuerung und der Kalibrierung. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie eine Robotergenauigkeit von weniger als 0,1 Millimeter erreichbar ist.

Roboter: Änderung der Anforderungen

Seit der Einführung von Industrierobotern in den 1950er Jahren, haben sich sowohl Anspruch als auch Umsetzung deutlich verändert. Ursprünglich waren deren Aufgaben stark auf Wiederholung ausgelegt - mit geringen Genauigkeitsanforderungen. Konstruktiver Leichtbau, elektrische Servoantriebstechnik, Getriebebau, Regelungstechnik und auch verbesserte Bahnplanung beeinflussten die Genauigkeit positiv, wodurch heute Bahnabweichung unter 1 Millimeter nicht mehr ungewöhnlich sind.

Manche Anwendungen fordern mittlerweile allerdings eine Bahngenauigkeit unter 0,1 Millimeter, etwa:

  • Laserschweißen und -schneiden,
  • Präzisionslackierung und Tintenstrahltechnologien,
  • 3D-Druck oder
  • Zusammenbau von Miniaturelektronik oder auch Flugzeugen.

Um die Robotergenauigkeit zu erhöhen, wurde lange Zeit bei der Mechanik angesetzt, um sich dem Ideal, dem Konstruktionsmodell, immer weiter anzunähern. Heute stehen vor allem eine höhere Rechenleistung und genauere Messtechnologie im Fokus, um die Steuerung zu verbessern: Die realen Eigenschaften der Mechanik sollen erfasst und das Modell um die Abweichungen vom Ideal erweitert werden. Gerade für die Serienproduktion zahlt es sich aus, auf Roboterkalibrierung und die Kompensationsfunktionen zu fokussieren.

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Genauigkeit der Roboter: Ursachen und Faktoren

Die Erstellung eines zuverlässigen Kompensationsmodells erfordert zunächst eine genaue Identifizierung der dominierenden Faktoren. Je mehr Effekte berücksichtigt werden müssen, desto höher ist der Aufwand für die Kalibrierung und Validierung der Kompensationsfunktionen.

Die wichtigsten Faktoren sind:

  • Geometrie des Roboters
  • Auswirkungen des Getriebes wie Übersetzung, Elastizität, Umkehrspiel, Hysterese oder Getriebereibung
  • Begrenzte Steifigkeit durch Gelenkelastizität und Lagerfehler
  • Servo-Fehler
  • Schwingungen
  • Fehler höherer Ordnung.

Ein komplexes Kompensationsmodell mit vielen Parametern hat den Nachteil, dass es möglicherweise unzuverlässig wird. Jeder zusätzliche Parameter eröffnet eine neue Dimension von Möglichkeiten und Abhängigkeiten. Die Messungen müssen deswegen unabhängige Variationen all dieser Dimensionen enthalten, um den Einfluss jedes Parameters zuverlässig zu identifizieren.

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Nabtesco & KEBA: der genaueste Industrieroboter der Welt

Die Software „KeMotion-Robot-Control“ von KEBA verfügt über Funktionen zur Kalibrierung von Robotern und berücksichtigt nicht nur geometrische Parameter, sondern auch Faktoren wie Getriebeelastizität.

Dank der Kooperation zwischen Nabtesco und KEBA fließen nun auch getriebespezifischen Daten und Charakteristiken in die Robotersteuerung. Als erster Getriebehersteller in der Robotik kooperiert der Zykloidgetriebespezialist Nabtesco mit einem Steuerungshersteller.

Das gemeinsame Ziel : Industrieroboter mit der höchsten am Markt verfügbaren Genauigkeit. Denn auch Getriebeeffekte haben einen starken Einfluss auf die Bahngenauigkeit von Robotern.

Roboter-Kalibrierung mit Software von KEBA

Die Kalibrierung wird durch die Generierung von Roboter-Programmen, die für den Messvorgang benötigt werden, unterstützt.

Die Ergebnisse können in die Roboterkonfiguration importiert werden, wodurch Probleme mit Parameterkonventionen und Umrechnungen vermieden werden. Das Dynamikmodell von KeMotion für serielle und parallele Roboter enthält präzise Reibungsmodelle, die eine hohe Genauigkeit der Bewegung auch bei niedrigen Geschwindigkeiten und bei Bewegungen mit Richtungswechsel ermöglichen.

Die KEBA-Software unterstützt auch die Robotervalidierung. Dafür ist es notwendig, die Ursachen für die Abweichungen zu kennen. Bei Verwendung eines Lasertrackers mit Echtzeitschnittstelle können dynamische Messungen und Genauigkeitsanalysen durchgeführt werden.

Aus der Analyse lassen sich dann weitere Schritte zur Verbesserung ableiten, sei es eine erhöhte Kalibrierung und Kompensation mechanischer Eigenschaften, eine bessere Servoregelung oder auch Hinweise, wo die Mechanik verfeinert werden muss.

Mehr zum Thema Robotergenauigkeit und Roboterkalibrierung erfahren Sie in unserem Whitepaper, das Sie hier runterladen können:

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