HEIDENHAIN-Messgeräte für Industrieroboter

TECHNOLOGIEBERICHTGenauigkeit am Tool Center Point
signifikant steigern

HEIDENHAIN-Messgeräte für Industrieroboter
Schnelligkeit, Kraft und Ausdauer sind die Hauptmerkmale von Industrierobotern. Zu ihren
klassischen Aufgaben gehören damit Anwendungen wie das Schweißen oder das Heben
schwerer Teile in der Fahrzeugmontage. Trotz fortschrittlicher Kalibriermethoden ist die
Positioniergenauigkeit für bestimmte Aufgaben unzureichend. Doch das ändert sich aktuell,
unter anderem dank hochgenauer abtriebsseitiger Messgeräte von HEIDENHAIN und AMO.

Treiber dieser Entwicklung ist vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie. Denn hier müssen sehr große Bauteile mit hoher
Genauigkeit bearbeitet werden. Werkzeugmaschinen würden die dafür geforderten Genauigkeiten zwar spielend erreichen,sind aber entweder, was Einsatzort und Bearbeitungsraum betrifft, zu unflexibel oder als Sondermaschinen extrem teuer.
Ein Roboter dagegen kann selbst an gewaltigen Teilen wie einem Flugzeugrumpf problemlos jede beliebige Stelle erreichen
und dort zum Beispiel Bohrungen setzen und Fräsbearbeitungen durchführen.

Viele Einflussgrößen verderben die Genauigkeit
Für diese Anwendungen muss aber der Tool Center Point, also das Werkzeug am Ende des Roboterarms, mit ausreichender
Genauigkeit positioniert und geführt werden. Und damit stoßen klassische Industrieroboter an ihre Grenzen. Zu viele
Faktoren sorgen für Abweichungen:¢ Um die gewünschte Beweglichkeit zu erreichen, sind Roboter mit serieller Kinematik erforderlich, zum Beispiel

Gelenkarmroboter mit sechs Achsen.
¢ Jede dieser Achsen treibt ein Servomotor über ein Getriebe an. Nulllagenfehler, Umkehrspiel und Gelenkelastizitäten

sind Hauptverursacher von Ungenauigkeiten.
¢ 
Krafteinwirkung und dynamische Effekte während des Bearbeitungsprozesses wirken auf die Steifigkeit derRobotermechanik und gehen zu Lasten der absoluten Positionsgenauigkeit.

2Das mehrfache Anfahren des Tool Center Points auf eine bestimmte Position ist aufgrund von fortschrittlichen
Kalibriermethoden bereits bis auf wenige Hundertstel Millimeter möglich. Je nach Hersteller liegt die Wiederholgenauigkeit
von Gelenkarmrobotern nach ISO 9283 bei ±0,1 mm und besser.
Der Wiederholgenauigkeit gegenüber ist die erreichbare Absolutgenauigkeit innerhalb des Roboterkoordinatensystems
um Faktor 10 schlechter. In der Praxis erreichen heute Gelenkarmroboter – je nach Ausführung, maximaler Reichweite undTraglast – eine absolute Positionsgenauigkeit von ±1 mm. Sie ist unzureichend für die Genauigkeitsanforderungen, die eine
Branche wie die Luftfahrtindustrie stellt. Aber die Roboterhersteller haben reagiert.

Schritt 1: Hochdynamische Motorregelung
Das Motorfeedback der Servomotoren an den Achsen der Roboter übernehmen weiterhin klassische Drehgeber. Dadie Servomotoren eine hohe Regeldynamik erfordern, können hier beispielsweise robuste induktive Drehgeber wie dieBaureihen ECI 1100 und 1300 oder Multiturn-Drehgeber der Baureihen EQI 1100 und 1300 von HEIDENHAIN eingesetzt
werden. Sie bieten eine hohe Regelgüte und Systemgenauigkeit. Außerdem sind sie besonders stark mit Vibrationenbelastbar. Da die Drehgeber über die rein serielle EnDat-Schnittstelle verfügen, können auch stark elektromagnetischbelastete Einsatzbereiche die Qualität und Sicherheit der Datenübertragung nicht beeinträchtigen.

Abbildung 1:
Klassische HEIDENHAIN-Drehgeber für das Motor-Feedback

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Diese induktiven Drehgeber unterstützen den Sicherheitsintegritätslevel SIL 2, Kategorie 3 PL d. Mit Zusatzmaßnahmen
in der Steuerung erreichen sie sogar SIL 3 bzw. Kategorie 4 PL e. Ein zusätzlicher Vorteil ist in diesem Zusammenhang
der mechanische Fehlerausschluss, den HEIDENHAIN gegen das Lösen der Wellen- und Statoranbindung realisiert hat.
Mit diesem Sicherheitspaket können die induktiven Drehgeber auch in Systemen für die Mensch-Roboter-Kollaboration
eingesetzt werden.

Schritt 2: Secondary Encoders für die hochgenaue Positionsmessung
Eine signifikante Verbesserung der absoluten Positionsgenauigkeit erreichen die Roboterhersteller durch den Einsatz
zusätzlicher, hochgenauer Winkelmessgeräte oder Drehgeber an jeder Roboterachse. Diese sogenannten SecondaryEncoders, jeweils montiert nach dem Getriebe, erfassen die tatsächliche Position jedes Robotergelenks. So berücksichtigen
sie auf jeden Fall den Nulllagenfehler und das Umkehrspiel. Außerdem messen sie an jeder Achse des Roboterarms dierückwirkenden Kräfte aus der Bearbeitung. Das führt in Summe zu einer Verbesserung der absoluten Positionsgenauigkeit
am Tool Center Point um 70 Prozent bis 80 Prozent.

Abbildung 2:
Verbesserung der absoluten Positionsgenauigkeit durch den Einsatz von sogenannten
Secondary Encoders an jeder Achse

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Für diese Anwendungen eignen sich modulare Winkelmessgeräte wie das HEIDENHAIN ECA 4000 mit optischerAbtastung, der Drehgeber HEIDENHAIN ECI 4000 mit induktiver Abtastung oder das Winkelmesssystem AMO WMR.
Durch ihren modularen Aufbau mit Teilungstrommel bzw. Teilungsband und separater Abtasteinheit eignen sie sich fürgroße Wellendurchmesser ebenso wie für schwierige Einbausituationen, wie sie in Robotern aufgrund der beengten
Platzverhältnisse anzutreffen sind. Ihre Signalgüte ist deutlich besser als bei den Drehgebern am Servomotor, sodass sie
wesentlich genauere Positionswerte liefern – auch bei hoch dynamischen Bewegungen.

Abbildung 3:
Hochgenaue HEIDENHAIN- und AMO-Messgeräte für die absolute Positionsmessung an Robotern

TECHNOLOGIEBERICHT5ECA 4000

ECI 4000

WMR

Abtastprinzip

absolut, optischabsolut, induktiv

inkremental, induktiv

Innendurchmesser

70 mm bis 512 mm

90 mm / 180 mm

60 mm bis 10 000 mm

Auflösung

29 Bit20 Bitabhängig von der Folge-Elektronik

Systemgenauigkeit±2“±25“ / ±40“

±3“ pro Meter Bogenlänge

Robustheit gegenüber Verschmutzung+++++Montagetoleranzen++++Tabelle 1:
Vergleich der wichtigsten technischen Kennwerte typischer Secondary Encoders

Schritt 3: Genaue Positionsmessung bei verfahrbaren Robotern
Um bei extrem großen oder langen Bauteilen wie einem Flugzeugrumpf oder bei der Herstellung von großen VerbundfaserBauteilen alle Bearbeitungspositionen zu erreichen, können Roboter auf Linearachsen entlang der Bauteile verfahren
werden. Für die hochgenaue Positionierung der Roboter über die Linearantriebe stehen gekapselte HEIDENHAINLängenmessgeräte für Messlängen bis zu 30 m zur Verfügung. Die Positionsmessung mit einem Längenmessgerätkompensiert thermische Fehler und weitere Einflüsse der Vorschubmechanik, die eine herkömmliche Positionsermittlung
anhand der Steigung des Kugelgewindetriebs und der Winkelposition des Motordrehgebers nicht erfassen kann.

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Abbildung 4:
HEIDENHAIN-Längenmessgeräte

Fazit: Hochgenaue Positionsmessung steigert die Genauigkeit am Tool Center Point
Zusätzliche Messgeräte an allen Achsen eines Roboters und die Positionierung des Roboters zum Werkstück überLängenmessgeräte ermöglichen eine Genauigkeit am Tool Center Point, die eine positionsgenaue Bearbeitung undHandhabung von Teilen mit entsprechend ausgestatteten Industrierobotern erlaubt. Winkel- und Längenmessgeräte vonHEIDENHAIN und AMO bieten nicht nur die erforderliche Systemgenauigkeit, sondern auch die notwendige Flexibilität fürden Einbau in die komplexe und kompakte Robotermechanik. Ihre Eignung für sicherheitsgerichtete Anwendungen erlaubt
es zudem, Systeme für die Mensch-Roboter-Kollaboration zu realisieren.

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