Winkelmessgeräte für Roboterwerkzeuge

Auf den Punkt gebracht

Industrieroboter können mittlerweile auch sehr große Bauteile bearbeiten. Für bestimmte Aufgaben reicht ihre Positioniergenauigkeit allerdings noch nicht aus. Mit hochgenauen Winkelmesssystemen lässt sich diese Schwäche beheben.

Industrie-Roboter müssen Werkstücke hochpräzise bearbeiten können (Bild: ©Denis Starostin/ Fotolia.com)

Das Schweißen und Heben schwerer Teile gehört für Roboter zum Alltag. In der Fahrzeugindustrie sorgen sie z.B. dafür, dass Karosserieelemente zum richtigen Zeitpunkt an der Stelle des Fließbandes liegen, an der sie für die Weiterverarbeitung benötigt werden. Auch für die Bearbeitung großer Bauteile werden Industrieroboter eingesetzt, denn Werkzeugmaschinen sind hierfür nicht flexibel genug oder als Sondermaschinen zu teuer. Die Roboter können dagegen selbst an überdimensionalen Objekten wie z.B. Flugzeugrümpfen jede beliebige Stelle erreichen, um dort Bohrungen zu setzen oder Fräsarbeiten durchzuführen. Diese Arbeiten müssen aber sehr genau durchgeführt werden, und daran hapert es bei Industrierobotern zurzeit noch.

Zu den Aufgaben von Industrierobotern in der PKW-Fertigung gehört unter anderem das Schweißen. (Bild: ©chiradech/Fotolia.com)

Nulllagenfehler sind oft die Ursache

Das Problem ist die mangelnde Positioniergenauigkeit des Tool Center Points, also des Werkzeugs des Roboters. Sie entsteht vor allem deshalb, weil für die Arbeit an großen Werkstücken Gelenk-armroboter mit mehreren Achsen eingesetzt werden müssen, um alle Bereiche des Objekts bearbeiten zu können. Jede dieser Achsen wird von einem Servomotor angetrieben und ein Drehgeber liefert die Position der Achse, um die Bewegungen entsprechend anpassen zu können. Oft zeigen diese Geber aber eine Winkelposition an, die nicht mit der tatsächlichen Lage der Roboterachse übereinstimmt. Die sogenannten Nulllagenfehler sowie Umkehrspiel und Gelenkelastizitäten sind die Hauptverursacher von Positionierungenauigkeiten. Hinzu kommen die Krafteinwirkung und dynamische Effekte während des Bearbeitungsprozesses, die auf die Steifigkeit der Robotermechanik wirken und so zu Bewegungsabweichungen führen können.

Für eine qualitativ hochwertige Bearbeitung muss der sogenannte Tool Center Point des Roboters exakt ausgerichtet werden. (Bild: Dr. Johannes Heidenhain GmbH)

Winkelmessgeräte erhöhen die Genauigkeit

Eine Verbesserung der Positioniergenauigkeit können Roboterhersteller mit dem Einsatz hochgenauer Winkelmessgeräte erreichen. Sie werden zusätzlich zum Drehgeber als Secondary Encoder hinter dem Getriebe auf der Achse montiert und erfassen die tatsächliche Position des Robotergelenks. Darüber hinaus messen die Winkelmessgeräte an jeder Achse des Roboterarms die Kräfte, die durch den Bearbeitungsvorgang am Werkstück auf den Roboter zurückwirken. Insgesamt lässt sich die absolute Positioniergenauigkeit am Tool Center Point so um 70 bis 80 Prozent steigern.

Abtastprinzip für hohe Präzision

Eine Genauigkeitssteigerung in dieser Größenordnung ist allerdings nur mit dem Einsatz hochgenauer Winkelmessgeräte möglich. Amo ist Spezialist für die Entwicklung und Fertigung solcher Geräte. Das Unternehmen produziert seine Längen- und Winkelmesssysteme auf Basis seines selbstentwickelten induktiven Abtastprinzips Amosin, für dessen Herstellung Maßverkörperungen (Teilungen) aus regelmäßigen Strukturen verwendet werden. Als Trägermaterial dient ein Edelstahlband, auf das die periodische Teilung in einem hochgenauen fotolithographischen Verfahren mit anschließendem Ätzprozess aufgetragen wird. Durch einen speziellen Herstellungsprozess wird die Maßverkörperung zu einem geschlossenen Messring geformt, der entweder auf einem Teilungsträger als Winkelmessflansch oder als dünnwandiger Messring ausgeliefert wird.

Sensoreinheit kompatibel zu jedem Messring

Die induktiven Winkelmessgeräte von Amo zeichnen sich durch die besondere Gestaltung der Sensoreinheit aus, die im Abtastkopf verbaut ist. Sie ist als planare Spulenstruktur angelegt, die aus mehreren in Messrichtung aneinandergereihten Spuleneinheiten besteht, die sich aus übereinander angeordneten Primär- und Sekundärspulen zusammensetzen. Da die Sensoreinheit auf einem flexiblen Substrat in Multi-Layer-Technik hergestellt wird, lässt sie sich an jeden Durchmesser der Messflansche bzw. Messringe anpassen.

Hohe Signalgüte

Für die induktive Abtastung der Teilung werden die Primärspulen im Abtastkopf mit einem hoch-frequenten Wechselfeld erregt. Durch die relative Bewegung zwischen Sensoreinheit und Maßverkörperung entstehen zwei um 90° phasenverschobene hysteresefreie Signale. Da Amo mehrere Spulenelemente auf der Sensoreinheit anordnet, können mehrere Teilungsperioden gleichzeitig abgetastet werden. In Kombination mit der hochgenauen Maßverkörperung erzielen die Winkelmessgeräte deshalb eine hohe Signalgüte mit Abweichungen von weniger als 0,1 Prozent von der idealen Sinusform. Amo fertigt seine Winkelmessgeräte in einer inkrementellen und einer absoluten Ausführung. Die inkrementellen Systeme gewinnen die Positionsinformationen durch Zählen der einzelnen Inkremente der periodischen Teilung. Um die Position ermitteln zu können, ist allerdings ein absoluter Referenzwert erforderlich, zu dem die ausgezählten Inkremente in Bezug gesetzt werden. Deshalb verfügt die Maßverkörperung der inkrementellen Winkelmessgeräte über eine zusätzliche Spur, die mit einer Referenzmarke ausgestattet ist. Die absolute Position des Maßstabes, die durch diese Marke festgelegt ist, ist genau einem Messschritt zugeordnet. Ob ein inkrementelles Messgerät ausreichend ist, bestimmt die jeweilige Anwendung. Wenn keine Information über die absolute Position erforderlich ist oder sie sich leicht bestimmen lässt, reicht dieses Messverfahren aus.

Verbreitung absoluter Messgeräte

Der Trend im Bereich der Schnittstellen geht allerdings eindeutig in Richtung absoluter Messverfahren mit rein seriellen Schnittstellen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Position der Achse ist bei diesen Messgeräten direkt nach dem Einschalten verfügbar. Eine zeitraubende Referenzfahrt, wie sie inkrementelle Messsysteme benötigen, entfällt. Besonders praktisch ist diese Eigenschaft z.B. nach Stromausfällen, wenn sich das Werkzeug noch im Eingriff befindet. Es kann dann umgehend freigefahren werden, sodass sich bei verketteten, langen Transferstraßen sehr viel Zeitaufwand und damit Geld sparen lässt. Damit das funktioniert, muss das Winkelmessgerät an die verschiedenen Steuerungstypen angeschlossen werden können. Da diese mit unterschiedlichen Schnittstellen ausgestattet sind, sollte das Messgerät diese möglichst umfangreich unterstützen. Amo fertigt seine absoluten Winkelmessgeräte deshalb mit den gängigsten Interfaces wie EnDat.2.2, Fanuc, Mitsubishi, BiSS/C, SSI+1 Vss und Siemens Drive CLiQ.