Kinematische Kalibrierung von Industrierobotern Buchkatalog

Dem kostengünstigen Einsatz von Industrierobotern in der automatischen Fertigung und in der Qualitätssicherung stehen folgende Schwierigkeiten entgegen: 1. 1. Obwohl die Technik des Offline-Programmierens weit fortgeschritten ist, werden derzeit etwa 95% aller Industrieroboter im manuellen Teach-In-Verfahren programmiert. Der Grund hierfür liegt vor allem in der mangelhaften Positioniergenauigkeit heutiger Industrieroboter. Daher muss deren absolute Positioniergenauigkeit verbessert werden. 2. 2. Trotz der hohen Wiederholgenauigkeiten heutiger Industrieroboter, weisen diese durch Temperatureinflüsse ein instationäres Betriebsverhalten auf. Für den Einsatz von Industrierobotern als Messroboter in der Qualitätssicherung ist es notwendig die relative Wiederholgenauigkeit unabhängig von Temperatureinflüssen über lange Zeit konstant zu halten. Auf der Basis des mechanischen Aufbaus eines Industrieroboters wird ein parametrisiertes, mathematisches Modell aufgestellt. Es berücksichtigt geometrische Abweichungen wie Längenabweichungen, Nullagenfehler und Achsenschiefstände. Nicht geometrischen Effekte werden durch lineare Gelenkelastizitäten ausreichend genau modelliert. Für die Berechnung der nötigen statischen Drehmomente wurde ein schneller Algorithmus entwickelt. Kern der 6-dimensionalen Kalibrierung des Roboters ist, neben der Erfassung von 6D-Messwerten, die Bildung eines Zielfunktionals, das zur Identifikation der Modellparameter minimiert wird. Damit neben Positionierungs- auch Orientierungsfehler berücksichtigt werden, wird ein Residuenoperator eingeführt. Es wird gezeigt, dass es ausreichend ist die Bilder der Basisvektoren unter dieser Abbildung zu untersuchen, um eine geeignetes Maß für die Posefehler zu gewinnen. Das identifizierte Robotermodell stellt die Grundlage für die Kompensation der kartesischen Fehler dar. Da eine geschlossene Form der parametrisierten, inversen Kinematik nicht existiert, wird eine Approximation 1. Ordnung hergeleitet. Diese schnelle Approximation der inversen Kinematik wurde vollständig in die reale Robotersteuerung integriert und ermöglicht eine Fehlerkompensation aller Zwischen- und Endpunkte der Robotertrajektorie in Echtzeit. In praktischen Versuchen wird die Tauglichkeit der Parameterschätzung und der Fehlerkompensation unter Beweis gestellt. Es werden Messwerte präsentiert, die zeigen, dass die erreichten Positioniergenauigkeiten im gesamten Arbeitsraum des Roboters, unabhängig von der Nutzlast, deutlich unter einem Millimeter liegen. Durch thermische Verformungen der Roboterstruktur weist der TCP eines Roboters bereits im Normalbetrieb eine Temperaturdrift von einigen Zehntel Millimetern auf. Zur Erfassung und Kompensation der Temperaturdrift wurde das Verfahren der Driftkalibrierung entwickelt. Der Roboter misst mit einem Sensor nach dem "Auge-in-Hand"-Prinzip Punkte auf einer Kalibrierkugel. Temperaturbedingte Verformungen des Roboters lassen sich in Form einer Drift der Messwerte nachweisen und durch eine Identifikation der Modellparameter bestimmen. Wird die Driftkalibrierung an der Kalibrierkugel zyklisch durchgeführt erhält man zusammen mit der in der Robotersteuerung integrierten Fehlerkompensation einen Regelkreis, der dem instationären Betriebsverhalten des Roboters weitgehend entgegenwirkt. In Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass die Wiederholgenauigkeit eines Roboters dadurch unabhängig von der Temperatur auf ca. 0.04 mm gehalten werden kann. Durch dieses Verfahren konnten erstmals Industrieroboter als Messsystemträger für die fortlaufende Erfassung von Qualitätsmerkmalen direkt in einer Fertigungslinie eingesetzt werden. Die Industrietauglichkeit des Verfahrens wurde erwiesen, indem in einem praktischen Feldversuch 21.000 Kalibrierungen über einem Zeitraum von sieben Monaten bei einem Automobilhersteller durchgeführt wurden.