Werkzeugkalibrierung So beschleunigen Sie die Inbetriebnahme von Industrierobotern mit 6 Freiheitsgraden

Redakteur: Ute Drescher

Industrieroboter mit 6 Freiheitsgraden übernehmen viele Aufgaben, oft mit unterschiedlichen Werkzeugen. Je schneller und präziser die Werkzeuge kalibriert werden, desto kürzer die Inbetriebnahme.

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Um Roboter mit 6 Freiheitsgraden zu kalibrieren hat Servotronix eine einfache Methode entwickelt.
Um Roboter mit 6 Freiheitsgraden zu kalibrieren hat Servotronix eine einfache Methode entwickelt.
(Bild: Servotronix)

Roboter mit 6 Freiheitsgraden können inzwischen so komplexe Bewegungen ausführen, dass sie sich selbst für schwierige Aufgaben wie Palettieren, Handhaben, Kleben und Schweißen eignen. Aufgrund ihrer Fähigkeiten und Flexibilität werden sie für viele Aufgaben mit zahlreichen, unterschiedlichen Werkzeugen eingesetzt. Um diese Fähigkeiten jedoch optimal ausschöpfen zu können, müssen die Roboter bei jedem Werkzeugwechsel präzise neu kalibriert werden. Dabei ist die Neukalibrierung oft äußerst zeitaufwendig und ungenau, sodass Industrieprozesse nicht reibungslos durchgeführt werden können und es zu Verzögerungen in der Produktion kommt.

Servotronix hat eine effektive, auf Anlernpositionen basierende Methode entwickelt, mit der sich neue Werkzeuge für Roboter mit 6 Freiheitsgraden im Handumdrehen kalibrieren lassen, ohne auf die Maßangaben vom Hersteller oder externe Sensoren vertrauen zu müssen.

Kalibrierung vereinfachen

Roboter mit 6 Freiheitsgraden können auf unterschiedliche Weise kalibriert werden. Dies kann u. a. durch das Abtasten von Referenzteilen, anhand von Abstandssensoren oder per Laserinterferometrie erfolgen, nur um einige Beispiele zu nennen. Des Weiteren können an diversen Stellen am Roboter externe Sensoren wie Kamerasysteme angebracht werden, um die exakte Position eines Referenzobjekts zu bestimmen, von der aus der Roboter kalibriert werden kann.

All diese Methoden sind jedoch sehr zeitaufwendig und komplex. Servotronix hat eine wesentlich einfachere Methode entwickelt.

Werkzeugarbeitspunkt bestimmen

Um den Werkzeugarbeitspunkts (Tool Center Point, TCP) zu bestimmen, auf den sich alle Roboterpositionen beziehen, werden kinematische Kalibrierungsmethoden verwendet. Der TCP wird relativ zum Weltkoordinatensystem festgelegt, dem kartesischen Koordinatensystem für jeden Punkt in der Welt, das im Bezug zum Roboter stets stationär ist.

Über das Werkzeugkoordinatensystem wird die Position und Lage des Werkzeugs definiert, wobei die Nullposition am TCP liegt. Der TCP des Roboters verschiebt sich an programmierte Positionen, während er innerhalb des kartesischen Koordinatensystems verfährt. Wenn das Werkzeug gewechselt wird, ändert sich auch das Werkzeugkoordinatensystem und es wird eine Neukalibrierung erforderlich, damit der neue TCP so präzise wie möglich ist.

In vielen Roboteranwendungen sind die Bewegungsbahnen des TCP im Arbeitsraum des Roboters äußerst komplex. In der Regel sind dies gerade Bahnen mit einer Lageänderung des Werkzeugs durch den Roboter. Das Werkzeug selbst muss entweder gelegentlich oder häufig gewechselt werden. Bei jedem Werkzeugwechsel müssen neue geometrische Parameter bestimmt und zugewiesen werden, bevor der Betrieb fortgesetzt werden kann.

In den meisten Industrieanwendungen werden die Roboteraufgaben mit Anlernpositionen definiert. Für diese Methode sind präzise Werkzeugparameter (in der Regel vom Hersteller) erforderlich. Für das Generieren von geraden Bahnen mit einer geregelten Lage des Werkzeugs müssen die Winkelabweichungen (Gierwinkel, Längsneigung, Querneigung) sowie die kartesischen Abweichungen bekannt sein.

Leider wird nur allzu oft vom Bediener erwartet, die Werkzeuggeometrie zu bestimmen, wobei folgende Einschränkungen auftreten können:

  • Keine vordefinierten Werkzeugabmessungen vom Hersteller verfügbar;
  • Keine Hardwareunterstützung;
  • Keine Informationen zur Werkzeugmontage am Roboterflansch.

Wo diese Einschränkungen vorliegen, muss der Bediener bei jedem Werkzeugwechsel zeitaufwendige Kalibrierungsmaßnahmen durchführen.

Präzise schätzen

Servotronix hat eine Methode für die schnelle und präzise Schätzung der Werkzeuggeometrie entwickelt, ohne dass dafür externe Sensoren, optische Systeme oder sonstige Hilfsmittel erforderlich sind und ohne dass das Werkzeug demontiert werden muss. Bei dieser auf Anlernpositionen basierenden Methode bewegt der Bediener den TCP des Roboters mit 6 Freiheitsgraden einfach an diverse Positionen/in diverse Lagen, die automatisch in die Algorithmen von Servotronix zur Schätzung der Werkzeugabmessungen gespeist werden. Die Algorithmen können das neue Werkzeug im Handumdrehen kalibrieren und es somit sofort einsatzbereit machen.

Diese Kalibriermethode ist umso genauer, je mehr Werkzeugpositionen/-lagen in die Algorithmen gespeist werden. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer inversen homogenen Matrix zwar nicht zwingend zum gewünschten Ergebnis führt, aber Kleinste-Quadrate-Schätzungen durchaus Werte liefern, mit denen eine präzise Kalibrierung ermöglicht wird.

Bei den Versuchen haben wir einen Roboter mit 6 Freiheitsgraden und montiertem Werkzeug verwendet, der von sechs hochleistungsfähigen Servoantrieben der Baureihe CDHD und dem Motion-Controller Soft-MC von Servotronix angetrieben wird. Zum Einsatz kommen analytische Berechnungen, sodass eine Demontage des Werkzeugs nicht erforderlich ist. Es werden ausschließlich die xyz-Abmessungen geschätzt, und für die Werkzeugspitze wird angenommen, dass sie sich an einer konstanten kartesischen Position befindet.

Es ist eine Grundvoraussetzung, dass alle Roboterkonfigurationen, die auf dieselbe Position verweisen, auf einer Kugel liegen, wobei die Werkzeugspitze den Mittelpunkt der Kugel darstellt.

Die Berechnung des Werkzeugarbeitspunkts (TCP) wird durch das Messen von Punkten ermöglicht, die auf der Kugel liegen.

(Bild: Servotronix)

Wobei „t“ für den Mittelpunkt steht

(1) R2 = (X - Xt)2 + (Y - Yt)2 + (Z – Zt)2

In Gleichung (1) gibt es vier unbekannte Parameter (R, Xt, Yt, Zt). Die Werte X, Y und Z werden über direkte Kinematiken berechnet. Für eine ausreichende Genauigkeit erfordert unsere Methode mindestens vier Punkte, mit denen eine Kugel definiert wird. Im Folgenden sind vier derartige Konfigurationen aufgeführt:

R2 = (X1 - Xt)2 + (Y1 - Yt)2 + (Z1 – Zt)2

R2 = (X2 - Xt)2 + (Y2 - Yt)2 + (Z2 – Zt)2

R2 = (X3 - Xt)2 + (Y3 - Yt)2 + (Z3 – Zt)2

R2 = (X4 - Xt)2 + (Y4 - Yt)2 + (Z4 – Zt)2

Durch die Subtraktion beseitigen wir nicht nur die Variable „R“, sondern auch alle nicht linearen Komponenten in den Gleichungen. Somit bleiben eine Reihe von polynomialen Gleichungen 1. Grades, die per linearer Regression gelöst werden können. Wenn mehr als vier Punkte verwendet werden, führt dies zu mehr Gleichungen und somit zu einer höheren Genauigkeit.

Die schrittweise Durchführung der Methode nimmt nur wenige Minuten in Anspruch und erfordert vier Messungen nach der folgenden Vorgehensweise:

(Bild: Servotronix)

Zeit und Aufwand sparen

Die Servotronix-Methode ist schnell, präzise, kostengünstig und ermöglicht die Werkzeugkalibrierung ohne Demontage des Werkzeugs. Die Methode kann ganz einfach ohne spezifische Hardware durchgeführt werden und spart bei jedem Werkzeugwechsel Zeit und Aufwand. Maschinenhersteller können die Methode ganz einfach implementieren und so von der schnellen, präzisen und nahezu kostenfreien Neukalibrierung von Robotern mit 6 Freiheitsgraden profitieren. Dies gewährleistet einen reibungslosen Betrieb und eine beschleunigte Produktion in einer breiten Palette von Anwendungen. (ud)

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