Industrieroboter bearbeiten heute aufgrund ihres Gewichtes auch sehr große Bauteile. Doch für bestimmte Aufgaben ist ihre Positioniergenauigkeit noch nicht ausreichend. Mit hochgenauen Winkelmesssystemen lässt sich die Schwäche des Tool Center Points jetzt beheben.

Das Schweißen und Heben schwerer Teile ist eine der Hauptaufgaben für Roboter. In der Fahrzeugindustrie sorgen sie beispielsweise dafür, dass Karosserie-Elemente 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, da Werkzeugmaschinen hierfür nicht flexibel genug oder als Sondermaschinen zu teuer sind. Roboter erreichen auch an überdimensionalen Objekten wie zum Beispiel Flugzeugrümpfen jede beliebige Stelle, um dort Bohrungen zu setzen oder Fräsarbeiten durchzuführen. Diese Arbeiten müssen sehr genau durchgeführt werden – und genau hierin besteht bei Industrierobotern aktuell noch Handlungsbedarf.
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 Gelenkarmroboter mit mehreren Achsen eingesetzt werden müssen, um alle Bereiche des Objekts bearbeiten zu können. Jede dieser Achsen wird von einem Servomotor angetrieben, 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. Diese 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 Roboter-Mechanik wirken und so zu Bewegungsabweichungen führen können.

Absolute Positioniergenauigkeit um bis zu 80 Prozent erhöhen

Eine deutliche Verbesserung der Positioniergenauigkeit können Roboterhersteller mit hochgenauen Winkelmessgeräten erreichen. Diese werden zusätzlich zum Drehgeber als „Secondary Encoder“ hinter dem Getriebe auf der Achse montiert und erfassen die tatsächliche Position des Robotergelenks. Zudem 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.
Amo aus dem österreichischen St. Peter am Hart ist Spezialist für die Entwicklung und Fertigung von Längen- und Winkelmesssystemen. Die Geräte basieren auf dem selbstentwickelten induktiven Abtastprinzip Amosin, für dessen Herstellung Maßverkörperungen (Teilungen) aus regelmäßigen Strukturen verwendet werden. Als Trägermaterial dient ein Edelstahlband, auf das man die periodische Teilung in einem hochgenauen fotolithographischen Verfahren mit anschließendem Ätzprozess aufträgt. 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 zu jedem Messring kompatibel

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 Amo die Sensoreinheit auf einem flexiblen Substrat in Multi-Layer-Technik herstellt, lässt sie sich an jeden Durchmesser der Messflansche bzw. Messringe anpassen.
Für die induktive Abtastung der Teilung werden die Primärspulen im Abtastkopf mit einem hochfrequenten 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.

Inkrementell vs. Absolut

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 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 vollkommen aus.
Der Trend im Bereich der Schnittstellen geht allerdings eindeutig in Richtung absoluter Messverfahren mit rein seriellen Schnittstellen. Warum? Die Position der Achse ist bei diesen Messgeräten direkt nach dem Einschalten verfügbar. Eine zeitintensive Referenzfahrt, wie sie inkrementelle Messsysteme benötigen, entfällt. Von Vorteil ist diese Eigenschaft zum Beispiel nach Stromausfällen, wenn sich das Werkzeug noch im Eingriff befindet. Es kann dann umgehend freigefahren werden, so dass sich bei verketteten, langen Transferstraßen viel Zeit und Geld sparen lässt.
Damit das funktioniert, muss das Winkelmessgerät an verschiedene 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 (EnDat.2.2, Fanuc, Mitsubishi, BiSS/C, SSI+1 Vss und Siemens Drive CLiQ).