Anwenderberichte

Präzision per Laserstrahl

Präzision per Laserstrahl

Präzision per Laserstrahl

Die Positionier- und Wiederholgenauigkeit genießt bei Robotern heute höchste Priorität – und das nicht nur bei der eminent wichtigen Zielgruppe Automobilindustrie. Die Augsburger KUKA Roboter GmbH, ein weltweit führender Anbieter von Industrierobotern, hat für die Vermessung der Roboter diverse Messstationen aufgebaut, in denen zwei Laser Tracker von FARO eine wichtige Rolle spielen.

Die Positionsvermessung der Roboter sowie die Validierung der Positionsdaten durch optisch messende Laser Tracker – statt durch die vorhandene Koordinatenmessmaschine – vorzunehmen, wurde bei der Augsburger KUKA Roboter GmbH durch ein Projekt aus dem medizinischen Bereich aktuell. „Bei dieser Anwendung sind sehr hohe Anforderungen an die Positionsgenauigkeit gestellt worden. Zum Einsatz kamen Boden- und Deckenroboter. Wir mussten unterschiedliche Lasten bis zu 200 kg berücksichtigen und die geforderte Positioniergenauigkeit von maximal 0,5 mm für beide Roboteraufbauten erreichen. Zur Erfüllung dieser Aufgabe benötigten wir eine präzise messtechnische Lösung, mit der das Ergebnis validiert werden konnte. Unsere Wahl fiel auf den Laser Tracker, den wir bereits seit Jahren für diverse Anwendungen im Auge hatten,“ blickt Dr. Dietmar Tscharnuter, Leiter eines Teams im Mechanik-Bereich, das sich mit Softwareentwicklung in den Bereichen Modellierung und Optimierung befasst, zurück. Zu seinem Aufgabengebiet gehören neben der absoluten Genauigkeit von Industrierobotern auch die Parameteridentifikation und Modellierung, sowie die Lastdatenermittlung und deren Rückkopplung in die Regelungsalgorithmen der Systeme.

Im Zuge des Auswahlprozesses wurde schließlich ein Benchmark bei KUKA durchgeführt. Dabei standen zwar die messtechnischen Möglichkeiten der Laser Tracker im Vordergrund, eine wichtige Rolle spielten jedoch auch weitere Aspekte, wie zum Beispiel die Qualität von Schulungsmaßnahmen, das Verständnis für die Aufgabenstellung sowie die Handhabung der Messeinrichtung. In diesem Rahmen erfolgte eine Komplettvermessung eines Roboters. Damit bewerteten die Augsburger die Fähigkeiten der Messsysteme in der täglichen Praxis unter Ausschluss aller so genannten ‚Fettnäpfchen’, die unter Umständen auftreten könnten. Diese umfassten grundsätzliche Dinge wie die Temperaturkompensation oder die Genauigkeit der Messstative. Die Entscheidung fiel letztendlich für den Laser Tracker von FARO, von dem der Entwicklungsbereich innerhalb von zwei Jahren zwei Systeme anschaffte.

Der FARO Laser Tracker ist eine hochgenaue, portable Koordinaten-Messmaschine (CMM) für Messungen von Objekten in Größenordnungen, die einen Transport nicht zulassen oder die vor Ort gemessen werden müssen bzw. für die der Einsatz einer konventionellen Messmaschine nicht in Frage kommt. Der FARO Tracker bietet den größten Arbeitsbereich in der Industrie – 360 Grad horizontal und 130 Grad vertikal. Er ist vielseitig einsetzbar und spielt seine volle Effektivität sowohl in engen als auch in gut zugänglichen Arbeitsräumen aus. Der Tracker kann nicht nur für vielfältigste Anwendungsfälle eingesetzt werden, sondern auch in den unterschiedlichsten Branchen – beispielsweise in der Aerospace-Industrie genauso wie bei Schienenfahrzeugen. „Interessant ist zudem die Kombinationsmöglichkeit des Laser Trackers mit den Messarmen von FARO, die in verdeckten Bereichen, in denen der Laserstrahl des Trackers das Messobjekt nicht zu erreichen vermag, Messungen erlauben,“ fügt Matthias John, Laser Tracker Account Manager bei Faro Europe und Betreuer von KUKA, hinzu.

Heute werden in der Halle 6 des Augsburger Werks die Positionsmessungen und Validierungen für sämtliche Roboter durchgeführt. In diversen Messstationen werden die jeweiligen Robotertypen mittels eines photogrammetrischen Messsystems grundvermessen. Falls durch spezielle Kundenanforderungen oder die jeweilige Applikationslösung besondere Erwartungen an die Positioniergenauigkeit der Roboter gestellt werden, kommen auch die FARO Laser Tracker zum Einsatz. Jede Messstation ist im Übrigen bereits für den Aufbau der Tracker vorbereitet. Darin werden die Roboter in bestimmte Posen gebracht und die damit verbundenen Positionsdaten optisch vermessen. Anschließend erfolgen die Optimierung der freien Parameter sowie die Rückkopplung der ermittelten Werte in die Steuerungsalgorithmen. Im nächsten Schritt werden in der Qualitätskontrolle weitere Posen angefahren und die damit verbundenen Positionsdaten mit dem Tracker ermittelt. Durch diese Validierung können eventuelle Fehler eines Systems weitgehend ausgeschlossen werden.

Dr. Dietmar Tscharnuter erläutert: „Wir wollen unsere Roboter so genau wie möglich positionieren. Zu berücksichtigen ist dabei, dass Roboter – trotz der Verwendung von nahezu gleichen Komponenten – nach wie vor individuell hergestellt werden. Daher wird jeder Roboter nach Abschluss der Montage- und Aufbauarbeiten vermessen. Aufwändiger wird dieser Vorgang, wenn Kunden besondere Anforderungen an die Genauigkeit stellen, denn dann ist nicht nur die Einhaltung der typspezifischen Angaben zu prüfen, sondern es sind auch Regelalgorithmen zu modifizieren.“ Ein Musterbeispiel hierfür stellt die Glasindustrie dar, deren Anforderungen in die Konzeption des zuletzt vorgestellten Roboters KR 1000 titan eingeflossen sind. In dieser Branche sind mitunter recht schwere Handlingaufgaben mit großer Genauigkeit auszuführen, teilweise von mehreren Robotern gleichzeitig. Das weniger präzise Agieren eines Roboters könnte beim empfindlichen Werkstoff Glas zu großen Problemen führen, so dass die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit des ‚Titanen’ nachhaltig begründet sind. Mittlerweile hat die Automobilindustrie ebenfalls Interesse am KR 1000 gefunden.

Über die Robotervermessung hinaus werden die Tracker auch für weitere Anwendungsfälle genutzt. Diese umfassen Spezialaufgaben wie die Vermessung von Linearachsen, die bis zu 30 m lang sind und konventionell nicht gemessen werden können. Für den FARO Laser Tracker stellt dieser Einsatz aber kein Problem dar, ist er doch in der Lage, über bis zu 70 m Entfernung hinweg präzise zu messen. Die Aufgaben des Entwicklungsbereichs sind im Übrigen in der Zwischenzeit komplett auf die Laser Tracker ausgerichtet worden, wodurch den Augsburgern alle Daten vorliegen, die den Kunden zugesagt werden. Ein Blick zurück auf die bis vor einigen Jahren angewendete ‚klassische’ Ermittlung der Messwerte kommt einem unter diesen Umständen fast wie eine Zeitreise vor, denn damals musste der Roboter vier Punkte anfahren und dabei möglichst eine ‚Spitze auf Spitze Position’ erreichen. Jeweils eine Spitze war im Raum fest montiert, die andere Spitze (TCP) am Roboterflansch. Die Abweichungen zwischen den Spitzen wurden visuell wahrgenommen, was wohl eher als eine subjektive Messmethode betrachtet werden sollte.

Ein wesentlicher Grund für die Ermittlung und regelungstechnische Berücksichtigung der Absolutgenauigkeit der Roboter liegt in der Offline-Programmierung. Die Automobilindustrie ist eine sehr wichtige Zielgruppe, die bereits Ende der 1980er Jahre damit startete, die Roboterprogramme offline zu erstellen. Eine große Herausforderung war in diesem Rahmen, die Offline-Programme positionsgenau auf den Roboter zu bringen. Denn in der Realität standen die Roboter rund 2 bis 3 mm, bei den sogenannten Schwerlastrobotern mit einer Traglast über 360 kg sogar 5 bis 6 mm, neben den vorgegebenen Offline-Positionen, so dass diese ‚nachgeteacht’ werden mussten. Um diesen aufwändigen Vorgang entfallen zu lassen, musste zwangsläufig die Verbesserung der Positionsgenauigkeit der Roboter erreicht werden.

„Durch den Einsatz der FARO Laser Tracker konnten wir die Genauigkeit der Roboter im gesamten Arbeitsbereich von etwa einem Millimeter auf unter 0,7 mm reduzieren – und diesen Wert erzielen die KUKA-Roboter ganz locker. Nicht zuletzt deswegen sind wir sehr zufrieden mit unseren beiden mobilen Messsystemen und können feststellen, dass bei uns im Hause die Einführung der berührungslosen, optischen Lasermesstechnik erfolgreich gestaltet werden konnte,“ fasst Dr. Dietmar Tscharnuter zusammen. Auf dieser Basis überrascht die kürzlich erfolgte Anschaffung von drei weiteren FARO Laser Trackern durch den Produktionsbereich von KUKA Roboter nicht. Dass in diesem Rahmen das Entwicklerteam die Kollegen überzeugend von den Vorteilen der Laser Tracker informierte und darüber hinaus bei der Einführung der Systeme tatkräftig unterstützte ist sicherlich mehr als nur ein Gerücht …

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