Entwicklung und Implementierung eines Verfahrens zur statischen, kartesischen Kalibrierung von Robotern unter Verwendung gemessener räumlicher Abweichungen

Diplomarbeit von Frank Seidel

Einleitung:

Trotz der weiten Verbreitung von Computern und Rechnersystemen werden Roboter heute immer noch sehr häufig mittels Online-Programmierung programmiert. Dabei fährt der Benutzer den TCP (Tool Center Point, im Allgemeinen bei einem Greifer der Punkt, an dem dieser ein Werkstück greift) mit Hilfe des zum Roboter gehörenden Handbediengerätes zu allen für das Programm relevanten Punkten und übernimmt an diesen Punkten die sechsdimensionale Positionsangabe. Durch dieses Vorgehen wird die sehr hohe Wiederholgenauigkeit von modernen Industrierobotern genutzt. Diese Eigenschaft kennzeichnet die Fähigkeit von Industrierobotern, bekannte Punkte mit hoher Genauigkeit anzufahren.

Nachteile dieser Methode sind: Da der Roboter während der Programmierung benötigt wird, ergibt sich ein Produktionsstillstand und damit werden Kosten verursacht. Diese sind umso höher, zumal jede relevante Position geteacht werden muss und so der zeitliche Rahmen sehr umfangreich wird. Wenn sehr präzise Programmabläufe gefordert sind, können die Programme nicht auf Roboter des gleichen Typs übertragen werden, so dass für jeden Roboter die zeit- und kostenintensiven Teachphasen anfallen. Dem heutigen Stand der Technik wesentlich eher entsprechend ist der Ansatz der Offline-Programmierung des Roboters. Der gesamte Arbeitsablauf des Roboters wird an einem Rechner geplant. Dabei wird mit Hilfe eines Simulationsprogramms die Arbeitszelle des Roboters mit allen relevanten Gegenständen und Werkstücken modelliert. In der Simulation werden die Programme für den Arbeitsablauf erstellt. Wenn diese Erstellung abgeschlossen ist, werden die Programme und alle anderen nötigen Daten an den Roboter übertragen. Dadurch verringert sich die Zeit, in der die Produktion gestoppt werden muss.

Neben dem Vorteil der Kostenersparnis ergibt sich auch eine bessere Bedienbarkeit und ein höherer Komfort bei der Programmierung, da verschiedene im Simulationssystem integrierte Werkzeuge benutzt werden können, um die Programmierung zu erleichtern. Allerdings hat dieses Verfahren auch Nachteile: Da nun der Roboter nicht mehr mit Hilfe des Handbediengerätes an die relevanten Positionen gefahren wird, spielt die entscheidende Rolle für die Anwendbarkeit des erstellten Programms nicht mehr die Wiederholgenauigkeit des Roboters, sondern die absolute Positioniergenauigkeit. Damit wird die Genauigkeit bezeichnet, mit der der Roboter eine Position im Raum, die nicht vorher geteacht wurde, anfahren kann. Die absolute Positioniergenauigkeit ist für typische Industrieroboter nach [Ghaz 96] um den Faktor 10 bis 70 schlechter als die Wiederholgenauigkeit.

Damit sind prinzipiell die mittels Offline-Programmierung erstellten Programme so ungenau, dass die Aufgaben nicht direkt durchgeführt werden können, sondern die Positionen erst noch „nachgeteacht“ werden müssen. Mögliche Aufgaben wie Lackieren, Polieren, Entgraten, Schleifen oder Bahnschweißen erfordern sehr hohe Genauigkeiten. Die Wiederholgenauigkeit eines typischen Roboters ist für solche Aufgaben sehr wohl ausreichend. Die größeren Abweichungen beim Einsatz der Offline-Programmierung sind hingegen im Allgemeinen nicht akzeptabel. Der mögliche Ausweg, die Positionen „nachzuteachen“, ist nur in wenigen Anwendungen eine Lösung, da bei den meisten Anwendungen sehr viele Positionen bei derartigen Aufgaben angefahren werden müssen. Der Aufwand des „Nachteachens“ ist bei solchen Anwendungen mit vielen Positionen zu hoch, zumal der Roboter dafür benötigt wird, so dass dieser dann auch nicht mehr für die laufende Produktion benutzt werden kann. Bei den angesprochenen Aufgaben ist eine große Präzision erforderlich, die Abweichungen von den idealen Positionen sollten deutlich unter einem halben Millimeter liegen. Die Anzahl der Positionen, die bei einer solchen Anwendung relevant werden, liegt weit über tausend. Diese große Anzahl von Positionen veranschaulicht, dass für das Offline-Programmieren ein sehr hoher Zeitaufwand nötig wird. Daher wäre es wünschenswert, ein System zur Verfügung zu haben, mit dessen Hilfe es gelingt, mit möglichst wenigen geteachten Positionen eine so deutliche Erhöhung der Genauigkeit des verwendeten Roboters zu erzielen, dass die offline erstellten Programme ohne weitere Änderungen sofort verwendbar sind. Daraus resultiert neben einer Komforterhöhung auch eine Kosteneinsparung, denn der Roboter wird zum einen nur für einen wesentlich kürzeren Zeitraum unmittelbar zur Programmierung benötigt und zum anderen kann das verwendete Simulationssystem mittels spezieller Werkzeuge die Programmierung unterstützen und effizienter machen.

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