Absolute präzision – ein Roboterleben lang

Hochgeschwindigkeits-Tracking zählt zu den wichtigsten Anforderungen für Roboterbzw. Maschinensteuerung und messtechnisch unterstützte Montagevorgänge. Roboterkalibrierung, Genauigkeitssteigerung von Bohrmaschinen oder die Automatisierung der Tragflächenmontage sind nur einige Beispiele für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Leica Laser Trackern in der Maschinensteuerung.

“Die Absolute Accuracy Kalibrierung beim Kunden führen wir am liebsten mit der Leica Total Station durch”, sagt Peter Fixell, Produktmanager für Roboterkalibrierung bei ABB. “Die Total Station misst eine Position mit einer Genauigkeit von 0,2 bis 0,3 mm pro Meter in wenigen Sekunden.”  ABB Robotics zählt zu den führenden Herstellern von Industrierobotern. Das Unternehmen hat eine branchenweit einzigartige Lösung zur Kalibrierung seiner Roboter entwickelt. Dabei kommen Laser Tracker Systeme von Leica Geosystems zum Einsatz, um während des Kalibriervorganges präzise Bewegungen sicherzustellen. ABB mit Sitz im schwedischen Västerås spielt eine Vorreiterrolle, was den Einsatz von laserbasierter Messtechnik zur Gewährleistung absoluter Roboterpräzision betrifft.

 Mit weltweit 125’000 verkauften Robotern ist ABB das grösste Industrieautomationsunternehmen überhaupt. Produkte von Leica Geosystems wurden in eine innovative Kalibrierlösung integriert, welche die exakte Positionierung der Roboter während ihres gesamten Lebenszyklus’ ermöglicht. Durch die als 'Absolute Accuracy' bezeichnete Kalibriermethode von ABB wird ein Standardroboter zum Präzisionsroboter. Dabei werden Fehler, die beim normalen Einsatz durch Überbeanspruchung, Kinematik und Dynamik entstehen, softwaregesteuert korrigiert.

“Ein wirklich guter Industrieroboter bewahrt seine Genauigkeit während seines gesamten Lebenszyklus’ – einschließlich Montage am Einsatzort, Motorwechsel, Umgruppierung von Spannvorrichtungen und ähnlichen Vorgängen, die innerhalb eines Roboterlebens vorkommen können”, erklärt Peter Fixell, der zuständige Produktmanager für Kalibrierung und Qualitätssicherung bei ABB in Västerås. “Die Genauigkeitsdifferenz zwischen dem virtuellen 'perfekten Roboter' und dem realen Roboter beträgt üblicherweise ca. 8 bis 15 mm. Diese Differenz ist auf mechanische Toleranzen und Belastung zurückzuführen. Durch Absolute Accuracy gelingt es uns, die Abweichung zwischen Modell und Realität auf durchschnittlich 0,5 mm zu reduzieren”, so Peter Fixell weiter.

ABB verfügt über zwei angrenzende Arbeitszellen zur Kalibrierung von Robotern. Beide sind 10 x 10 m groß. Der Leica Laser Tracker wurde zwischen den beiden Zellen positioniert. Der Bediener steuert die Messphase über einen PC-Arbeitsplatz, der vollen Ausblick auf beide Zellen bietet. Während der Bediener in einer Zelle einen Roboter misst, können seine Kollegen in der anderen Zelle einen Roboter aufbauen oder zerlegen. Nach der Messung und Kalibrierung wird jeder Roboter verpackt und für den Transport zum Kunden fertig gemacht.

Ein Traum wird wahr

Die Absolute Accuracy Methode von ABB beseitigt die Unterschiede zwischen der Präzision des virtuellen Roboters im CAD-System und der Arbeit des realen Roboters im Werk. Zu diesem Zweck wird der Roboter zu 100 Koordinatenpunkten innerhalb des Arbeitsbereichs bewegt. Dabei ermittelt der Leica Laser Tracker die tatsächlichen Positionen. Durch den Abgleich von Soll- und Istposition kann ABB nun Kompensationsparameter berechnen, welche die Positionierung und damit die Bewegungen des Roboters korrigieren. Diese Parameter berücksichtigen sowohl die mechanischen Mängel im Bewegungsablauf als auch die durch die Last hervorgerufene Biegung oder Verformung nach unten. Unternehmen, die einen Roboter mit Absolute Accuracy Kalibrierung anschaffen, entscheiden sich damit für maximale Präzision. Für alle Vorgänge - von der Kalibrierung und Verifizierung über die Installation und den Betrieb bis hin zur Wartung des Roboters – wird eine einzige Werkzeugkonfiguration verwendet. Bei ABB und beim Kunden werden dieselbe CalibWare Software, dasselbe Kalibrierpendel und dieselben Betriebssystemalgorithmen (siehe unten) eingesetzt. Damit ist das Risiko von Kompatibilitätsproblemen gleich Null. “Für Unternehmen, die einen Roboter nutzen, bedeutet das über viele Jahre hinweg konstant hohe Präzision”, erläutert Peter Fixell. “Der Kunde kann problemlos neue Simulationsprogramme herunterladen, die der Roboter dann ohne weitere Korrekturen ausführt.”

In Västerås und beim Kunden

Im Mittelpunkt der Arbeit von ABB steht der Wunsch, seinen Kunden zu perfekt kalibrierten Robotern zu verhelfen, ohne dabei wesentliche Produktionsunterbrechungen zu verursachen. Deshalb bieten Peter Fixell und sein Team ihren Kunden die Absolute Accuracy Kalibrierung auch vor Ort an.

“Kunden, die in Roboter ohne Absolute Accuracy investiert haben, sollen nicht das Gefühl bekommen, eine Fehlentscheidung getroffen zu haben”, argumentiert Fixell. “Mit unserer Ausrüstung können wir Roboter auch beim Kunden vor Ort perfekt kalibrieren.” “Dazu benötigen wir nur ein Messsystem, das X-, Y- und Z-Koordinaten liefert, die sich in unsere CalibWare Software importieren lassen. Für Messungen beim Kunden nutzen wir die Leica Total Station TDA5005. Sie ist mobiler als der Laser Tracker LTD500, den wir bei ABB verwenden.”

Mit der Total Station in der einen und dem Stativ in der anderen Hand kann sich der Ingenieur von ABB innerhalb der Produktionsstätte des Kunden völlig frei bewegen. Die batteriebetriebene Total Station bietet maximale Flexibilität und ist binnen weniger Minuten voll einsatzbereit. Eine Positionsmessung bei einer Genauigkeit von 0,2 bis 0,3 mm benötigt nur 3 bis 5 Sekunden.
Unabhängig davon, ob die Messung bei ABB mit dem Leica Laser Tracker oder beim Kunden mit einer Leica Total Station erfolgt, werden die kompatiblen Messdaten in die ABB CalibWare exportiert, ein Add-On zur RobotStudio Entwicklungs- und Simulationsumgebung. 

Auf diese Art kann die Roboterzelle simuliert und angezeigt werden. Auch die 100 Kalibrierkoordinaten im Arbeitsbereich des Roboters werden so generiert. Die individuellen Kompensations-parameter für jeden Roboter werden auf Basis dieser Koordinaten berechnet und in das Betriebssystem des Roboters integriert. Außerdem wird die Roboterperformance anhand von 50 neuen Positionen weiter verifiziert, mit deren Hilfe die Positions-genauigkeit des Roboterwerkzeugs festgelegt wird. Nach Abschluss dieses Vorgangs wird eine Zertifizierungsbescheinigung ausgestellt.

CalibWare gewährleistet gleiche Bedingungen bei ABB und im Produktionsumfeld des Kunden. Das Add-On erstellt eine Checkliste einfacher Kalibrieranweisungen und ein Genauigkeitsmenü, welches die vom Kunden durchzuführenden Wartungsarbeiten mit dem festgelegten Genauigkeitsgrad verknüpft.  Leica Laser Tracker können eine Bewegung mit 6 m pro Sekunde bei einer Beschleunigung von 2 G verfolgen und 1.000 Punkte pro Sekunde messen. Ihre Genauigkeit von ca. 0,01 mm pro Meter eignet sich optimal für die Aufgabe von ABB, absolute Positionsgenauigkeit zu gewährleisten – ein Roboterleben lang. ABB nutzt eine Leica Total Station zur Kalibrierung von Robotern vor Ort beim Kunden. Die Total Station ist äusserst mobil und bei Temperaturen von -20 bis +50°C einsetzbar. Sie wird auf einem Stativ aufgestellt und ist binnen weniger Minuten betriebsbereit.

Absolute Accuracy ist ein Verfahren, mit dem gewährleistet werden kann, dass ein Roboter seine Genauigkeit während seines gesamten Lebenszyklus’ behält. Diese Methode überbrückt die Kluft, die zwischen der Präzision des virtuellen Roboters im CAD-System und der Arbeit des realen Roboters im Werk besteht. Mit Hilfe der Messgeräte von Leica Geosystems werden Kompensationsparameter errechnet, welche die Positionierung und Bewegung des Roboters korrigieren. Diese Parameter berücksichtigen sowohl die mechanischen Mängel im Bewegungsablauf als auch die durch die Last hervorgerufene Biegung nach unten.

Für ein Unternehmen, das einen Roboter mit Absolute Accuracy Kalibrierung anschafft, bedeutet das maximale Präzision. ABB bietet aber auch die Möglichkeit, einen bereits im Einsatz befindlichen Roboter nach der Absolute Accuracy Methode zu kalibrieren. Für alle Vorgänge – von der Kalibrierung und Verifizierung bei ABB in Västerås über die Installation und den Betrieb bis hin zur Wartung des Roboters – wird eine einzige Werkzeugkonfiguration verwendet. Bei ABB und beim Kunden werden dieselbe CalibWare Software, dasselbe Kalibrierpendel und dieselben Betriebssystemalgorithmen eingesetzt. Damit ist das Risiko von Kompatibilitätsproblemen gleich Null.

Leica Geosystems bei ABB

Bereits seit Mitte der 1990er Jahre verwendet ABB laserbasierte Messsysteme von Leica Geosystems. Neben dem Leica Laser Tracker LTD500 und der Leica Total Station TDA5005, die zur Absolute Accuracy Kalibrierung dient, verfügt die Robotik-Division von ABB auch noch über zwei Standard-ISOVerifikationstests. Auch in der Forschung setzt ABB an mehreren Standorten das Topmodell aus der Leica Laser Tracker Familie, den LTD800, ein.

ABB – Weltweit führender Hersteller von Industrierobotern

Weltweit sind in der Industrie rund 125.000 ABB-Roboter im Einsatz – insbesondere in der Automobilbranche und deren Zulieferindustrie. Alle großen Automobilhersteller gehören zu den Kunden von ABB. Schweißen, Maschinenbedienung, Werkstoffhandling, Verpackung und Montage sind die gängigsten Einsatzbereiche. Etwa 90% der Produkte werden außerhalb Schwedens verkauft.