Roboterkalibrierung mit optischen Messsystemen

Was ist eine Roboterkalibrierung?

Die Roboterkalibrierung ist ein Mess- und Berechnungsverfahren zur Verbesserung der absoluten Positioniergenauigkeit von Industrierobotern. Dabei werden geometrische und kinematische Abweichungen erfasst und in einem kalibrierten Robotermodell berücksichtigt.

Durch die Kalibrierung stimmt das digitale Robotermodell genauer mit den realen Eigenschaften des Roboters überein. Dies verbessert die Präzision von Fertigungs-, Bearbeitungs-, Montage- und Prüfprozessen.

Warum ist die Kalibrierung von Industrierobotern notwendig?

Auch moderne Industrieroboter weichen im realen Betrieb von ihren Sollwerten ab.

Häufige Ursachen für Genauigkeitsfehler

Ursache	Auswirkung
Fertigungstoleranzen	Abweichungen zwischen Modell und realem Robotersystem
Mechanischer Verschleiß	Veränderung der Achs- und Gelenkgeometrie
Temperaturänderungen	Thermisch bedingte Positionsfehler
Fundament- und Aufstellungsfehler	Verschobene Roboterbasis
Produktionseinflüsse	Langfristige Änderungen des Systemverhaltens

Vorteile der Roboterkalibrierung

Eine Kalibrierung verbessert die Übereinstimmung zwischen virtuellem Robotermodell und realem Industrieroboter.

Nutzen für Unternehmen

Höhere absolute Positioniergenauigkeit
Verbesserte relative Wiederholgenauigkeit
Reduzierung von Prozessschwankungen
Weniger Nacharbeit und Ausschuss
Höhere Prozessstabilität
Präzisere Offline-Programmierung
Schnellere Inbetriebnahme neuer Anlagen
Verbesserte Planbarkeit von Bearbeitungsprozessen

Für welche Anwendungen eignet sich die Roboterkalibrierung?

Besonders relevant ist die Kalibrierung bei Prozessen mit hohen Anforderungen an die Bahn- und Positionsgenauigkeit.

Branche	Typische Anwendung
Metallverarbeitung	Fräsen, Bohren, Entgraten
Automobilindustrie	Montage- und Bearbeitungsprozesse
Luftfahrt	Präzisionsbearbeitung großer Strukturbauteile
Maschinenbau	Automatisierte Fertigung und Montage
Werkzeugbau	Hochgenaue Bearbeitungsaufgaben
Messtechnik	Prüf- und Inspektionsprozesse

Wie erfolgt die Roboterkalibrierung am Fraunhofer IWU?

Die Forschungsgruppe »Umgebungswahrnehmung und Bewegungsadaption« am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU führt die vollständige Kalibrierung von Industrierobotern durch.

Leistungsumfang

Geometrische Modellierung der Roboteranlage
Kinematische Modellierung des Roboters
Automatisierte Generierung optimaler Kalibrierposen
Optische Vermessung des Roboters
Identifikation von Modellabweichungen
Berechnung der Kalibrierparameter
Erstellung eines kalibrierten Robotermodells
Integration des Modells in die Kundenumgebung
Validierung der erreichten Genauigkeit

Eingesetzte Messtechnik

Für die Roboterkalibrierung werden optische Präzisionsmesssysteme eingesetzt.

System	Funktion
Kalibriertes, tragbares Trackingsystem auf Basis von Stereo Vision	Hochpräzise optische Positionsbestimmung
Mobiler Taststift	Taktile 3D-Messungen an Referenzpunkten
Mobiler Laserlinienscanner	3D-Messung anhand von Punktwolken von Teilbereichen
Analyse- und Modellierungssoftware	Berechnung der Kalibrierparameter und Modellanpassung

Die komplette Messtechnik wird durch das Fraunhofer IWU bereitgestellt.

Ablauf eines Kalibrierprojekts

Kalibrierprojekte werden in der Regel als mehrtägige Kurzprojekte durchgeführt.

Schritt 1: Vermessung beim Kunden vor Ort

Aufbau der Messausrüstung, Befestigen von Messtargets
Aufnahme definierter Roboterpositionen
Erfassung der Bewegungsdaten im Produktionsumfeld über die Messtargets

Schritt 2: Auswertung und Modellanpassung am Fraunhofer IWU

Auswertung der Messdaten
Ermittlung geometrischer Abweichungen der Messtargets
Ermittlung kinematischer Parameter und deren Abweichungen

Schritt 3: Bereitstellung des kalibrierten Robotermodells

Erstellung des korrigierten Robotermodells
Integration in die bestehende Systemumgebung
Validierung der erreichten Genauigkeit

Roboterkalibrierung mit Referenzmarken zur Bestimmung kinematischer Parameter eines Industrieroboters. — Ablauf der Roboterkalibrierung: Bewegliche Roboterkomponenten werden mit Messmarken versehen und zusätzliche Referenzmarken im Arbeitsraum platziert. Aus dem Tracking der Marken in verschiedenen Roboterposen werden die kinematischen Parameter berechnet.

Ergebnis der Roboterkalibrierung

Das wichtigste Ergebnis ist ein kalibriertes Robotermodell, das die tatsächlichen geometrischen und kinematischen Eigenschaften des Roboters genauer beschreibt als die werkseitige Standardparametrierung. Dadurch können Bewegungen präziser geplant, Fertigungsprozesse zuverlässiger ausgeführt und virtuelle Programmierungen besser auf reale Produktionsbedingungen übertragen werden.

Kalibrierter Roboter vs. Werkseinstellung

Merkmal	Werkseinstellung	Kalibriertes Modell
Abbildung realer Robotereigenschaften	Standardisiert	Individuell vermessen
Absolute Genauigkeit	werksseitig optimiert für die reine Roboterkinematik	optimiert für das Gesamtsystemverhalten inkl. Peripherie
Offline-Programmierung	Höhere Abweichungen möglich	Höhere Übereinstimmung mit realem Verhalten

FAQ zur Roboterkalibrierung

Welche Roboter können kalibriert werden?

Grundsätzlich können Industrieroboter kalibriert werden, deren Positions- oder Bahnbewegungsgenauigkeit für Fertigungs-, Montage-, Bearbeitungs- oder Prüfaufgaben verbessert werden soll.

Muss die Produktion während der Kalibrierung stillstehen?

Der Einfluss auf den Produktionsbetrieb hängt vom jeweiligen Projekt ab und wird vor Beginn der Vermessung abgestimmt.

Welche Daten liefert die Kalibrierung?

Die Kalibrierung liefert Parameter zur Beschreibung geometrischer und kinematischer Abweichungen sowie ein kalibriertes Robotermodell für die weitere Nutzung im Engineering und Betrieb.

Warum ist ein kalibriertes Robotermodell wichtig?

Ein kalibriertes Robotermodell reduziert die Differenz zwischen virtueller Planung und realer Roboterbewegung und verbessert dadurch die Prozesssicherheit.