Getriebespezifische Daten in die Robotersteuerung integrieren

Die Zykloidgetriebe von Nabtesco gehören zu den leistungsstärksten Getrieben auf dem Markt. Insbesondere aus der Robotik ist die präzise und verdrehsteife Technik nicht mehr wegzudenken: In sechs von zehn Industrierobotern stecken Lösungen aus dem Hause Nabtesco. Um den steigenden Kundenanforderungen optimal gerecht zu werden, entwickeln die Präzisionsspezialisten ihre Technologien und Produkte kontinuierlich weiter

„In der Vergangenheit haben wir uns dabei ausschließlich auf das Getriebe konzentriert und mit großem Aufwand und teuren Fertigungsverfahren die Mechanik optimiert“, erzählt Daniel Obladen, Head of Sales General Industries bei Nabtesco Precision Europe. „Doch das System Roboter besteht natürlich nicht nur aus dem Getriebe. Auch die anderen Komponenten wie Steuerung und Robotermechanik beziehungsweise deren Zusammenspiel tragen zur Präzision bei.“ Dabei nimmt das Steuerungssystem eine Schlüsselrolle ein, denn bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen müssen Abweichungen vom Idealverhalten kompensiert werden. Im Falle der Getriebe blicken Steuerungshersteller jedoch auf eine Blackbox.

Mit den im Datenblatt vermerkten Informationen sind letztendlich nur Pauschalwerte zugänglich. Was empirische Daten oder gar exemplarspezifische Parameter betrifft, hüllen sich Getriebelieferanten weitestgehend in Schweigen. Das geht zulasten der Genauigkeit des Roboters. Auch die mathematischen Algorithmen der Steuerungshersteller können unter diesen Umständen nur als Näherungsformeln betrachtet werden. Nabtesco hat sich daher zu einem ungewöhnlichen Schritt entschlossen: Als erster Getriebehersteller in der Robotik kooperiert der Zykloidgetriebespezialist mit einem Steuerungshersteller, genauer gesagt mit dem österreichischen Automatisierungsexperten Keba. Dabei geht es um die gezielte Integration von getriebespezifischen Daten und Charakteristiken in die Robotersteuerung.

Bei Keba hat Nabtesco mit seiner transparenten Informationspolitik sofort begeistertes Interesse geweckt. „Dass Getriebeeffekte einen starken Einfluss auf die Bahngenauigkeit haben, ist kein Geheimnis“, stellt Harald Dumhart, Produktmanager bei Keba, klar. „Schon lange arbeiten wir daher an Methoden, um genauigkeitsrelevante Getriebedaten in der Robotersteuerung zu berücksichtigen.“ Mit der Roboterlösung KeMotion bietet der Automatisierungsexperte ein gesamtes Steuerungssystem in Kombination mit HMI, Sicherheitstechnik, Antriebstechnik und Motoren aus einer Hand. Damit verfügt er über alle nötigen Daten, um die Systemkomponenten perfekt aufeinander abzustimmen. Einziger Knackpunkt bisher: das Getriebe. „Die Ermittlung von exemplarspezifischen Parametern durch Messungen am Roboter ist sehr aufwendig und damit teuer. Auch stößt man teilweise an physikalische Grenzen“, so Christoph Mittermayer, Entwicklungsingenieur Robotik. „Originalmaterial vom Hersteller zu verwenden, ermöglicht nicht nur bisher unerreichbare Genauigkeit, sondern spart auch den Aufwand für die Parameterermittlung und reduziert somit die Gesamtkosten.“

Ziel der Kooperation zwischen den beiden Herstellern ist es, ihren Kunden die Herstellung von Robotern mit einer Punkt- bzw. Bahngenauigkeit im Hundertstel-Millimeter-Bereich zu ermöglichen. Für Roboter-, Maschinen- und Anlagenbauer ergeben sich dadurch neue, faszinierende Möglichkeiten. So können künftig hochgenaue Handling- und Bearbeitungsaufgaben roboterbasiert mit der Präzision einer Werkzeugmaschine ausgeführt werden.

Um die einzelnen Roboterkomponenten sowie deren komplexes Zusammenspiel besser zu verstehen, entstand zum gegenseitigen Erfahrungs- und Wissensaustausch ein interdisziplinäres Team. Zusammenhänge verschiedener Optimierungsparameter wurden aufgeschlüsselt und es wird unter anderem gemeinsam eruiert, welche getriebespezifischen Merkmale den größten Einfluss auf die Genauigkeit haben. Nabtesco ist für die Bereitstellung und Aufbereitung der Getriebedaten sowie die theoretischen Modelle verantwortlich. Keba entwickelt die passenden Kompensationsalgorithmen und unterstützt bei der Inbetriebnahme und den Genauigkeitstests. Im ersten Schritt geht es dabei darum, die Getriebedaten in die Steuerungssoftware zu integrieren. Parallel werden an einem 6-Achs-Roboter Genauigkeitsmessungen durchgeführt und im Anschluss die dominierenden Effekte analysiert sowie Kompensationsmethoden geplant. Als dritter Schritt wird der Nutzen der ausgewählten Strategien am Roboter validiert. Christoph Mittermayer: „Es geht hier auch um Know-how-Aufbau zu Fragen wie: Welche Eigenschaften sind ausreichend genau und stabil? Nach welchen Zeiten müssen veränderliche Eigenschaften neu identifiziert werden? Welche Einflüsse auf die Stabilität der Eigenschaften sind von Bedeutung? All diese Fragen und deren Antworten müssen nach und nach in der Steuerung verpackt werden.“

Im Vergleich zu intelligenter Sensorik bietet die softwarebasierte Lösung zahlreiche Vorteile, unter anderem Kostenreduktion, verringerte Systemkomplexität und bessere Datenqualität. So herrscht auch bei Robotersystemen längst ein enormer Preisdruck. „Zusätzliche Sensorik wird nur dort akzeptiert, wo das Genauigkeitsziel nicht anders erreicht werden oder das Produkt die Mehrkosten rechtfertigen kann“, macht Harald Dumhart deutlich. Zudem bedeutet zusätzliche Sensorik auch eine erhöhte Systemkomplexität – angefangen von der Konzeption und Inbetriebnahme über die Programmierung bis hin zur Zuverlässigkeit des Robotersystems. Ein weiterer Punkt: Nicht alle Daten lassen sich mittels externer Sensoren erfassen. Das trifft beispielsweise auf die Steifigkeit zu – und natürlich die Erfahrungswerte aus der Entwicklung. „Bevor ein Getriebe auf den Markt kommt, führen wir umfangreiche Tests durch. Wir wissen genau, wie sich das Getriebe verhält, wenn es verschleißt oder welchen Einfluss Temperatur und Schmierstoff haben. All diese Parameter fließen in die Keba-Steuerung mit ein“, erklärt Daniel Obladen. Geplant sind zwei Abstufungen: ein Nabtesco-Add-on mit generalisierten Daten eines bestimmten Getriebemodells sowie ein zusätzliches Upgrade für eine noch höhere Genauigkeit mit den spezifischen Daten der im Endeffekt verbauten Getriebe.

Pionierkunde ist der Hersteller innovativer Robotermechaniken Autonox Robotics. Das baden-württembergische Unternehmen konzentriert sich auf die pure Mechanik – ohne Motor, Steuerung und Software. Diese Kinematiken werden mit den passenden Adaptern für die gewünschten Servomotoren ausgeliefert und lassen sich mit allen gängigen Steuerungen betreiben. Das ermöglicht ein durchgängiges Steuerungskonzept von der einzelnen Automatisierungskomponente bis zum Roboter. Für das Vorhaben „Genauester Roboter der Welt“ wurde ein 6-Achs-Roboter der neuen Articc-Baureihe ausgewählt. Die KeMotion-Steuerung mit dem Nabtesco-Upgrade arbeitet aber genauso gut mit anderen Robotertypen und -herstellern zusammen.

Derzeit befindet sich das Projekt in der Testphase. Erste Versuche und Genauigkeitsmessungen wurden gestartet. Jetzt gilt es, die Kompensationsmethoden im Hinblick auf eine Serienfertigung zu planen und den Nutzen sowie die Validität der Daten zu beurteilen. „Das Thema Genauigkeit hat seit jeher einen speziellen Stellenwert für uns“, so Harald Dumhart: „Durch die Partnerschaft mit Nabtesco konnten wir unsere Modelle verbessern und haben außerdem Zugriff auf fertige, maschinenlesbare Getriebe-Datensätze, die direkt von der Keba-Steuerung verarbeitet werden können.“