Bodenkalibrierung bei KUKA-Robotern: vom Ankerbolzen bis zum BASE-Koordinatensystem

Ein Roboter wiederholt einen Punkt auf wenige Hundertstelmillimeter — aber nur in seiner eigenen Welt. Bodenkalibrierung heißt, diese Welt mit der realen in Übereinstimmung zu bringen: Fundament, Montage, Justage und BASE-Systeme, damit Programme einen Umzug überstehen und ein zweiter Roboter die Zelle teilen kann.

Ein KUKA-Roboter wird über seine Wiederholgenauigkeit verkauft, und das zu Recht: Ein Arm, der hunderttausende Male auf wenige Hundertstelmillimeter genau zu einem geteachten Punkt zurückkehrt, ist eine außergewöhnliche Maschine. Wiederholgenauigkeit beschreibt jedoch nur den Roboter im Gespräch mit sich selbst. Sie sagt nichts darüber, ob der Punkt, den der Roboter 500 mm von seinem Fuß entfernt glaubt, tatsächlich 500 mm von der Vorrichtung auf dem Boden entfernt ist. Die Lücke zwischen der Koordinatenwelt des Roboters und der physischen Zelle ist der Ort, an dem die meiste Inbetriebnahmezeit verschwindet — und genau das meinen wir mit Bodenkalibrierung: eine Kette von Schritten vom Beton bis zum Programm, bei der jeder Schritt auf dem darunterliegenden aufbaut.

Schritt eins: der Boden selbst

Die Kalibrierung beginnt, bevor der Roboter eingeschaltet wird, denn keine Software kann einen Fuß korrigieren, der sich bewegt. Ein großer Industrieroboter, der bei einem Not-Halt hart bremst, leitet deutlich höhere Kräfte in sein Fundament ein als bei normaler Bewegung, und genau deshalb nennt die Herstellerspezifikation diese Lasten. Die Montageanleitung legt fest, wie der Roboter befestigt werden darf: auf einem Betonfundament mit den vorgeschriebenen Ankern oder auf einem dafür ausgelegten Maschinengestell aus Stahl — jeweils mit Betonqualität, Mindestdicke der Bodenplatte, Schraubentyp und Anzugsmoment. Ein Boden mit einem Riss unter der Grundplatte, einer quer verlaufenden Dehnungsfuge oder einem dünnen Estrich über der tragenden Platte besteht jede statische Prüfung und lässt den Fuß dann unter Last um Bruchteile eines Millimeters kippeln. Über zwei Meter Reichweite vergrößert, wird aus einem Bruchteil eines Millimeters am Fuß ein sichtbarer Fehler am Werkzeug.

Die Ebenheit zählt aus einem zweiten Grund. Ein für Bodenmontage konfigurierter Roboter nimmt an, dass die Schwerkraft senkrecht durch seinen Fuß wirkt, und sein dynamisches Modell — die Berechnung, die die Motormomente entlang einer Bahn festlegt — beruht auf dieser Annahme. Eine deutlich schief stehende Grundplatte kippt die ganze Welt des Roboters. Bei Arbeiten, bei denen nur Positionen relativ zu einer Vorrichtung zählen, bleibt das womöglich unbemerkt; beim Dosieren, Stapeln oder bei allem anderen, was sich auf die Schwerkraft verlässt, nicht. Wir richten die Grundplatte auf die Toleranz der Anleitung aus und unterlegen sie, ziehen die Anker mit dem vorgegebenen Moment an, dokumentieren die Werte und prüfen sie in den Intervallen des Wartungsplans erneut. Decken- und wandmontierte Roboter folgen derselben Logik mit eigener Konfiguration: Die Einbaulage ist Teil der Roboterdaten und nichts, was die Steuerung selbst herausfindet.

Schritt zwei: Justage, der eigene Nullpunkt des Roboters

Die nächste Ebene ist die Justage, und sie wird oft mit der Kalibrierung verwechselt. Die Justage teilt der Steuerung mit, wo der mechanische Nullpunkt jeder Achse liegt, damit ein Winkelwert am Motor einem realen Winkel des Arms entspricht. Bei KUKA-Robotern geschieht das mit einem elektronischen Justagegerät, das auf eine Messpatrone an jeder Achse geschraubt wird; während die Achse langsam über eine Kerbe fährt, erfasst das Gerät die genaue Position, und die Steuerung speichert sie. Ohne gültige Justage kann der Roboter überhaupt nicht in kartesischen Koordinaten verfahren, und ein schlecht justierter Roboter erreicht jeden geteachten Punkt perfekt und jeden berechneten Punkt leicht falsch — genau die Art Fehler, die Offline-Programme und Verschiebungen unzuverlässig macht, während von Hand geteachte Programme scheinbar in Ordnung sind.

Justiert wird bei der Inbetriebnahme, und die Justage muss immer dann wiederholt werden, wenn sich die Beziehung zwischen Motor und Arm geändert haben könnte: nach dem Tausch eines Motors oder Getriebes, nach einer Kollision mit Geschwindigkeit oder nach einem Datenverlust. Das KUKA-Verfahren erlaubt zudem, mit und ohne Werkzeuglast zu justieren und den Versatz zwischen beiden zu lernen, damit der Einfluss der Nutzlast auf den Arm später berücksichtigt wird. Es lohnt sich, das sauber zu machen, denn jede Ebene darüber erbt ihre Fehler.

Schritt drei: WORLD und ROBROOT — wo der Roboter steht

Eine KUKA-Steuerung beschreibt die Zelle mit einer kleinen Familie von Koordinatensystemen. WORLD ist der feste Bezug der Zelle. ROBROOT ist der Roboterfuß, definiert als Versatz gegenüber WORLD. BASE ist ein Koordinatensystem auf einem Werkstück oder einer Vorrichtung, und TOOL ist der Arbeitspunkt des Werkzeugs. Bei einem einzelnen bodenmontierten Roboter sind WORLD und ROBROOT meist identisch, und niemand muss darüber nachdenken. Sobald die Zelle einen zweiten Roboter, eine Lineareinheit oder einen Drehpositionierer enthält, werden sie unverzichtbar: Das ROBROOT jedes Roboters wird gegenüber einem gemeinsamen WORLD vermessen, damit beide Maschinen übereinstimmen, wo eine gemeinsame Vorrichtung liegt, und eine Lineareinheit oder ein Positionierer wird als eigene Kinematik eingerichtet, damit ein darauf montiertes BASE mitfährt.

Schritt vier: TOOL und BASE — wo die Arbeit passiert

Die TOOL-Vermessung teilt dem Roboter mit, wo sein Arbeitspunkt liegt. Die übliche KUKA-Methode für die Position ist die XYZ-4-Punkt-Methode: Die Werkzeugspitze wird aus vier deutlich unterschiedlichen Orientierungen an denselben festen Referenzpunkt geführt, und die Steuerung berechnet, wo die Spitze relativ zum Flansch liegen muss, damit alle vier Anfahrten zusammenfallen. Die Orientierung des Werkzeugs wird anschließend mit der Methode ABC World oder ABC 2-Punkt festgelegt. Die Qualität des Ergebnisses hängt mehr vom Bediener ab als von der Software — ein spitzer, starrer Referenzpunkt, wirklich unterschiedliche Orientierungen und eine Spitze, die berührt statt drückt. Ein nachlässig vermessener Schweißbrenner oder Greifer verwandelt jede Umorientierung in einen kleinen Positionsfehler, und der Roboter wird für eine Ungenauigkeit verantwortlich gemacht, die er gar nicht hat.

Die BASE-Vermessung ist der Schritt, der das Programm mit dem Boden verbindet. Bei der 3-Punkt-Methode berührt das vermessene Werkzeug drei Punkte an der Vorrichtung: den Ursprung des neuen Koordinatensystems, einen Punkt auf seiner positiven X-Achse und einen Punkt in seiner XY-Ebene auf der positiven Y-Seite. Aus diesen drei Punkten bestimmt die Steuerung ein System, das auf der Vorrichtung liegt. Ist der Ursprung nicht direkt erreichbar — weil er in einem Bauteil oder unter einem Spanner liegt —, nutzt die indirekte Methode vier Punkte, deren Koordinaten im BASE bereits bekannt sind. Ist die Lage der Vorrichtung genau bekannt, können die Werte auch einfach numerisch eingegeben werden.

Warum das so wichtig ist, lässt sich einfach sagen. Punkte, die in einem BASE geteacht wurden, gehören zur Vorrichtung, nicht zum Raum. Wird eine Vorrichtung ersetzt, bei einer Wartung um einige Millimeter verschoben oder in eine zweite, identische Zelle umgesetzt, bringt das erneute Vermessen dieses einen BASE jeden Punkt des Programms wieder an seinen Platz. In WORLD-Koordinaten geteachte Punkte müssen einzeln nachgeteacht werden. Wir teachen und programmieren grundsätzlich gegen BASE-Systeme, benennen sie nach der physischen Vorrichtung, zu der sie gehören, und halten in einer Zeichnung fest, wo jeder Ursprung liegt. Werkzeug- und Basisdaten liegen in den Konfigurationsdateien des Roboters, sodass ein nach der Inbetriebnahme erstelltes Steuerungsarchiv die gesamte Kalibrierung sichert — und dieses Archiv wird erstellt, bevor der Roboter unsere Hände verlässt.

Lastdaten, Temperatur und Nachweis

Zwei weitere Details unterscheiden eine Kalibrierung, die hält, von einer, die wegdriftet. Das erste sind die Lastdaten. Die Steuerung braucht Masse, Schwerpunkt und Trägheit von Werkzeug und Nutzlast, um die Motormomente zu planen; mit falschen Werten weicht die Bahn bei Geschwindigkeit ab, und die Getriebe verschleißen schneller als nötig. KUKA bietet mit KUKA.LoadDataDetermination eine Software, die die Last ermittelt, indem der Roboter definierte Bewegungen ausführt — weit zuverlässiger als eine Schätzung aus dem CAD-Modell eines Greifers, dessen Schläuche und Kabel nie modelliert wurden. Das zweite ist die Temperatur. Arm und Getriebe eines Roboters dehnen sich aus, während sie sich über eine Schicht erwärmen, und eine Zelle neben einem Ofen oder einem Tor zum Hof erlebt davon mehr. Kritische Referenzpunkte werden deshalb geprüft, nachdem der Roboter Betriebstemperatur erreicht hat, und nicht nur am kalten Morgen, an dem sie geteacht wurden.

Für Anwendungen, bei denen der Roboter berechnete statt geteachter Positionen anfahren muss — Offline-Programmierung, Messen, Bohren nach CAD-Modell —, lassen sich Roboter mit einer Option für Absolutgenauigkeit bestellen, bei der der einzelne Arm vermessen und seine Abweichungen in der Steuerung modelliert werden. Das ist eine echte Verbesserung, und sie beruht dennoch auf derselben Kette: einem stabilen Boden, korrekter Justage, vermessenen TOOL- und BASE-Systemen und richtigen Lastdaten. Kein Modell gleicht einen Anker aus, der sich allmählich lockert.

Die Inbetriebnahme endet mit einem Nachweis, nicht mit dem letzten Kalibriermenü. Wir fahren ein kurzes Prüfprogramm, das eine Reihe von Referenzpunkten an den Vorrichtungen aus verschiedenen Orientierungen anfährt, dokumentieren die Abweichung gegenüber der vereinbarten Toleranz und legen das Ergebnis zusammen mit dem Steuerungsarchiv und dem Protokoll der Anzugsmomente ab. Ruft ein Kunde zwei Jahre später an, weil Teile anfangen danebenzuliegen, beantwortet diese eine Seite die erste Frage — hat sich der Roboter verändert oder die Zelle? — in Minuten statt in einem Tag. Bodenkalibrierung ist kein Menü in der Steuerung. Sie ist die Disziplin, dafür zu sorgen, dass die Welt des Roboters und die reale Welt derselbe Ort sind, und dass es auch so bleibt.

— Engineering-Team GANI Engineering