Roboter verrichten heute vergleichsweise einfache Handhabungsaufgaben wie Pick-and-Place. Dafür arbeiten sie genau genug. Immer öfter aber werden komplexe und flexible Arbeitsabläufe gefordert. Neben der Wiederholbarkeit steht deshalb in der Robotertechnik immer mehr die absolutgenaue Positionierung des Roboter-Tool-Center-Point im Fokus.
 

Lasertracker zur Beobachtung und Verifizierung des Systemverhaltens von Robotern

Das Ziel bei der Anwendung von Industrierobotern war bisher meistens, einfache Handhabungsaufgaben wie Pick-and-Place in der Fertigung zu übernehmen. Dafür wurden sie in der Regel in einfachen Ausführungen konzipiert, die eine relativ gute Wiederholgenauigkeit aufwiesen. Für die jeweiligen Aufgaben waren sie dann prädestiniert. Die Vorteile lagen in der Flexibilität und den geringen Beschaffungskosten. Dazu kam die hohe Amortisation. Vor nicht allzu langer Zeit herrschte noch die Ansicht, ein Roboter erledige stupide und sich wiederholende Bewegungen von A nach B; inzwischen sind die Anforderungen erheblich gestiegen. Immer öfter werden komplexe und flexible Arbeitsabläufe gefordert. Daraus ergeben sich oft sehr spezielle Lösungen, die wiederum hochgenaue Roboter als zwingend erscheinen lassen. Genau diese als zwangsläufig erscheinende Forderung macht aber viele Ideen zu kostengünstigen, roboterbasierten Lösungen zunichte. Als wichtiges Ziel ist deshalb festzuhalten, den Roboter nicht neu zu erfinden oder zu bauen, sondern gezielt die Genauigkeit durch die Anwendung innovativer Methoden zu steigern. Dies kann mit Hilfe externer Messtechnik, Aktorik oder spezieller Kalibrationsmodelle erreicht werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit in Dimensionen bringen, die die heutige Vorstellung des Robotereinsatzes grundlegend vom Handhabungs- zum hochgenauen Bearbeitungssystem verändern.

Der Trend geht zu wiederholgenauen und absolutgenauen Roboter-Systemen
War früher die Wiederholgenauigkeit das oberste Ziel bei der Roboterentwicklung, so wandelt sich diese Vision immer mehr hin sowohl zu wiederholgenauen als auch absolutgenauen Systemen. Der Roboter von morgen soll Bearbeitungsprozesse wie Entgraten, Bohren und Fräsen übernehmen – und nicht nur solche, die sich kontinuierlich wiederholen, sondern die flexible, bauteilabhängige Aufgaben mit sich bringen: Sei es beim Entgratprozess, bei dem es darauf ankommt, unterschiedlichen Konturen möglichst gleichförmig und gleichmäßig zu folgen, oder beim Nachbearbeiten von Kunststoff-Formteilen im Automobil-Sektor, wobei zusätzlich zum Entgraten funktionale Bohrungen und Ausschnitte gefertigt werden müssen. Folglich steht neben der Wiederholbarkeit immer mehr die absolutgenaue Positionierung des Roboter-TCP (TCP = Tool Center Point), im Fokus.

Ausgehend von der Forderung nach hochgenauen Roboterprozessen, stellt die Wiederholgenauigkeit die Schranke der absoluten Positionierung dar. Dabei gilt es, den systematischen Fehler zwischen Wiederholgenauigkeit und absoluter Positioniergenauigkeit zu reduzieren. Daraus ergibt sich die Problemstellung, das reale Verhalten des Roboters mit dem in der Steuerung idealisierten Modell abzugleichen. Das Ziel besteht darin, dynamische und statische Fehler zu korrigieren.
Dynamische Abweichungen am TCP resultieren aufgrund lastabhängiger, thermischer und prozessabhängiger Verformungen der Antriebe und mechanischen Strukturen. Dagegen entstehen statische Abweichungen durch geometriebedingte Montage- und Fertigungsfehler wie Nulllagenfehler, Längenabweichungen und Winkelfehler. Beide zusammen stellen die relevanten Effekte dar, die sich auf die Positionierung des TCP auswirken und kompensiert werden müssen – auf diese Weise lässt sich ein absolutgenaues System schaffen.

Regler iterativ weiterentwickeln mit D-Space-Prototyping-System
Zunächst müssen die beschriebenen Effekte erfasst werden, bevor sie zur Korrektur der Abweichungen und damit Schaffung eines positioniergenauen Roboters genutzt werden können. Zur Vereinheitlichung kommt ein D-Space-Prototyping-System in Frage, so dass in Experimenten bereits entwickelte Komponenten und Werkzeuge wiederverwendet oder ausgetauscht und Regler iterativ gemäß den Anforderungen weiterentwickelt werden können.

Vor diesem Hintergrund wendet das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) die folgende vereinheitlichte Vorgehensweise an: Ausgehend vom Bauteil oder der Programmierung der Roboterbahnen sind die Sollbahnen bekannt. Für eine aktive Kompensation wird die absolute Messung des realen Systemverhaltens und die Identifikation der Modellparameter durchgeführt. Dies dient sowohl zur Messung der statischen Abweichungen als auch der aus dem jeweiligen Bearbeitungsprozess resultierenden dynamischen Einflüsse. Mit den Messungen und dem ermittelten Modell kann die aktuelle Position überprüft und korrigiert werden.

Externe Messtechnik macht das Systemverhalten beobachtbar
Die jeweiligen Phasen beinhalten die Anwendungen der erforderlichen Zusatzsysteme. Externe Messtechnik macht das Systemverhalten beobachtbar und initialisiert die weiteren Phasen des Systems. Zu diesen gehört die Identifikation des Robotermodells oder die Kompensation durch eine zusätzliche Aktorik, die – um genau zu agieren – aus hochgenau positionierbaren Linear- oder Piezoaktoren bestehen kann.
Um den stetig wachsenden Anforderungen bearbeitender Prozesse gerecht zu werden, hat sich das IPA die Steigerung der Positioniergenauigkeit von Industrierobotern zur Aufgabe gemacht. Es verfügt durch die mit Robotern, Sensoren, Greifern und Messsystemen ausgestatteten Labore über gute Voraussetzungen, um intelligente Kompensationssysteme für den hochgenauen Robotereinsatz zu entwickeln. Für die Umsetzung und die Überprüfung können Lasertracker und alternative Lasermesssysteme eingesetzt werden, die Fehler des Robotersystems messbar machen und die Verifizierung des Systems ermöglichen.
Die in Bild 3 vorgestellte Vorgehensweise als Regelsystem von Eingangsgrößen aus der Beobachtung des Systemverhaltens bietet eine Perspektive, klassische Robotersysteme für hochgenaue Industrieprozesse nutzbar zu machen. Die jeweiligen Einzelkomponenten können flexibel auf die individuellen Prozess- und Einsatzbedingungen eingesetzt werden. Die Verifikation der gemessenen oder berechneten Eingangsgrößen mit gleichzeitiger Echtzeitkompensation durch aktive Ausgleichsaktorik, mechanische Modellierung und Kompensationsmodelle lässt eine kompensierte Roboterbahn zu, die den morgigen Anforderungen hochgenauer Bearbeitung gerecht wird.    

Arnold Puzik und Manuel Drust
Dipl.-Ing. Arnold Puzik und Dipl.-Ing. Manuel Drust sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart
 

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Die robusten Smart-Kameras der Matrox-Iris-GT-Serie im Vertrieb von Rauscher, Olching, wurden speziell für raue Umgebungsbedingungen entwickelt und eignen für anspruchsvolle Anwendungen in der Bildverarbeitung.

Die robuste Smart-Kamera Matrox-Iris-GT ist mit dem topaktuellen 1.6-GHz-Atom-Prozessor von Intel ausgestattet und läuft unter Windows CE 6.0.

Die Matrox-Iris-GT verfügt über den brandneuen 1.6-GHz-Atom-Prozessor von Intel und läuft unter dem Embedded-Betriebssystem Windows CE 6.0. Die Kamera verfügt über einen integrierten Grafikcontroller mit VGA-Ausgang, 256 MB DDR2-Speicher sowie eine 1-GB-Flash-Disk. Schnittstellenausstattung lässt kaum Wünsche offen Externe Geräte können mit der Kamera über einen 10/100/1000-Ethernet-Port, einen USB-2.0-Port, einen seriellen RS-232-Port oder  einen opto-gekoppelten Triggereingang und einen Strobeausgang verbunden werden. Die direkte Kommunikation mit PLC-Steuerungen und anderen Automatisierungssystemen lässt sich laut Rauscher mit Ethernet/IP und Modbus über TCP/IP bewerkstelligen. Matrox startet zunächst mit zwei Monochrom-Modellen   Von der Iris-GT-Serie aus dem Hause Matrox gibt es zunächst zwei monochrome Modelle: die Iris-GT300 mit 640 x 480 Pixeln Auflösung sowie die höher auflösende Matrox-Iris-GT1200 mit 1280 x 960 Pixeln. Beide Kameras der Iris-GT-Serie sind entweder zusammen mit der interaktiven Entwicklungsumgebung Matrox-Design-Assistent (standardmäßig im Paket jeder Einheit enthalten) oder mit der separat zu erwerbenden Matrox Imaging Library erhältlich.

 

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Für die deutschen Hersteller von Industrieller Bildverarbeitung, Montage- und Handhabungstechnik sowie Robotik ist das Jahr 2008 hervorragend gelaufen: Mit einem Umsatzwachstum um 12% auf 9,2 Mrd. Euro legte die Branche im dritten Jahr in Folge spürbar zu. 2009 wird man aber kleinere Brötchen backen müssen.

Auch wenn die aktuelle Krise nicht spurlos an der sehr exportstarken deutschen Roboterindustrie nicht vorübergehen wird – mittelfristig hat die Branche sehr gute Wachstumschancen. Im Bild der Robocoaster von Kuka. Bild: Kuka

Vor allem die Robotik hat nach Angaben des VDMA-Fachverbandes Robotik + Automation mit einem Wachstum von 15% auf 2,4 Mrd. Euro zu dieser positiven Entwicklung beigetragen. Hintergrund für das hohe Wachstum war nach Verbandsangaben der weltweit anhaltende Trend zur Automatisierung. Auch die Hersteller von Montage- und Handhabungstechnik, die mit einem Wachstum von 14% auf 5,7 Mrd. Euro ihr bislang bestes Geschäftsjahr verzeichneten, konnten davon profitierten. Der über Jahre hinweg dynamischste Teilbereich, die industrielle Bildverarbeitung, legte 2008 nochmals um 1% auf 1,2 Mrd. Euro zu, wobei sich die Konjunktur-Abschwächung im zweiten Halbjahr 2008 bereits bemerkbar machte. Finanzkrise trifft die exportstarke Branche besonders hart Angesichts ihrer starken Exportorientierung - die Ausfuhrquote liegt bei über 50% - sieht sich die Robotik und Automation von der Finanz- und Wirtschaftskrise besonders tangiert. Der zeitgleiche Konjunktureinbruch in allen Weltregionen sei selbst für eine Branche, die mit konjunkturellen Ausschlägen umzugehen weiß, eine völlig neue Herausforderung, so der Verband. Auf der Basis des aktuell verfügbaren Wissens rechnet der VDMA-Fachverband Robotik + Automation für 2009 mit einem Rückgang des Branchenumsatzes um 6% auf 8,7 Mrd. Euro. Allerdings dürften bei den Herstellern von Montage- und Handhabungstechnik sowie in der Sparte Robotik wegen der vorhandenen Auftragsbestände (insbesondere bei Anbietern von Komplettsystemen) die Umsatzeinbußen geringer ausfallen. Prognostiziert werden dort Rückgänge um 5% beziehungsweise auf 5,4 beziehungsweise 2,2 Mrd. Euro.

Auftragseingang bei Robotik und Automation ist unzureichend
Aktuell sei der Auftragseingang jedoch „völlig unbefriedigend“. Bemerkbar mache sich, dass die Automobilindustrie und ihre Zulieferer Projekte und damit auch die Beschaffung von Produktionsmitteln verschieben würden. Davon besonders betroffen dürften 2009 die Hersteller von industrieller Bildverarbeitung sein, die sich nach der Verbandsprognose auf einen Umsatzrückgang um 15% auf 1 Mrd. Euro einstellen müssen. Ursächlich sind die konjunkturell stark rückläufigen Ausrüstungsinvestitionen in wichtigen Anwenderbranchen wie der Automotive-Industrie sowie der Elektronik-, Halbleiter- und Display-Industrie.
Deutsche Automatisierer gehen krisenfester in den Abschwung als der Wettbewerb
Dennoch ist Dr. Norbert Stein, Vorsitzender des Vorstands von VDMA Robotik + Automation, zuversichtlich, dass die deutschen Hersteller gestärkt aus der Krise hervorgehen: „Die deutschen Unternehmen haben in den vergangenen Jahren deutlich stärker von der weltweit steigenden Nachfrage nach Automatisierungstechnik profitiert als ihre ausländischen Mitbewerber. Sie haben auch ihre Hausaufgaben gemacht und gehen krisenfester in den Abschwung als dies beispielsweise in den 90er Jahren der Fall war“.

VDMA sieht mittelfristig erhebliches Absatzpotenzial für Automatisierungstechnik
Die Hersteller von industrieller Bildverarbeitung, Montage- und Handhabungstechnik und Robotik hätten, wie VDMA-Fachverband Robotik + Automation betont, die besten Voraussetzungen, mittelfristig auf den Wachstumspfad zurückzukehren: Die Hersteller konsumnaher Produkte werden mit neuen, attraktiven Produkten sowie mit einer fertigungskostenrelevanten Optimierung ihrer Prozesse versuchen, ihren Absatz anzukurbeln, ist man beim VDMA überzeugt. Von beiden strategischen Stoßrichtungen profitiere die Automatisierungstechnik.
Für die Robotik gibt es längerfristige Prognosen der International Federation of Robotics (IFR), die von kurzfristigen konjunkturellen Schwankungen abstrahieren: Die IFR geht davon aus, dass die weltweiten Roboter-Installationen bis 2011 jährlich um durchschnittlich 4% wachsen werden. Diese mittelfristige Bedarfsanalyse verdeutlicht, dass es auch wieder ausgeprägte Wachstumsjahre geben wird.
 

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Vom 8. bis 11. Juni 2010 wird die AUTOMATICA In München wieder Treffpunkt der internationalen Automatisierungs- und Robotik-Szene sein. Über die Messeziele, die Entwicklung in der Automatisierungsbranche und die Highlights der 4. AUTOMATICA sprachen wir mit AUTOMATICA-Projektleiterin Anja Schneider.
Rüdiger Kroh

Projektleiterin Anja Schneider, Messe München: „Unser Ziel ist, das Ergebnis der AUTOMATICA 2008 mit 868 Ausstellern möglichst zu übertreffen. Ob das in der gegenwärtig schwierigen wirtschaftlichen Situation möglich ist, wird sich zeigen.“

Frau Schneider, die AUTOMATICA hat sich seit 2004 sehr gut entwickelt. Sehen Sie auch für 2010 noch Wachstumspotenzial? Schneider: Natürlich gibt es noch Potential. Wir haben allerdings insofern eine Sondersituation, da unsere Aussteller- und Besucherwerbung mitten in die Wirtschaftskrise fällt. Doch die führenden Anbieter der Automatisierungsbranche haben sich schon wieder für die AUTOMATICA entschieden: 15 Monate vor Messebeginn sind bereits über 20000 m² Fläche gebucht, das sind zwei Drittel der Gesamtfläche von 2008. Unser Ziel ist, das Ergebnis der AUTOMATICA 2008 mit 868 Aussteller möglichst zu übertreffen. Ob das in der gegenwärtig schwierigen wirtschaftlichen Situation möglich ist, wird sich zeigen. Der Besucheranteil aus dem Ausland lag bei der vergangenen AUTOMATICA bei 25%. Auch hier gibt es noch Luft nach oben. Welche Ziele haben Sie sich für 2010 gesetzt? Schneider: Richtig, auch auf der Besucherseite sehen wir noch Potential. 2008 gelang uns mit rund 32000 Besuchern aus 100 Ländern ein neuer Rekord, das ist nicht das Ende der Fahnenstange. Auch hier ist unser Ziel, den Level, vor allem auf internationaler Ebene, weiter anzuheben, selbst wenn heute eine Prognose schwierig ist. Niemand kann derzeit sagen, wie lange die Krise dauert und wann der Turnaround kommt. Klar ist aber: Wir werden unsere Marketinganstrengungen in ganz Europa weiter verstärken und auch gezielt Kampagnen in Boommärkten wie Indien oder China fahren. Unsere Besucherkampagne läuft erst an. Mit etwas Glück kommt sie genau zum richtigen Zeitpunkt, nämlich dann, wenn unsere Besucherbranchen, etwa die Automotive-Branche oder die Elektro- und Elektronikindustrie, wieder „Wasser unter dem Kiel“ haben. Dann kann die AUTOMATICA der Auslöser für Investitionen sein.

Sie haben die Wirtschaftskrise angesprochen. Die Automatisierungsbranche rechnet im Gegensatz zu anderen Branchen im laufenden Jahr nur mit moderaten Rückgängen. Wie wirkt sich die Krise auf die Vorbereitungen für die AUTOMATICA 2010 aus?
Schneider: Selbstverständlich bleibt auch die Automatisierungsbranche von der Wirtschaftskrise, insbesondere mit Blick auf die aktuellen Absatzprobleme der Automobilindustrie, nicht unberührt. Der aktuelle Auftragseingang spricht da eine deutliche Sprache. Positiv ist deshalb, dass sich beispielsweise alle führenden Hersteller von Industrierobotern bereits für die AUTOMATICA 2010 wieder mit repräsentativen Standflächen angemeldet haben. Wir können verstehen, dass sich manche kleinere Unternehmen derzeit zurück halten und erst einmal abwarten, ehe sie sich für einen Messeauftritt entscheiden – aber wie gesagt, liegen wir derzeit im Plan. Auf der anderen Seite gibt es gute Gründe, dass die Automatisierung als Gewinner aus der Krise hervorgeht. Sie kann dazu beitragen, Kosten zu senken, gleichzeitig Produkte zu verbessern und damit wettbewerbsfähig zu bleiben. Viele Unternehmen, egal aus welchen Industrien, werden hierauf ihr Augenmerk legen, wenn ein Ende der Krise absehbar ist und es um strategische Weichenstellungen für die Zukunft geht. Uns ist deshalb nicht bange: Wir sehen optimistisch in die Zukunft, weil wir es mit einer Branche zu tun haben, welche die Weichen für die Zukunft stellt. Und die AUTOMATICA ist ein wichtiger Bestandteil dieser Branche.    

Für die Robotik ist die AUTOMATICA sicherlich die internationale Leitmesse. Bei der Montage- und Handhabungstechnik sowie der Bildverarbeitung weist die Ausstellerliste noch Lücken auf. Wie wollen Sie diese Bereiche stärken?
Schneider: Die Stärke der AUTOMATICA liegt in Komplettlösungen für fertigungstechnische Herausforderungen. Bei der Bildverarbeitung können wir vor allem in den Bereichen Systemgeschäft und Robot Vision punkten. Im Bereich der Automatisierungs-komponenten werden wir noch zulegen. Wir sind zuversichtlich, dass noch mehr Komponentenhersteller nach München kommen werden. Man muss Ihnen nur bewusst machen, dass ihre Kunden hier stark vertreten sind. Das ist unsere Aufgabe.  

Welche Schwerpunkte und Highlights wird es auf der 4. AUTOMATICA geben?
Schneider: Das Highlight schlechthin sind ganz sicher die Präsentationen der Aussteller, die sich mit aufwendig gestalteten Ständen in Szene setzen und dort ihre Innovationen und Produktneuheiten präsentieren. Hervorheben möchte ich außerdem das International Symposium on Robotics, das gemeinsam mit der Deutschen Robotikkonferenz als weltweit größter Robotikkongress im Internationalen Congress Center München stattfinden wird. Erwartet werden rund 300 Teilnehmer aus aller Welt. Daneben gibt es zahlreiche Veranstaltungen, allen voran das AUTOMATICA-Forum mit Vorträgen und Podiumsdiskussionen quer durch alle Anwenderbranchen. Fester Bestandteil der AUTOMATICA ist die Innovationsplattform Servicerobotik, auf der führende Roboter-Hersteller, -Zulieferer und -Forschungsinstitute den neuesten Stand der internationalen Servicerobotik präsentieren. Die Besucher dürfen die Roboter anfassen, selbst ausprobieren und können technische Details mit den anwesenden Entwicklern diskutieren. Auch das Thema Mechatronik wird die AUTOMATICA in seinen verschiedenen Facetten beleuchten. Nähere Informationen zu alle diesen Veranstaltungen gibt es im Internet unter www.automatica-munich.com. Wir sind gerade dabei, unsere Webseiten völlig neu zu gestalten. Es lohnt sich also, am Ball zu bleiben und immer wieder mal online zu gehen.  
 

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