Winkelmessgeräte

Winkelmessgeräte von Amo erhöhen die Präzision

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Industrieroboter können mittlerweile auch sehr große Bauteile bearbeiten. Für bestimmte Aufgaben wie zum Beispiel Bohrungen an Flugzeugrümpfen reicht ihre Positioniergenauigkeit allerdings noch nicht aus. Die hochgenauen Winkelmesssystemen von Amo lösen dies Problem.

Engelbert Hager, Kaufmännischer Leiter, AMO GmbH, St. Peter am Hart, Österreich

Inhaltsverzeichnis

1. Nulllagenfehler sind oft die Ursache
2. Amosin-Abtastprinzip sorgt für Präzision
3. Sensoreinheit ist kompatibel zu jedem Messring
4. Geräte erreichen hohe Signalgüte
5. Verschiedene Messverfahren für verschiedene Anwendungen
6. Verbreitung absoluter Messgeräte nimmt stetig zu
7. Einsatz in zahlreichen Branchen

Das Schweißen und Heben schwerer Teile gehört für Roboter zum Alltag. In der Fahrzeugindustrie sorgen sie beispielsweise dafür, dass Karosserie-Elemente zum richtigen Zeitpunkt an der Stelle des Fließbandes liegen, an der sie für die Weiterverarbeitung benötigt werden. Auch für die Bearbeitung großer Bauteile werden Industrieroboter eingesetzt, denn Werkzeugmaschinen sind hierfür nicht flexibel genug oder als Sondermaschinen zu teuer. Die Roboter können dagegen selbst an überdimensionalen Objekten wie zum Beispiel Flugzeugrümpfen jede beliebige Stelle erreichen, um dort Bohrungen zu setzen oder Fräsarbeiten durchzuführen. Diese Arbeiten müssen aber sehr genau durchgeführt werden, und daran hapert es bei Industrierobotern zurzeit noch.

Nulllagenfehler sind oft die Ursache

Das Problem ist die mangelnde Positioniergenauigkeit des Tool Center Points, also des Werkzeugs des Roboters. Sie entsteht vor allem deshalb, weil für die Arbeit an großen Werkstücken Gelenkarmroboter mit mehreren Achsen eingesetzt werden müssen, um alle Bereiche des Objekts bearbeiten zu können. Jede dieser Achsen wird von einem Servomotor angetrieben und ein Drehgeber liefert die Position der Achse, um die Bewegungen entsprechend anpassen zu können. Oft zeigen diese Geber aber eine Winkelposition an, die nicht mit der tatsächlichen Lage der Roboterachse übereinstimmt. Diese sogenannten Nulllagenfehler, sowie Umkehrspiel und Gelenkelastizitäten sind die Hauptverursacher von Positionierungenauigkeiten. Hinzu kommen die Krafteinwirkung und dynamische Effekte während des Bearbeitungsprozesses, die auf die Steifigkeit der Roboter-Mechanik wirken und so zu Bewegungsabweichungen führen können. Winkelmessgeräte erhöhen die Genauigkeit um bis zu 80%. Eine deutliche Verbesserung der Positioniergenauigkeit können Roboterhersteller mit dem Einsatz hochgenauer Winkelmessgeräte erreichen. Sie werden zusätzlich zum Drehgeber als „Secondary Encoder“ hinter dem Getriebe auf der Achse montiert und erfassen die tatsächliche Position des Robotergelenks. Zudem messen die Winkelmessgeräte an jeder Achse des Roboterarms die Kräfte, die durch den Bearbeitungsvorgang am Werkstück auf den Roboter zurückwirken. Insgesamt lässt sich die absolute Positioniergenauigkeit am Tool Center Point so um 70 bis 80% steigern.

Amosin-Abtastprinzip sorgt für Präzision

Eine Genauigkeitssteigerung in dieser Größenordnung ist allerdings nur mit dem Einsatz hochgenauer Winkelmessgeräte möglich. Amoaus dem österreichischen St. Peter am Hart fertigt solche Geräte. Das Unternehmen produziert seine Längen- und Winkelmesssysteme auf Basis seines selbstentwickelten induktiven Abtastprinzips Amosin, für dessen Herstellung Maßverkörperungen (Teilungen) aus regelmäßigen Strukturen verwendet werden. Als Trägermaterial dient ein Edelstahlband, auf das man die periodische Teilung in einem hochgenauen fotolithographischen Verfahren mit anschließendem Ätzprozess aufträgt. Durch einen speziellen Herstellungsprozess wird die Maßverkörperung zu einem geschlossenen Messring geformt, der entweder auf einem Teilungsträger als Winkelmessflansch oder als dünnwandiger Messring ausgeliefert wird.

Sensoreinheit ist kompatibel zu jedem Messring

Die induktiven Winkelmessgeräte verfügen über eine besonders gestaltete Sensoreinheit, die im Abtastkopf verbaut ist. Sie ist als planare Spulenstruktur angelegt, die aus mehreren in Messrichtung aneinandergereihten Spuleneinheiten besteht, die sich aus übereinander angeordneten Primär- und Sekundärspulen zusammensetzen. Da der Hersteller die Sensoreinheit auf einem flexiblen Substrat in Multi-Layer-Technik herstellt, lässt sie sich an jeden Durchmesser der Messflansche beziehungsweise Messringe anpassen.

Geräte erreichen hohe Signalgüte

Für die induktive Abtastung der Teilung werden die Primärspulen im Abtastkopf mit einem hochfrequenten Wechselfeld erregt. Durch die relative Bewegung zwischen Sensoreinheit und Maßverkörperung entstehen zwei um 90° phasenverschobene hysteresefreie Signale. Da Amo mehrere Spulenelemente auf der Sensoreinheit anordnet, können mehrere Teilungsperioden gleichzeitig abgetastet werden. In Kombination mit der hochgenauen Maßverkörperung erzielen die Winkelmessgeräte deshalb eine hohe Signalgüte mit Abweichungen von weniger als 0,1% von der idealen Sinusform.

Verschiedene Messverfahren für verschiedene Anwendungen

Das Unternehmen fertigt seine Winkelmessgeräte in einer inkrementellen und einer absoluten Ausführung. Die inkrementellen Systeme gewinnen die Positionsinformationen durch Zählen der einzelnen Inkremente der periodischen Teilung. Um die Position ermitteln zu können, ist allerdings ein absoluter Referenzwert erforderlich, zu dem die ausgezählten Inkremente in Bezug gesetzt werden. Deshalb verfügt die Maßverkörperung der inkrementellen Winkelmessgeräte über eine zusätzliche Spur, die mit einer Referenzmarke ausgestattet ist. Die absolute Position des Maßstabes, die durch diese Marke festgelegt ist, ist genau einem Messschritt zugeordnet. Ob ein inkrementelles Messgerät ausreichend ist, bestimmt die jeweilige Anwendung.

Wenn keine Information über die absolute Position erforderlich ist oder sie sich leicht bestimmen lässt, reicht dieses Messverfahren vollkommen aus.

Verbreitung absoluter Messgeräte nimmt stetig zu

Der Trend im Bereich der Schnittstellen geht eindeutig in Richtung absoluter Messverfahren mit rein seriellen Schnittstellen. Der Vorteil: Die Position der Achse ist bei diesen Messgeräten direkt nach dem Einschalten verfügbar. Eine zeitraubende Referenzfahrt, wie sie inkrementelle Messsysteme benötigen, entfällt. Besonders praktisch ist diese Eigenschaft zum Beispiel nach Stromausfällen, wenn sich das Werkzeug noch im Eingriff befindet. Es kann dann umgehend freigefahren werden, so dass sich bei verketteten, langen Transferstraßen viel Zeitaufwand und damit Geld sparen lässt. Damit das funktioniert, muss das Winkelmessgerät an die verschiedensten Steuerungstypen angeschlossen werden können. Da diese mit unterschiedlichen Schnittstellen ausgestattet sind, sollte das Messgerät diese möglichst umfangreich unterstützen. Die Österreicher fertigen ihre absoluten Winkelmessgeräte deshalb mit den gängigsten Interfaces (EnDat.2.2, Fanuc, Mitsubishi, BiSS/C, SSI+1 Vss und Siemens Drive CLiQ).

Einsatz in zahlreichen Branchen

In seinen induktiven Längen- und Winkelmessgeräten vereint das Unternehmen Präzision und Robustheit. Diese Kombination eröffnet den Systemen ein breites Einsatzgebiet, das neben der Robotik zahlreiche weitere Anwendungen umfasst. Die Messgeräte finden sich unter anderem in Werkzeugmaschinen, in der Medizintechnik oder in der Elektronik-Fertigung. Die Produktfamilie wird darüber hinaus kontinuierlich erweitert. jg

www.amo.at

Details zu den Winkelmesssystemen von Amo:

hier.pro/PPewU

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