Untersuchung von modellbasierter Fehlerkompensation und erweiterter Positionsregelung zur Genauigkeitssteigerung von roboterbasierten Zerspanungsprozessen

Abstract

Produktionssysteme haben sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Während Mitte des 20. Jahrhunderts der Fokus auf Skaleneffekten durch Massenproduktion lag, werden heute außer geringen Produktionskosten noch weitere Anforderungen an Produktionssysteme gestellt. Produkte werden in einer großen Variantenvielfalt hergestellt, jedes Produkt muss zu einem möglichst großen Grad auf die Bedürfnisse des Kunden abgestimmt werden. Daraus resultierend wird eine hohe Flexibilität und Wandlungsfähigkeit von Produktionsanlagen erwartet. Industrieroboter sind ein nützliches Mittel, um verschiedene Prozesse in einer Produktionsanlage umzusetzen. Jedoch wird der Einsatz von Industrierobotern bisher noch durch verschiedene Faktoren begrenzt: Anforderungen an Sicherheit, Programmierung und Genauigkeit schränken beispielsweise das Anwendungsspektrum stark ein. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Steigerung der Genauigkeit von Industrierobotern in spanenden Prozessen, mit dem Ziel Roboter für ein breites Anwendungsspektrum zu qualifizieren. Die Literatur behandelt bereits verschiedene Maßnahmen, um die Genauigkeit von Industrierobotern zu verbessern. Zum einen wird das Roboterverhalten modelliert und zur Kompensation von Abweichungen verwendet. Im Speziellen wird in der Literatur die Vermessung der Kinematik und die Bestimmung von Steifigkeitsparametern zur Kompensation der Abdrängung durch Kräfte am Endeffektor betrachtet. Limitierender Faktor dieser Kompensationen ist jeweils die Güte des identifizierten Modells, welches das Roboterverhalten abbildet. Zum anderen wird zusätzliche Sensorik verwendet, um die Präzision der Positionierung und Bahnführung zu verbessern. Es werden sowohl Sensoren auf Gelenkebene eingesetzt als auch großvolumige Messsysteme verwendet, welche die Pose des Endeffektors im Raum erfassen. Im statischen Fall kann damit eine gute Genauigkeit erzielt werden, jedoch lassen sich mit diesen Mitteln die dynamischen Eigenschaften des Industrieroboters nur marginal beeinflussen, da sie maßgeblich von der Masse, der Steifigkeit und der Reibung bestimmt werden. Schwingungen jenseits der Bandbreite des Roboters können demnach nicht durch die Robotermechanik kompensiert werden. Aufbauend auf einer systematischen Analyse von Einflussparametern auf den Roboter in spanenden Prozessen werden in dieser Arbeit verschiedene Methoden zur Genauigkeitssteigerung weiterentwickelt. Zunächst wird die Kompensation der Abdrängung des Endeffektors durch Prozesskräfte, als einer der wesentlichen Quellen von Fehlpositionierung, adressiert. Durch einen neuen Ansatz der Beschreibung des Verformungsverhaltens durch nichtlineare Funktionen in mehreren Freiheitsgraden kann das Roboterverhalten realitätsnäher abgebildet werden. Eine innovative Identifikationsmethode erlaubt die Bestimmung der Modellparameter basierend auf einer breiten Datenbasis. Aus einer Onlinemessung von Kräften und Momenten am Endeffektor und aus dem vorgestellten Modell kann online die Verformung des Roboters berechnet und kompensiert werden. Um den Fehler beim Zerspanen mit Industrierobotern weiter zu reduzieren, wird eine externe Aktorik eingesetzt, die aufgrund ihrer großen Dynamik Schwingungen jenseits der Bandbreite von Industrierobotern kompensieren kann. In dieser Arbeit wird eine Regelung vorgestellt, die einerseits die genaue Positionierung der Frässpindel durch Piezoaktoren gewährleistet und andererseits eine überlagerte Regelung von Roboter und Aktorik auf Basis einer direkten Positionsmessung des Endeffektors realisiert. Dabei wird der Fehler der relativen Positionierung von Werkstück und Werkzeug sowohl der Robotersteuerung als auch der Aktorik als Rückführgröße zur Verfügung gestellt. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem eingeschränkten Stellbereich der Aktorik gewidmet. Zur Qualifizierung und relativen Einordnung der vorgestellten Methoden werden diese zusammen mit einem unkompensierten Roboter in einem produktionsnahen Anwendungsszenario evaluiert. Durch Fräsen von Kreisgeometrien in Stahl und Vermessung auf einer Koordinatenmessmaschine wird die Wirksamkeit der Methoden dargestellt. Abweichungen können auf einen Bereich von ±100 m reduziert werden. Im Vergleich zum unkompensierten Fall kann der durchschnittliche Fehler um 87,4% verringert werden. Ausgehend von der praktischen Erprobung der Kompensationsmethoden wird die Eignung der Methoden für verschiedene spanende Prozesse dargestellt und analysiert. Dabei werden die Kombination der Methoden und monetäre Aspekte betrachtet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf weitere Entwicklungspotentiale. Dabei wird zum einen die Modellierung und Identifikation der Modellparameter adressiert. Zum anderen werden konstruktive Aspekte der externen Aktorik in Betracht gezogen und Weiterentwicklungen im Bereich der Regelung des gesamten Robotersystems aufgezeigt.

During the last decades, production systems have been subject to continuous change. Whereas scale effects of mass production were brought into focus during the middle of the 20th century, costs are not the only requirement on today’s manufacturing systems. Products are manufactured in big varieties, each product has to satisfy the specific needs of each costumer as good as possible. As a result, production systems need to provide high flexibility and versatility. The deployment of industrial robots is an appropriate way to run different processes in one production cell. However, the usage of industrial robots is limited by different obstacles: Safety, programming and accuracy hamper for example the application of robots in many applications. This work focuses on improving the accuracy of industrial robots in machining in order to qualify robots for a bigger set of applications. There is already a diverse set of methods available in literature which improve accuracy of industrial robots. On one side, robot behavior is described by means of models and used for compensation. Specifically, the determination of real kinematics and the identification of compliance parameters for the compensation of deflection due to load on the end-effector are addressed. For each of the model, the quality of the models is decisive for the description of robot behavior. On the other side, additional sensing is used in order to improve accuracy of end-effector positioning and path tracking. Both sensors on joint level and large scale measurement systems in order to determine the pose of the end-effector in space, are used. Good accuracies can be achieved in static case, yet the dynamic behavior of industrial robots can hardly be influenced as it is mostly determined by mass, compliance and friction. Oscillations beyond the bandwidth of industrial robots can therefore not be compensated by the robot mechanics. Based on systematic analysis of influences on robots in machining, different methods are developed in this work in order to improve accuracy. First, compensation of end-effector deflection due to process forces is addressed, as being one of the major influences. A new approach is presented describing the real robot behavior more precisely by usage of nonlinear functions in several degrees of freedom. An innovative identification procedure enables parameter identification on a broad database. Derived from the developed model and based on online force/torque measurement, the deflection can be determined and compensated online. The application of an external actuator system aims to reduce the deviations in robotic machining. The bandwidth of the actuator system exceeds the bandwidth of industrialrobots and can therefore compensate for Eigen modes of the robot. This work presents a control approach which guarantees good positioning of the spindle based on piezo actuation and realizes an overall control of robot and actuator system based on direct pose measurement of the end-effector. The error of relative positioning of workpiece and tool is provided both to robot controller and actuator system. Special attention is drawn on the limited work space of the actuator system. Evaluation of the presented methods together with an uncompensated robot in an industrial use case allows qualification and relative grading. The effectiveness of the methods is revealed in milling a circular geometry in steel and in measuring on a coordinate measurement machine. Deviations can be reduced to ±100 m. The mean average error can be reduced by 87,4%. Based on the practical testing of the compensation methods, the applicability for different machining processes is investigated. The combination of methods is considered and monetary aspects are discussed. This work finishes with an outlook on further potentials. The modeling is addressed as well as the identification of model parameters. Finally, design aspects of the actuator systems are discussed and further advances on the control of the overall robotic system are outlined.