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Makro-Mikro-Kinematik zur Mikromontage

Allgemeine Information

Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt in der Erforschung von Methoden zum Aufbau eines Handhabungssystems, welches die aktorische Grundlage für ein klinikgerechtes, ultragenaues mechatronisches Assistenzssystem bilden soll. Ziel ist es dabei, eine Auflösung von 1 µm in einem Arbeitsvolumen von 10 mm³ zu erreichen, wobei das Arbeitsvolumen flexibel im Raum positioniert werden kann.

Die technische Umsetzung erfolgt durch die Kopplung einer Piezoaktorik an einen 6-Achs-Präzisionsroboter (µKRoS316). Der Roboter übernimmt die Positionierung der Werkzeuge im gesamten Arbeitsbereich (Makro-Positionierung). Der Mikro-Positioniereinheit kommen Aufgaben wie Kompensation der Lage-Ungenauigkeiten des Roboters, Ausgleichen von Schwingungen und das hochgenaue Verfahren des Werkzeugs zu.

Das Arbeitsprogramm lässt sich entsprechend der oben genannten Arbeitsschwerpunkte in fünf Bereiche gliedern:

  • Entwurf einer gekoppelten Regelung
  • Aufbau eines externes Messsystems zur Realtime-6D-Lagebestimmung
  • Erforschung von Methoden zur Verbesserung der 6D-Lagegenauigkeit von Positioniereinheiten
  • Matching der Koordinatensystemen von Positioniereinheiten und des Messsystems und Bahnplanung
  • Entwicklung und Konstruktion des Werkzeugsatzes

Gekoppelte Regelung

In diesem Teilprojekt wird die Kopplung des Roboters mit der Piezoaktorik untersucht. Dazu wird versucht die Regelung des 6-Achsen-Roboters µKRoS und des xyz-Piezo-Tisches der Firma Cedrat zu verbessern. Weiterhin werden die Wechselwirkungen zwischen Piezo-Tisch und Roboter und ihre Auswirkungen auf die Gesamtgenauigkeit untersucht. Das Projekt umfasst eine Modellierung des Roboters einschließlich der neun Torque-Motoren und des Piezo-Tisches. Abschließend soll zur Validierung mit dem Gesamtsystem und einer Mikro-Fräse eine hochgenaue Bearbeitung durchgeführt werden.

Aufbau eines Messsystems

Ohne ein geeignetes Messsystem ist keine gekoppelte Regelung möglich. Das Messsystem soll die Position und Orientierung des Roboterendeffektors in Echtzeit erfassen, damit die Abweichung des Werkzeuges durch den xyz-Piezo-Stelltisch rechtzeitig korrigiert wird. Für diese Aufgabe können zwei Hochgeschwindigkeitskameras mit telezentrischen Objektiven, deren optische Achsen senkrecht zueinander orientiert sind, eingesetzt werden. Ein solches Messsystem ermöglicht die Erfassung der 6D-Position mit einer Subpixelgenauigkeit von 1,5 µm, hat aber eine begrenzte Abtastfrequenz.

Kalibrierung der Positioniereinheiten

In industriellen Anwendungen wird die absolute Positionierbarkeit von Robotern durch die Kalibrierung der Geometrieparameter verbessert. Die Genauigkeiten, die dabei erreicht werden, liegen im Bereich < 0,7 mm und werden daher den aktuellen medizintechnischen Anforderungen nicht gerecht. Um die Voraussetzungen zu erfüllen, den Roboter als Handhabungssystems einsetzen zu können, wird daher eine Absolutgenauigkeit von < 0,1 mm bzw. < 0,1° in einem Arbeitsbereich von 10 mm³ angestrebt.

Hierzu werden zwei Ansätze verfolgt:

  • Kompensation der rein geometrischen Einflussfaktoren wie Durchbiegung und Nulllagenfehler
  • Kompensation der 6D-Temperaturdrift (nicht geometrischer Fehler)

Aufgrund der Beschränkung des Arbeitsvolumens auf 10 mm³ kann vereinfachend angenommen werden, dass die Bewegungen des Roboters linear sind und sich durch Polynomfunktionen beschreiben lassen. Erste Untersuchungen haben dabei bereits gezeigt, dass sich Absolut-Genauigkeiten von < 0,087mm bzw. < 0,09° erzielen lassen.

Weiterhin müssen auch die Achsen des Piezotisches kalibriert werden, denn die Achsen des Piezo-Tisches stehen zueinander nicht senkrecht und ihre Orientierung zum Kameramesssystem und Roboterendeffektor sind anfangs nicht bekannt. Selbst die Piezoachsen besitzen leichte Abweichungen von ihrer Approximationslinie. Durch eine geeignete Kalibrierungsmethode werden die Zusammenhänge ermittelt um obengenannte Probleme zu eliminieren.

Matching der Koordinatensystemen und Bahnplanung

Die Bearbeitung muss in einem absoluten Koordinatensystem geschehen. Dafür müssen die Koordinatensysteme des Roboters, Messsystems und Piezo-Tisches, des Werkstücks und des Werkzeugs zu einem gemeinsamen Koordinatensystem zusammengeführt werden. In diesem Koordinatensystem soll auch eine Trajektorie für die Bewegung des Werkzeugs gebildet werden. Um die Positionierungsfehler des Roboters durch einen Piezo-Tisch zu korrigieren, wird eine Methode entwickelt, die das Werkzeug nur der Position hält, die möglichst nah zu der Soll-Bahn liegt. Diese Methode soll die Verzögerungen in der Kommunikation zwischen dem Roboter und dem Piezo-Tisch komplett ausschliessen.

Werkzeugsatz

Um erwähnte Kalibrierungsmethoden und Matching der Koordinatensysteme zu realisieren, muss ein Werkzeugsystem entwickelt werden, das einerseits zur Roboterkonstruktion angepasst wird und andererseits die Ermittlung der Werkzeug- und Werkstückparameter erlaubt.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Christian Pape