Wiederholgenauigkeit von Robotern: Werte von ±0,01 bis ±0,2 mm

Die Wiederholgenauigkeit von Robotern liegt je nach Bauart zwischen ±0,01 und ±0,2 Millimetern. Als Leistungskenngröße nach ISO 9283 beschreibt sie, wie exakt ein Roboter eine einmal angefahrene Position beim erneuten Anfahren wieder trifft. Davon zu trennen ist die Absolutgenauigkeit, also das Treffen einer neu programmierten Position: Sie fällt unkalibriert um ein Vielfaches schlechter aus. Dieser Beitrag erklärt beide Kennzahlen und das Messverfahren der Norm. Dazu kommen typische Werte je Robotertyp und die Faktoren, die im Betrieb an der Genauigkeit zehren.

Lesezeit ca. 10 Minuten

Was Wiederholgenauigkeit bei Robotern bedeutet

Wiederholgenauigkeit ist die Streuung, mit der ein Roboter dieselbe Pose immer wieder erreicht. Eine Pose umfasst dabei Position und Orientierung des Werkzeugs. In der Normprüfung fährt der Roboter einen geteachten Punkt 30-mal an, und die Wiederholgenauigkeit gibt an, in welchem Radius um den Mittelwert diese Anfahrten landen. Ein Wert von ±0,05 Millimetern heißt also: Der Roboter trifft denselben Punkt zuverlässig innerhalb eines Kreises mit diesem Radius.

Für den klassischen Teach-Betrieb ist die Wiederholgenauigkeit deshalb die wichtigste Kennzahl. Lernst du Positionen von Hand ein, umgehst du alle systematischen Fehler des Roboters. Der geteachte Punkt ist bereits der reale Punkt, und der Roboter muss ihn nur wiederfinden. Serienfertigung mit festen Positionen, Palettieren, Maschinenbestücken und Pick-and-Place funktionieren nach diesem Prinzip.

Im Datenblatt steht die Wiederholgenauigkeit als ±-Wert in Millimetern, meist als Pose-Wiederholgenauigkeit nach ISO 9283 gemessen. Sie ist die Genauigkeitsangabe, die in nahezu jedem Datenblatt steht. Die Absolutgenauigkeit fehlt dort meist.

Wiederholgenauigkeit, Positioniergenauigkeit und Absolutgenauigkeit im Unterschied

Wiederholgenauigkeit misst das Wiederfinden eines bekannten Punktes. Positioniergenauigkeit misst die Abweichung zwischen der programmierten Soll-Position und dem real erreichten Punkt. Als Faustregel arbeitet ein Standard-Industrieroboter rund 0,1 Millimeter wiederholgenau, aber nur etwa 1 Millimeter absolutgenau. Der Begriff Positioniergenauigkeit wird oft synonym zu Absolutgenauigkeit verwendet. Die ISO-Kenngröße Pose-Genauigkeit umfasst zusätzlich die Orientierung.

Ein Roboter kann hervorragend wiederholgenau sein und trotzdem systematisch daneben liegen. Unkalibrierte Roboter erreichen häufig nur 1 bis 3 Millimeter Absolutgenauigkeit. ABB beziffert die Differenz zwischen dem idealen Rechenmodell und dem realen Roboter in seinem Produktblatt zur Absolutkalibrierung sogar auf üblicherweise 8 bis 15 Millimeter.

Die Ursache liegt im Unterschied zwischen Modell und Maschine. Die Steuerung rechnet mit einer idealen Kinematik, der reale Arm weicht davon ab. Fertigungstoleranzen in den Gliedern, Justagefehler der Achsen, Getriebespiel und die Durchbiegung unter Last summieren sich. Beim Teachen bleibt das folgenlos, weil der reale Punkt gespeichert wird. Relevant wird die Absolutgenauigkeit, sobald Positionen aus CAD-Daten (CAD steht für Computer-Aided Design, also rechnergestützte Konstruktion) oder einer Offline-Programmierung stammen. Diese Koordinaten beziehen sich auf das ideale Modell.

Bahngenauigkeit: wenn der Weg zählt und nicht der Punkt

Bahngenauigkeit beschreibt die Präzision, mit der ein Roboter einer programmierten Bahn folgt, während er sich bewegt. Die Punktgenauigkeit im Stillstand hilft wenig, sobald das Werkzeug unterwegs arbeitet. Beim Schweißen, Kleben, Dosieren, Lackieren und bei der Laserbearbeitung entsteht das Ergebnis entlang der gesamten Bahn. ISO 9283 unterscheidet deshalb die Bahngenauigkeit von der Bahn-Wiederholgenauigkeit, also der Streuung mehrerer Bahndurchläufe.

Die Anforderungen an die Bahn sind oft strenger als an den Punkt. Präzises Laserschweißen verlangt Bahnabweichungen unter 0,1 Millimetern, wie Michael Garstenauer vom Steuerungshersteller Keba im Fachmagazin all-electronics erläutert. Herstellerangaben zur Bahngenauigkeit sind allerdings selten. Die meisten Datenblätter nennen nur die Pose-Wiederholgenauigkeit, und die Bahnwerte hängen stark von Geschwindigkeit und Last ab.

Suchst du einen Roboter mit hoher Bahngenauigkeit, liefert der Datenblattvergleich allein deshalb nur einen groben Anhaltspunkt. Aussagekräftig sind Bahnmessungen unter den eigenen Prozessbedingungen oder Herstellerangaben speziell für bahngeführte Prozesse.

So misst ISO 9283 die Genauigkeit

Die Norm ISO 9283 legt fest, wie Genauigkeitskennwerte von Industrierobotern gemessen werden, damit sie vergleichbar sind. Die Prüfung läuft in einem gedachten Würfel im Arbeitsraum, dessen Lage die Norm vorgibt und dessen Größe vom Arbeitsraum abhängt. Fünf Messpunkte im Testwürfel fährt der Roboter für die Pose-Kennwerte 30-mal an. Für Bahn-Kennwerte durchläuft er die Prüfbahn 10-mal, bei 100, 50 und 10 % der Nenngeschwindigkeit. Beide Prüfungen laufen mit definierter Last.

Aus den Messreihen entstehen die vier zentralen Kennwerte: Pose-Genauigkeit, Pose-Wiederholgenauigkeit, Bahngenauigkeit und Bahn-Wiederholgenauigkeit. Vergleichbar sind zwei Roboter nur bei gleicher Würfelgröße, Prüflast, Geschwindigkeit und Umgebung.

Für die Praxis wichtig: Der Datenblattwert entsteht unter Prüfbedingungen, also im eingeschwungenen Zustand, bei definierter Last und auf der Normbahn. Im realen Betrieb mit kaltem Roboter, wechselnden Lasten und anderen Armstellungen ist der Wert eine Orientierung. Die belastbare Toleranz liefert erst die eigene Messung im Prozess.

Typische Wiederholgenauigkeit nach Robotertyp

Die Spanne reicht von ±0,01 Millimetern bei SCARA-Robotern und kleinen Sechsachsern bis ±0,2 Millimetern bei Palettierrobotern. Dabei hängt die Wiederholgenauigkeit stärker von Baugröße und Bauart ab als vom Hersteller. Kleine, steife Roboter sind genauer als große Ausleger mit hoher Traglast, Cobots (kollaborative Roboter) liegen dazwischen. Die Tabelle zeigt Datenblattwerte gängiger Modelle, vom SCARA-Roboter (SCARA steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm) bis zum Palettierer:

Robotertyp	Typischer Bereich	Beispiele laut Datenblatt
SCARA	±0,01 bis ±0,02 mm	Epson GX8: ±0,015 mm (Achse 3: ±0,01 mm), Epson T3-B: ±0,02 mm
Kleiner Sechsachser (bis ca. 10 kg)	±0,01 bis ±0,03 mm	ABB IRB 1100: 0,01 mm, FANUC LR Mate 200iC: ±0,02 mm (Variante 5L: ±0,03 mm)
Delta-Roboter	±0,02 bis ±0,03 mm	FANUC M-1iA: ab 0,02 mm
Cobot	±0,02 bis ±0,05 mm	AUBO i5: ±0,02 mm, FANUC CRX-10iA: 0,04 mm, UR10e: ±0,05 mm
Mittlerer bis großer Sechsachser	±0,05 bis ±0,1 mm	KUKA KR 60 HA (High-Accuracy-Variante): ±0,05 mm, ABB IRB 6400R: 0,1 mm
Palettierroboter	bis ±0,2 mm	ABB IRB 460: 0,2 mm

Die Cobot-Werte stammen teils direkt aus dem Unchained Robotics Marktplatz, dort stehen sie auf den Produktseiten in den Spezifikationen, etwa beim Agile Robots Yu 5 mit ±0,05 Millimetern. Willst du Modelle vergleichen, filtere im Cobot-Sortiment oder bei den Industrierobotern direkt nach den Spezifikationen.

Auffällig ist die SCARA-Bauart: Vier Achsen und die steife Vertikalführung bringen Werte von ±0,01 bis ±0,02 Millimetern. Mehr dazu steht im Beitrag So arbeitet ein SCARA-Roboter mit seinen vier Achsen. Der Palettierer am anderen Ende der Tabelle zeigt zugleich, dass hohe Genauigkeit kein Selbstzweck ist. Dass ABB seinen Palettierer IRB 460 ab Werk mit 0,2 Millimetern spezifiziert, zeigt den realen Bedarf dieser Anwendung.

Sind Cobots ungenauer als Industrieroboter?

Cobots sind beim reinen Datenblattwert gleichauf. Ein UR10e steht mit ±0,05 Millimetern nach ISO 9283 auf dem Niveau vieler klassischer Sechsachser mittlerer Baugröße. Kompakte Cobots wie der AUBO i5 erreichen ±0,02 Millimeter. Die verbreitete Aussage, Industrieroboter seien grundsätzlich genauer, bestätigt sich in der Pose-Wiederholgenauigkeit also nur teilweise.

Der reale Unterschied liegt woanders. Industrieroboter sind steifer gebaut und halten ihre Genauigkeit auch bei hoher Geschwindigkeit, voller Traglast und auf langen Bahnen. Cobots sind auf Nachgiebigkeit und Sicherheit ausgelegt, ihre Sicherheitsfunktionen begrenzen Tempo und Dynamik. Unter Prozesslast und in der Bahntreue macht sich das bemerkbar, auch wenn der Katalogwert gleich aussieht. Eine Einordnung beider Bauarten mit Kosten und Einsatzfeldern gibt der Überblick Was ist ein Cobot? Vorteile, Nachteile und Kosten.

Was die Genauigkeit im Betrieb beeinflusst

Temperatur, Traglast und Geschwindigkeit, Getriebespiel, Armstellung und Aufstellung ziehen die Genauigkeit im Betrieb unter den Datenblattwert, der unter kontrollierten Prüfbedingungen entsteht:

• Temperatur: Ein kalter Roboter trifft schlechter. Eine Untersuchung in der Fachzeitschrift Applied Sciences zeigt, dass Temperaturwechsel die Wiederholgenauigkeit um bis zu eine Größenordnung verschlechtern können. Im eingeschwungenen Zustand kann der Roboter dagegen deutlich besser abschneiden als sein Datenblattwert. Präzisionsanwendungen planen deshalb Aufwärmzyklen ein.
• Traglast und Geschwindigkeit: Mit steigender Last biegt sich der Arm stärker durch, mit steigendem Tempo wachsen die dynamischen Abweichungen. Messungen zeigen Verschlechterungen bereits oberhalb von etwa 50 % der Nenngeschwindigkeit.
• Getriebespiel: Spiel in den Achsgetrieben wirkt über die Armlänge als Hebel. Schon 3 Winkelminuten Umkehrspiel an einer Achse mit 500 Millimetern Hebelarm ergeben rund 0,44 Millimeter Abweichung am Werkzeug.
• Armstellung: Am Rand des Arbeitsraums, mit gestrecktem Arm, sinkt die Steifigkeit und damit die Genauigkeit. Dieselbe Aufgabe nahe am Sockel läuft präziser.
• Aufstellung: Ein Roboter auf einem schwingenden Gestell oder unebenem Fundament verliert Genauigkeit schon durch den Unterbau.

Bei der Fehlersuche im Betrieb prüfst du darum zuerst Temperaturgang, Lastwechsel, Aufstellung und die Vermessung des Werkzeugmittelpunkts, bevor die Mechanik in Verdacht gerät.

Kalibrierung: vom Werkzeugmittelpunkt bis zur Absolutkalibrierung

Kalibrierung ist der Abgleich zwischen dem Rechenmodell der Steuerung und der realen Maschine, und sie beginnt beim Werkzeug. Der Werkzeugmittelpunkt (Tool Center Point, kurz TCP) bildet den Wirkpunkt, auf den sich jede Genauigkeitsangabe bezieht. Ist der TCP falsch vermessen, wirkt sich dieser Fehler auf jede angefahrene Position aus. Wie die TCP-Vermessung Schritt für Schritt funktioniert, zeigt der Beitrag Den Werkzeugmittelpunkt (TCP) verstehen.

Die Absolutkalibrierung setzt eine Stufe höher an. Ein Lasertracker vermisst den realen Roboter in vielen Posen, und aus den Abweichungen entsteht ein korrigiertes Modell in der Steuerung. ABB kompensiert bei seiner Absolutkalibrierung rund 40 Parameter je Roboter, von der Geometrie bis zur Durchbiegung. Nach eigener Angabe erreicht ABB damit etwa 0,5 Millimeter Absolutgenauigkeit im gesamten Arbeitsbereich. Eine unabhängige Untersuchung bestätigt die Größenordnung an einem ABB IRB 1600. Die Lasertracker-Kalibrierung senkte dort den mittleren Positionsfehler von 0,97 auf 0,36 Millimeter und den Maximalfehler von 2,16 auf 0,70 Millimeter.

Nötig ist das nur, wenn programmierte Koordinaten stimmen müssen: bei Offline-Programmierung aus CAD-Daten, beim Robotertausch mit übernommenen Programmen oder bei vermessungsgeführten Prozessen. Die Messtechnik dafür bleibt Spezialistensache. Allein ein Lasertracker kostet über 100.000 Euro, entsprechend wird Absolutkalibrierung meist als Dienstleistung oder Werksoption eingekauft. KUKA fertigt mit den HA-Baureihen zusätzlich Roboter, die ab Werk auf hohe Genauigkeit justiert sind.

Wie viel Genauigkeit deine Anwendung wirklich braucht

Palettieren kommt mit ±0,2 Millimetern aus, Steckmontage arbeitet mit Bauteiltoleranzen um 0,5 Millimeter, Laserschweißen verlangt unter 0,1 Millimeter Bahnabweichung. Genauigkeit kostet Geld, darum lohnt vor der Auswahl der Blick auf den tatsächlichen Bedarf deines Prozesses:

Anwendung	Genauigkeitsbedarf	Einordnung
Palettieren und Verpacken	±0,2 mm genügen	ABB spezifiziert den Palettierer IRB 460 ab Werk mit 0,2 mm
Maschinenbestücken, Pick-and-Place	unkritisch bei geteachten Positionen	Spannvorrichtungen fangen Abweichungen auf
Fügen und Montage	ab ±0,03 mm komfortabel	Steckmontage arbeitet mit Toleranzen um 0,5 mm
Schweißen, Kleben, Lasern	Bahngenauigkeit zählt, Laserschweißen unter 0,1 mm	Das Ergebnis entsteht entlang der Bahn, der Posewert ist nur ein Anhaltspunkt
Messen, Prüfen, Bearbeiten	Hundertstel bis unter zehn Mikrometer	Verlangt Kalibrierung, externe Messtechnik oder eine andere Maschinenklasse

Beim Fügen und Montieren entscheidet das passende Werkzeug mit. Einen Überblick gibt der Beitrag Welche Arten von Endeffektoren gibt es für Industrieroboter.

Die Reihenfolge bei der Auswahl ist damit klar. Erst den Prozess und seine Toleranz beziffern, dann die passende Bauart wählen, zuletzt das Modell nach Datenblatt vergleichen. Kaufst du umgekehrt zuerst das genaueste Modell, bezahlst du oft Präzision, die dein Prozess ungenutzt lässt.

Häufige Fragen

Was bedeutet Wiederholgenauigkeit bei einem Roboter?

Wiederholgenauigkeit gibt an, wie exakt ein Roboter eine bereits angefahrene Position beim erneuten Anfahren wieder erreicht. Sie wird nach ISO 9283 gemessen und steht als ±-Wert in Millimetern im Datenblatt. Typische Werte liegen zwischen ±0,01 Millimetern bei kleinen Robotern und ±0,2 Millimetern bei Palettierrobotern.

Was ist der Unterschied zwischen Wiederholgenauigkeit und Absolutgenauigkeit?

Wiederholgenauigkeit misst das Wiederfinden eines geteachten Punktes, Absolutgenauigkeit das Treffen einer neu programmierten Koordinate. Ein Standardroboter arbeitet rund 0,1 Millimeter wiederholgenau, aber unkalibriert nur 1 bis 3 Millimeter absolutgenau. Der Grund: Das Rechenmodell der Steuerung weicht vom realen Arm ab.

Wie genau ist ein Industrieroboter?

Kleine Sechsachser und SCARA-Roboter wiederholen Positionen auf ±0,01 bis ±0,03 Millimeter. Mittlere und große Sechsachser erreichen ±0,05 bis ±0,1 Millimeter, Palettierroboter etwa ±0,2 Millimeter. Die Absolutgenauigkeit liegt unkalibriert deutlich darüber, häufig bei 1 bis 3 Millimetern.

Sind Cobots ungenauer als klassische Industrieroboter?

Cobots sind im Datenblattwert gleichauf: Sie erreichen ±0,02 bis ±0,05 Millimeter Wiederholgenauigkeit und stehen damit auf dem Niveau vieler Sechsachser. Industrieroboter behalten ihre Genauigkeit aber auch bei hoher Geschwindigkeit, voller Last und auf langen Bahnen, weil sie steifer gebaut sind.

Was ist ISO 9283?

ISO 9283 ist die Norm für die Leistungskennwerte von Industrierobotern. Sie definiert unter anderem Pose-Genauigkeit, Pose-Wiederholgenauigkeit und Bahngenauigkeit. Das Messverfahren legt sie ebenfalls fest: fünf Punkte in einem Testwürfel, 30 Messzyklen, definierte Last und Geschwindigkeit. Nur unter gleichen Prüfbedingungen sind Werte zweier Roboter vergleichbar.

Was bringt eine Absolutkalibrierung?

Eine Absolutkalibrierung vermisst den realen Roboter mit einem Lasertracker und korrigiert das Modell in der Steuerung. ABB gibt nach der Kalibrierung etwa 0,5 Millimeter Absolutgenauigkeit im gesamten Arbeitsbereich an. In einer unabhängigen Untersuchung an einem IRB 1600 senkte die Lasertracker-Kalibrierung den mittleren Fehler von 0,97 auf 0,36 Millimeter. Sinnvoll ist das bei Offline-Programmierung und CAD-basierten Koordinaten.

Warum erreicht mein Roboter die Datenblatt-Genauigkeit nicht?

Der Datenblattwert gilt unter Prüfbedingungen nach ISO 9283. Im Betrieb verschlechtern kalter Zustand, Temperaturwechsel, hohe Geschwindigkeit, volle Traglast, gestreckte Armstellung, Getriebespiel und eine weiche Aufstellung das Ergebnis. Prüfe bei Abweichungen zuerst Temperaturgang, Lastwechsel, Aufstellung und die Vermessung des Werkzeugmittelpunkts.