ISW der Universität Stuttgart erforscht...

Die Potentiale der roboterbasierten Bearbeitung

In diesem Fachbeitrag werden die Potentiale der roboterbasierten Bearbeitung anhand der Roboterzelle am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) - Universität Stuttgart aufgezeigt.

Im heutigen Produktionsalltag haben sich Industrieroboter als fester Bestandteil etabliert. Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie dem großen Arbeitsraum, der hohen Flexibilität und den verhältnismäßig geringen Investitionskosten nimmt ihr Einsatz stetig zu. Einhergehend mit dieser Entwicklung übernehmen Industrieroboter zunehmend auch Aufgaben mit spanender Bearbeitung. In diesem Fachbeitrag werden die Potentiale der roboterbasierten Bearbeitung anhand der Roboterzelle am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) - Universität Stuttgart aufgezeigt.

Roboterfräsen an der Uni Stuttgart

Neben dem Fügen, Beschichten oder sogar Trennverfahren wie Schleifen, Sägen oder Schneiden sollen sogenannte Bearbeitungsroboter künftig auch fräsen können. Dies ist zwar prinzipiell schon möglich, jedoch nur mit großen Limitierungen, wie zum Beispiel: Die auftretenden Prozesskräfte müssen klein sein oder die erreichbaren Genauigkeiten sind gering beziehungsweise die geforderten Toleranzen müssen sehr grob gewählt werden. Augenblicklich können die Nachteile der seriellen Roboterstruktur nicht ausreichend kompensiert werden. Hinzu kommt, dass die Bearbeitungsqualität des Werkstücks stark von der eingenommenen Gelenkstellung des Roboters abhängt. Betrachtet man den Bearbeitungsroboter jedoch als sinnvolle Ergänzung zur Werkzeugmaschine, dann steht vielmehr das maximal erreichbare Abtragsvolumen (Schruppen) im Vordergrund. Dadurch können kostenintensive Bearbeitungen mit Werkzeugmaschinen auf die Endbearbeitung reduziert werden. Und die aufgeführten Hürden verlieren an Relevanz für den Einsatz von Bearbeitungsrobotern.

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Redundanz birgt Potenzial

Beim Fräsen werden dem Roboter kartesische Punkte durch Angabe von Position und Orientierung vorgegeben. Der Drehwinkel um die Werkzeugachse verändert dabei weder Position noch Orientierung am Zielpunkt und kann somit als offener Freiheitsgrad genutzt werden, um den Bearbeitungsroboter mit unterschiedlichen Gelenkstellungen zu denselben Punkten mit identischer Orientierung zu verfahren. Stehen bei der Bearbeitungszelle noch weitere Zusatzachsen (Linearachse unter dem Roboter und Drehtisch zur Werkstückaufspannung) zur Verfügung, können die daraus resultierenden Möglichkeiten bei der Wahl der Gelenkstellungen ausgenutzt werden, um das maximal mögliche Abtragsvolumen zu erreichen. Hintergrund: Der serielle Aufbau beeinflusst die kartesische Steifigkeit am Tool-Center-Point (TCP) je nach Gelenkstellung der Roboterstruktur. Diese ist neben der statischen Abdrängung maßgebend für die Schwingungsanfälligkeit. Beim Fräsen einer identischen Geometrie in Aluminium ist der Zusammenhang zwischen der Fräsrichtung und dem resultierendem Ergebnis bereits optisch festzustellen. Auch hier kann die Redundanz des Roboters ausgenutzt werden, um die Bearbeitungsrichtung so zu wählen, dass der Einfluss des Fräsprozesses zu keinen kritischen Anregungen führt.

Richtungsabhängigkeit beim Fräsen

Neben dem Potential, die Produktivität des Bearbeitungsroboters durch die Ausnutzung der Redundanz zu erhöhen, haben zusätzliche Achsen jedoch primär einen ganz anderen Vorteil: der fast beliebig erweiterbare Arbeitsraum. Roboter auf Linearachsen werden bereits eingesetzt, um an Flugzeugen oder Schiffsteilen Bearbeitungen durchzuführen. Der damit erreichbare Arbeitsraum von Bearbeitungsrobotern ist somit nahezu uneingeschränkt.Die Absolutgenauigkeit bei der Positionierung wird durch die Integration weiterer Achsen jedoch negativ beeinflusst, so dass zusätzliche Messsysteme oder andere Maßnahmen zur Sicherung der Toleranzeinhaltung notwendig werden können. Ein weiterer Vorteil von acht Achsen bei der Fünfachs-Bearbeitung ist die sich daraus ergebende Flexibilität.

Komplexe Programmierung?

Bereiche des Bauteils können aufgrund der redundanten Kinematik mit verschiedenen Gelenkstellungen erreicht werden. Ist also eine nicht frei zugängliche Stelle am Bauteil zu bearbeiten, ist dies mit einem Bearbeitungsroboter und zusätzlichen Achsen leichter umsetzbar als mit konventionellen Werkzeugmaschinen.

Bereits die Programmierung von herkömmlichen Industrierobotern setzt Fachpersonal voraus. Somit ist es naheliegend bei der Programmierung von Bearbeitungsrobotern von höheren Ansprüchen auszugehen. Dies ist jedoch nicht immer richtig. Roboterhersteller haben das Potenzial erkannt und stellen neben der komfortablen Integration von Zusatzachsen auch spezielle Technologiepakete zur Verfügung, mit deren Hilfe sich Bearbeitungsroboter wie Werkzeugmaschinen programmieren lassen. Somit ist es möglich die Programmierung von Bearbeitungsrobotern mithilfe von G-Code nach DIN 66025/ISO 6983 zu realisieren. Dadurch bedarf es kein Umlernen des Personals oder gar die Neuausbildung von Fachkräften. Das erleichterte Programmieren von Bearbeitungsrobotern ist jedoch nicht der einzige Grund für den Einsatz solcher Technologiepakete. Auch Funktionen wie Werkzeugradiuskorrektur, Diskordanzen-Reduktion sowie Methoden zur Bahnplanung und –manipulation werden dadurch ergänzt.

Die dafür notwendige numerische Steuerung (numeric control – NC) steuert dann den Bearbeitungsroboter so, dass nicht mehr das Anfahren der Zielpunkte allein, sondern auch die Einhaltung der Bahn zum Erreichen des Zielpunktes unter Beibehaltung einer konstanten Bahngeschwindigkeit sichergestellt wird. Verwendet man zusätzlich noch sogenannte CAM-Tools (computer-aided-manufacturing), lässt sich der notwendige G-Code für Mehrachssysteme, wie ein Bearbeitungsroboter mit zusätzlichen Achsen es darstellt, direkt aus der CAD-Zeichnung ableiten. Hierbei erfolgen zugleich die Prüfung der Erreichbarkeit mit dem Bearbeitungsroboter, die Überprüfung auf singuläre Stellungen, welche zur Abnahme der programmierten Bahngeschwindigkeit führen würden, sowie die Ermittlung möglicher Kollisionen. Durch die Verwendung einer solchen CAx-Kette stellt die Programmierung eines Bearbeitungsroboters kein hohes Hindernis mehr dar. Im Gegenteil die Verwendung von CAx-Ketten ist im Bereich der Werkzeugmaschinen bereits verbreitet und der Bearbeitungsroboter kann vom Bediener wie eine Werkzeugmaschine behandelt werden.

Mehr als nur bearbeiten

Die Fräsbearbeitung erfordert oftmals zahlreiche Schritte vorher und im Nachgang. Hier können Bearbeitungsroboter erneut im Vergleich zu Werkzeugmaschinen punkten. Die bereits hohe Flexibilität des Roboters erhöht sich noch weiter durch die Verwendung unterschiedlicher Endeffektoren. Mithilfe von automatischen Werkzeugwechslern kann so der gesamte Prozess vollautomatisiert ablaufen. Die große Vielfalt an Greifern ermöglicht die universelle Handhabung und Platzierung der Werkstücke, die dann mithilfe von Vision-Systemen vermessen werden. Somit steht dem Roboter die Position und Orientierung des Werkstücks zur Verfügung.

Ein zusätzlicher Vorteil hierbei ist, dass die, im Vergleich zur Absolutgenauigkeit, höhere Wiederholgenauigkeit des Roboters ausgenutzt werden kann. Vorarbeiten wie das Vorbohren erlauben dann, dass die eigentliche Bearbeitung verzögerungsfrei ablaufen kann. Im Anschluss sind Nachbearbeitungen wie Gewindeschneiden, Gravieren, Entgraten, Bauteilvermessung zur Qualitätssicherung oder komplexere Arbeiten, wie das automatisierte Bestücken von Schaltschränken mit elektrischen bzw. mechanischen Komponenten, vom Roboter umsetzbar. Die aufgezeigte Flexibilität macht den Bearbeitungsroboter, wie er beispielsweise am ISW verfügbar ist, zu einer vollautomatisierten Fertigungszelle, die neben Bauraum- auch Zeit- und Kosteneinsparung bringt. Ali Karim, Prof. Dr. Alexander Verl /ee

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