Ausgleichskinematik für Roboter steigert Fräsgenauigkeit

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Fraunhofer-Institut IPA Produktionstechnik und Automatisierung

Weil Piezoaktoren prinzipbedingt nur mit sehr kleinen Hüben arbeiten, wurden sie mit Festkörpergelenken kombiniert. Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen Anwendung Wege bis zu 690 μm realisieren.

Robotersystem bekommt Kinematik mit Genauigkeit im Nanometerbereich

Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik in allen drei Achsen liegt dabei im Nanometerbereich. Die Festkörpergelenke zur Kraft- und Bewegungsübertragung arbeiten ebenfalls verschleißfrei und wartungsarm. Außerdem sind sie leichter, leiser, steifer, dynamischer und genauer als konventionelle Ausgleichsmechanismen.

In den bisherigen Versuchen wurden sowohl die Verwendung des CNC-Roboters für allgemeine Fräsaufgaben verifiziert als auch die Potenziale der hochgenauen Bearbeitung ermittelt. Mit der ersten Stufe des Maschinenkonzeptes, also dem Roboter mit CNC, wurden bisher Drei-Achs-Bearbeitungsprozesse durchgeführt.

Die Ertüchtigung auf Fünf-Achs-Betrieb wird aktuell durchgeführt. Der Roboter ist in der Lage, CNC-Programme nach DIN 66025 abzuarbeiten und einfache Taschen und komplexe Freiformflächen abzufahren. Zur Programmerzeugung wird die CAM-Software Powermill von Delcam verwendet.

Tests mit der Ausgleichskatorik wurden in Aluminium durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit folgenden Schneidparametern erzielt: Radial- beziehungsweise Axialzustellung von 1 oder 10 mm, Drehzahl von 30.000 min^-1, sechsschneidiger Schaftfräser mit 12 mm Durchmesser. In diesen Versuchen konnte gezeigt werden, dass eine hochgenaue Bearbeitung möglich und das Konzept funktionsfähig ist. Die statische Zustellung (Absolutgenauigkeit) und die dynamische Oberflächenwelligkeit konnten gegenüber dem Stand der Technik in diesen Versuchen erheblich reduziert werden.

Auch großvolumige Teile können bearbeitet werden

Industrieroboter, die zur spanenden Endbearbeitung geeignet sind, stellen bei geringer Anlageninvestition eine vielseitig nutzbare Fertigungseinrichtung dar. In der in Bild 1 (siehe Bildergalerie) dargestellten Anlagenkonfiguration kann der Roboter nicht nur die Bearbeitung durchführen, sondern übernimmt zusätzlich noch das Bauteilhandling. Ein gesonderter Handlingroboter zur Anbindung an die Linie entfällt.

In der alternativen Anlagenkonfiguration wird die Spindel vom Roboter geführt, dies ermöglicht auch die Bearbeitung großvolumiger Werkstücke. Flugzeugspanten, Faserverbund-Formen oder Faserverbund-Werkstücke können in einem Arbeitsbereich von 2000 mm oder mehr bearbeitet werden. Bei Verwendung entsprechender Portallösungen kann der hochgenaue Arbeitsbereich noch viel weiter vergrößert werden, ein entsprechendes Messsystem vorausgesetzt. Insbesondere im zweiten Fall ist die Anlageninvestition für ein Fräsrobotersystem deutlich geringer als für ein entsprechend notwendiges großvolumiges Bearbeitungszentrum.

Roboter kann direkt in IT-Umgebung integriert werden

Ein weiterer Nutzen ist die direkte Integration in die bestehende IT-Umgebung sowie in die bestehende Bedienungs- und Wartungsinfrastruktur. Die Bediener der Werkzeugmaschinen erlernen die Bedienung des CNC-Roboters in kurzer Zeit.

Die weiteren Arbeiten zielen für den Roboter mit CNC auf die Erhöhung der Ausgangsgenauigkeit sowie auf die tiefe Integration in den Arbeitsfluss ab. Geometrische Fehlermodelle und Antastsysteme zum Einmessen des Werkstücks werden integriert. Für die Integration von Messsystem und Ausgleichskinematik werden die Verfügbarkeit und die Fertigungsgenauigkeit erhöht. Dort steht die Regelungstechnik im Vordergrund.

* Dipl.-Ing. Arnold Puzik und Dipl.-Ing. Manuel Drust sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. WDie in diesem Beitrag dargestellten Entwicklungen wurden zum Teil durch das Forschungsprojekt im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert.

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