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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Kompensation der thermischen Drift für einen Bruchteil der Kosten

Für eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Heizsystems wird die Testreihe erneut durchgeführt. Zum Zeitpunkt t = 0 min wird ein Referenzbauteil gefertigt. Danach werden die Heizsysteme für t = 11 min verwendet und gewartet, bis der stationäre Zustand nach t = 20 min erreicht ist. Im stationären Zustand wird ein weiteres Bauteil gefertigt.

Ein Vergleich der Drift durch das Heizsystem mit dem im Normalbetrieb auftretenden Fehler zeigt, dass die Drift des Heizsystems mit der der normalen Erwärmung vergleichbar ist. Mit den Heizmatten erzeugt man einen thermisch bedingten Fehler von ΔAP_t = 0,234 mm in t = 20 min.

Die erzielte Fehlerabweichung der Drift der Eigenerwärmung zur beheizten Variante ist nur minimal und beträgt ΔAP = 0,04 mm. Die Investitionskosten (K_I) von bis zu 120 TSD Euro für einen Lasertracker stehen den K_I von rund 5000 Euro für das Oberflächenheizmatten-System gegenüber.

Diese Lösung spart bis zu 97 % der Investitionskosten. Demgegenüber stehen Stromkosten für die Nutzung des Systems (K_S) von rund 0,23 Euro/h. Für den durchgeführten Realversuch waren zum Aufheizen nur t = 11 min nötig. Demnach entstehen pro Aufheizung Kosten (K) von 0,04 Euro. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass erst nach rund 2.875.000 Aufwärmzyklen (z) die Mehrkosten (K_M) von 115 TSD Euro für einen Lasertracker erreicht sind.

Driftkorrektur nur am Anfang des Zerspanungsprozesses nötig

Geht man davon aus, dass in einem normalen 5-Tages-Betrieb, in einem mittelständischen Unternehmen, ein Robotersystem täglich ein Mal aufgeheizt werden muss, gleichen sich die Kosten K nach 2.875.000 Tagen respektive 7877 Jahren aus.

Weiter muss betrachtet werden, dass durch die lange Aufwärmphase der Fehler stetig über einen Arbeitstag von t = 8 h zunimmt. Erst nach t = 10 h wird aber ein stationärer Zustand erreicht. Somit muss es ohne Heizsystem zwangsläufig innerhalb des Prozesses zu Standzeiten für die Kalibrierung kommen. Dabei kann man von etwa t_S = 48 min reiner Kalibrierzeit an einem Arbeitstag von t = 8 h ausgehen. Das heißt, in einem Jahr muss mit einem Stillstand (t_S) von 26 Tagen gerechnet werden! Im Vergleich dazu ergibt sich mit Heizen ein Stillstand t_S von 10 Tagen im Jahr. So kann an 16 Tagen mehr im Jahr produziert werden. Das Ergebnis macht das große wirtschaftliche Potenzial der angestrebten Lösung klar.

Das zeigt, dass gezieltes Heizen der Roboterstruktur eine schnellere, wirtschaftlichere und präzisere Fertigung mit dem Roboter ermöglicht. Das entwickelte System versetzt den Roboter schnell in einen thermisch stationären Zustand. Die Drift muss nur am Prozessbeginn korrigiert werden. Dann sind keine weiteren Korrekturen nötig. Vor allem für kleine- und mittelständische Unternehmen ist das eine große Chance, um Robotersysteme für eine exakte und flexible Fertigung zu integrieren. Waren bisher relativ teure, komplizierte Alternativen nötig, um die thermischen Einflüsse zu kompensieren, so ist das neu entwickelte System viel günstiger und einfacher zu bedienen. MM

Literatur

[1] Beyer, L.: Genauigkeitssteigerung von Industrierobotern. Forschungsberichte aus dem Laboratorium Fertigungstechnik. Hrsg.: Wulfsberg, J., Aachen: Shaker, 2005.

[2] Ehm, A.: Mechanische Bearbeitung mit Industrierobotern in der automobilen Serienproduktion. Darmstadt: PT/TVM. 2014.

[3] Gräser, R.-G.: Ein Verfahren zur Kompensation temperaturinduzierter Verformungen an Industrierobotern. Forschungsberichte IWB. Hrsg.: Reinhart, G., München: Utz1999.

[4] Mohnke, C.; Reinkober, S.; Uhlmann, E.: Constructive methods to reduce thermal influences on the accuracy of industrial robots. Procedia Manufacturing 33 (2019), S. 19 – 26.

[5] Puzik, A.: Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik. IPA-IAO Forschung und Praxis. Hrsg.: Westkämper, E., Heimsheim: Jost-Jetter, 2011.

[6] Reinkober, S.: Fräsbearbeitung von Nickelbasislegierungen mit Industrierobotern. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg.: Uhlmann, E., Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2018.

[7] Uhlmann, E.; Reinkober, S.; Mohnke, C.: Individuelle Fertigung durch den Einsatz von Industrierobotern. wt Werkstatt online 7/8 (2016) 106, S. 470 – 476.

* Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Dr.-Ing. Julian Polte ist Abteilungsleiter im Bereich Fertigungstechnologien und Christian Mohnke M. Sc. ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter. Weitere Informationen: Ch. Mohnke: Tel. (030) 30006354, christian.mohnke@ipk.fraunhofer.de, www.ipk.fraunhofer.de

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