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Roboterbasiertes Kragenziehen

Industrieroboter eingesetzt als Werkzeugmaschine

| Autor/ Redakteur: Eckart Uhlmann, Markus Bambach, Julian Blumberg und Johannes Buhl / Mag. Victoria Sonnenberg

Am Beispiel des inkrementellen Umformens zeigen Forscher des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin sowie des Lehrstuhls für Konstruktion und Fertigung KUF der BTU Cottbus-Senftenberg, wie der Industrieroboter als Werkzeugmaschine zum Einsatz kommen kann.

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Bild 1: Industrieroboter als werkzeugführende Einheit für das inkrementelle Blechumformen.
Bild 1: Industrieroboter als werkzeugführende Einheit für das inkrementelle Blechumformen.
(Bild: IWF, TU Berlin)

Verkürzte Produktlebenszyklen bei gleichzeitiger Forderung nach individuellen
Produkteigenschaften erfordern höchst produktive und flexibel einsetzbare Werkzeugmaschinen zur Fertigung kleiner Losgrößen. Industrieroboter (IR), ursprünglich entwickelt für die Automatisierung von Pick-and-place sowie Montagearbeiten, ermöglichen die flexible Bearbeitung von Bauteilen in einem großen Arbeitsraum sowie von schwer zugänglichen Bauteilmerkmalen. Die geringen Investitionskosten, der zur Verfügung stehende Arbeitsraum sowie die universelle Endeffektorschnittstelle motivieren viele Forschungsaktivitäten zur Erweiterung des Einsatzgebietes von IR für die spanende sowie umformende Bearbeitung.

Die hohen Prozesskräfte FP führen bedingt durch die geringe Steifigkeit k eines 6-Achs-Roboters zu einer ungewollten Werkzeugabdrängung mit negativem Einfluss auf die Fertigungsgenauigkeit TF. Ein konventioneller Umformprozess zum Einbringen von Kragen erfordert ein bauteilspezifisches Umformwerkzeug, bestehend aus Stempel, Blechalter und Matrize, sowie eine hohe axiale Zustellkraft Fa. Die geforderten Fertigungsgenauigkeiten TF können von einem IR unter der gegebenen axialen Zustellkraft Fa nicht eingehalten werden, was den bisherigen Einsatz von IR für konventionelle Umformprozesse nicht ermöglicht. Eine deutliche Reduktion der Prozesskraft FP kann durch den Einsatz inkrementeller Verfahren erreicht werden, bei denen ein universelles Stiftwerkzeug schrittweise das Blech umformt.

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Forschungsaktivitäten des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin sowie des Lehrstuhls für Konstruktion und Fertigung KUF der BTU Cottbus-Senftenberg fokussieren daher die Entwicklung von Werkzeugen, Umformstrategien und Kompensationsmethoden mit dem Ziel der Optimierung von Prozesszeit tP und Fertigungsgenauigkeit TF. Der vorliegende Fachbeitrag präsentiert das Fertigungsverfahren inkrementelles Kragenziehen mit Industrieroboter geführtem Umformwerkzeug und zeigt die Vorteile bei kleinen Losgrößen für den Anwender. Die Ergebnisse zeigen die grundsätzliche Realisierbarkeit des Verfahrens. Anhand der ermittelten Prozesskräfte FP sowie des im Eingriff gemessenen Werkzeugweges werden die aktuellen Verfahrensgrenzen diskutiert sowie Ansätze zur Verbesserung aufgezeigt.

Inkrementelles Kragenziehen

Bei einer Vielzahl heutiger Bauteile beinhaltet die Prozesskette zur Fertigung des Bauteils Abkant- oder Kragenziehoperationen. Diese Prozessschritte erzeugen wichtige funktionsbestimmende Bauteilelemente, die beispielsweise dazu benötigt werden geforderte Steifigkeiten zu gewährleisten sowie unauffällige Formschlüsse oder Positionierungshilfen bei der Montage zu ermöglichen [KUM99, LIV00]. Die Erzeugung von Kragen an Blechen, Rohren und Profilen wird derzeit nahezu ausschließlich mit Stempel und Matrize realisiert. Dieses Fertigungsverfahren stößt jedoch bei Bauteilen mit ungünstigem Längen-Durchmesser-Verhältnis L/D sowie bei gekrümmten Bauteilen, bedingt durch die Positionierung der Matrize im Inneren des Bauteils, an seine Verfahrensgrenzen.

Darüber hinaus limitieren die kostenintensiven formgebundenen Werkzeuge sowie das geringe Aufweitverhältnis β (vergleiche Bild 2) bei hochfesten Stählen die Anwendbarkeit konventioneller Kragenziehprozesse. Beim inkrementellen Kragenziehen mit stiftförmigem Werkzeug kann der Anwendungsbereich deutlich erweitert werden. Dabei wird ein universelles Stiftwerkzeug kontinuierlich auf einem Pfad bewegt und das vorgelochte Blech schrittweise umgeformt. Vorteile ergeben sich durch die Reduktion der aktuell erforderlichen Werkzeuginvestitionen sowie durch die Möglichkeit Kragen an schwer zugänglichen Bauteilbereichen einzubringen. Durch den möglichen Verzicht auf eine Matrize können Kragen an vorumgeformten Blechen mit einseitiger Zugänglichkeit eingebracht werden. Zudem sind deutlich höhere Aufweitverhältnisse β sowie unterschiedliche Umformstrategien hinsichtlich der Blechaufweitung realisierbar (vergleiche Bild 2).

Bambach et al. [1] konnten anhand von experimentellen Untersuchungen die Machbarkeit des inkrementellen Kragenziehens bei einer Blechstärke von s = 1 mm nachweisen. Mit der in Bild 2 b) gezeigten Umformstrategie wurden Aufweitverhältnisse von β > 5 erreicht. Zudem konnten Besong et al. [2] zeigen, dass für den schwer umformbaren Werkstoff EN AW-6181-T1 das inkrementelle Kragenziehen höhere Aufweitverhältnisse β im Vergleich zum konventionellen Kragenziehen ermöglicht (β > 2 gegenüber βkonv = 1,48). Um die aktuell hinsichtlich Arbeitsraum und Werkstückzugänglichkeit gegebenen Prozessgrenzen zu erweitern, stellt die Nutzung eines IR zur Werkzeugführung einen aussichtsreichen Ansatz dar. Darüber hinaus sind die geringeren Investitionskosten eines IR gegenüber einer CNC-Fräsmaschine sowie die Möglichkeit die applizierten Prozesskräfte FP zu regeln und eine optimierte Umformoperation durchzuführen hervorzuheben.

Industrieroboter als werkzeugführende Einheit

Eine Erweiterung des Anwendungsgebietes von IR auf Fertigungsverfahren wie Schweißen, Fräsen und Umformen, ermöglicht eine flexible Produktionsadaptierung bei sich ändernden Produktanforderungen. Der Endeffektor des IR kann durch die offene kinematische Kette frei in seiner Position und Orientierung (Pose) in einem großen Arbeitsraum positioniert werden. Der Flexibilitätsgewinn gegenüber CNC-Fräsmaschinen ist jedoch einhergehend mit einer poseabhängigen Steifigkeit k sowie einer reduzierten Positioniergenauigkeit TP des Systems. Zur Realisierung des inkrementellen Kragenziehens wurden die in Bild 3 gezeigten Werkzeuge und Komponenten verwendet. Bei dem IR handelt es sich um den Typ M 900iB/700 der Firma Fanuc K.K., Oshino, Japan, mit einer maximalen Traglast von FT = 700 kg. Die hier präsentierten Ergebnisse wurden mit Blechen des Werkstoffs EN AW 5754, einer Blechstärke s = 0,8 mm sowie der Strategie nach Bild 2 b) erzielt. Als Umformwerkzeug wurde ein Stift vom Durchmesser d = 12 mm mit einem Spitzenradius von r = 6 mm verwendet.

Zur Erreichung eines Kragendurchmessers von D = 40 mm wurde unter Berücksichtigung des Werkzeugdurchmessers d eine Helixtrajektorie mit dem Radius rth = 14 mm programmiert.

Die Prozesskräfte FP wurden mithilfe eines Dynamometers der Firma Kistler Instrumente AG mit der Spezifikation 9257B gemessen. Um das Nachgiebigkeitsverhalten des IR unter Einwirkung der Prozesskräfte FP zu analysieren, wurden die Trajektorien kraftlos r(FP = 0) und unter Prozesskraft r mithilfe des Lasertrackers Leica AT 960 der Firma Hexagon AB gemessen. Bild 4 zeigt die diskreten Helixradien r sowie die Prozesskraftamplituden FP in X- und Y-Richtung sowie die zeitkontinuierlichen Werte in Z-Richtung des IR. Die Versuche wurden mit einem Blechvorlochdurchmesser von D0 = 30 mm durchgeführt. Der maximale geometrische Fehler eG, definiert als Differenz zwischen dem programmierten Helixradius rth und dem geometrischen Helixradius r(FP = 0), liegt bei eG,x = 0,22 mm in X-Richtung sowie eG,y = 0,13 mm in Y-Richtung. Hinzu kommt ein prozesskraftbedingter Fehler eP, definiert als Differenz zwischen dem geometrischen Helixradius r(FP = 0) und dem prozessbedingten Helixradius r, von eP,x = 0,19 mm in X-Richtung sowie eP,y = 0,58 mm in Y-Richtung. Der geometrische Fehler eG liegt in der Größenordnung der für IR üblichen Positioniergenauigkeit TP. Der prozesskraftbedingte Pfadfehler in Y-Richtung eP,y ist um einen Faktor von circa drei größer als der Fehler in X-Richtung eP,x bei nahezu gleichem Prozesskraftverlauf FP (vergleiche Bild 4).

Aus dem Verhältnis aus prozesskraftbedingtem Pfadfehler eP und Prozesskraft FP ergibt sich die gemittelte Nachgiebigkeit zu
Gxx = 3,8∙10-4 mm/N in X-Richtung sowie Gyy = 1,5∙10-3 mm/N in Y-Richtung. Diese deutliche Richtungsabhängigkeit der Steifigkeit k des IR liegt in der Verteilung der Hebelarme lH in der verwendeten Konfiguration begründet (vergleiche Bild 4). Der fluktuierende Prozesskraftverlauf FPz in Z-Richtung ist durch Reibung sowie die geometrischen Fehler eG,z des IR hervorgerufen.

Eine Kompensation geometrischer Fehler eG und prozesskraftbedingter Fehler eP ist Gegenstand aktueller Forschungsaktivitäten am IWF und KUF. Zur Reduktion der geometrischen Fehler eG kommen beispielsweise Kalibrierungsverfahren sowie optimierte Methoden zur Pfadprogrammierung zum Einsatz. Zur Reduktion der prozesskraftbedingten Fehler eP werden Ansätze der modellbasierten Beschreibung des globalen Steifigkeitsverhaltens des IR verfolgt. Neben einer Beschreibung des Steifigkeitsverhaltens durch lokale Steifigkeitsparameter zum Beispiel nach Rösch [5], werden Ansätze mit künstlich neuronalen Netzen erforscht.

Einsatz kostengünstiger Universalwerkzeuge

Das inkrementelle Kragenziehen erweitert die Prozessgrenzen des konventionellen Kragenziehens hinsichtlich der erreichbaren Aufweitverhältnisse β sowie der Bauteilzugänglichkeit und ermöglicht den Einsatz kostengünstiger Universalwerkzeuge. Nachteile ergeben sich aufgrund der langen Umformpfade hinsichtlich der benötigten Prozesszeit. Der Einsatz von IR bietet die Möglichkeit bisher ungenutzte Flexibilisierungspotentiale zu erschließen. Darüber hinaus bietet die Kinematik eines IR die Möglichkeit die Prozesszeit tP durch komplexe Umformpfade mit überlagerten Taumelbewegungen des Umformwerkzeuges zu optimieren. Die Ergebnisse in dem vorliegenden Fachbeitrag zeigen die grundsätzliche Machbarkeit des inkrementellen Kragenziehens mit IR auf. Die geometrischen Fehler eG und prozesskraftbedingten Fehler eP liegen in einer für IR zu erwartenden Größenordnung. Aktuelle und zukünftige Forschungsaktivitäten des IWF der TU Berlin und KUF der BTU Cottbus-Senftenberg fokussieren die Optimierung des inkrementellen Kragenziehens mit IR durch eine Weiterentwicklung des Umformwerkzeuges sowie optimierte Umformpfade unter Berücksichtigung des Nachgiebigkeitsverhaltens des IR.

Literatur

[1] Bambach, M.; Voswinckel, H.; Hirt, G.: A new process design for perform-ing holeflanging operations by incremental sheet forming. Procedia Engineering 81 (2014) S. 2.305 – 2.31.
[2] Besong, L. I.; Buhl, J.; Bambach, M.: Investigations on hole-flanging by paddle forming and a comparison with single point incremental forming. International Journal of Mechanical Sciences 164 (2019) S. 105 – 143.
[3] Kumagai, T.; Hiroyuki, S.; Meng, Y.: Hole flanging with ironing of two-ply thick sheet metals. Journal of Materials Processing Technology 98-90 (1999) S. 51 – 57.
[4] Livatyali, H.; Müderrisoglu, A.; Ahmetoglu, M.A.; Akgerman, N.; Kinzel, G.L.; Altan, T.: Improvement of hem quality by optimizing operations using computer aided die design. CIRP Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) S. 41 – 52.
[5] Rösch, O.: Steigerung der Arbeitsgenauigkeit bei der Fräsbearbeitung metallischer Werkstoffe mit Industrierobotern. München, TU München, Diss., 2015.

* Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann ist Institutsleiter, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF, TU Berlin, Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Bambach ist Lehrstuhlinhaber, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung KUF, BTU Cottbus-Senftenberg, M. Sc. Julian Blumberg ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF, Dr.-Ing. Johannes Buhl ist Oberingenieur, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung KUF, BTU Cottbus-Senftenberg, Tel. (0 30) 31 42 44 52

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