Robotik Portalroboter biegt und verlegt Flachdrähte für Kernspintomographen

Die in einem Kernspintomograph eingebauten Spulen werden aus isolierten Kupfer-Flachdrähten gewickelt. Um diesen anstrengenden Wickelvorgang zu automatisieren, wurde ein Portalroboter aufgebaut, der alle Drähte direkt von den auf der Z-Achse mitgeführten Drahtspulen in ein Verlegebrett einlegt. Bei dem Prozessablauf müssen elf interpolierende Achsen in Echtzeit gesteuert werden.

Anbieter zum Thema

Metrofunk Kabel-Union GmbH

Fastems Systems GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Fraunhofer-Institut IPA Produktionstechnik und Automatisierung

LTI-Metalltechnik GmbH

Der Einsatz von Kernspintomographen zur Diagnose von Krankheitssymptomen hat in den vergangenen fünf Jahren stark zugenommen. Immer feiner werdende Bildauflösungen ermöglichen die plastische Darstellung der Organe im menschlichen Körper. Der menschliche Körper besteht zu zwei Dritteln aus Wasser. Das Wasser-Molekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Der Wasserstoffatomkern, das Proton, ist vergleichbar mit einem kleinen magnetischen Kreisel.

Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) macht man sich diese Eigenschaften zunutze. In einem starken Magnetfeld, das in der Praxis 30 000 mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde, richten sich die ansonsten willkürlich ausgerichteten Protonen parallel und antiparallel zur Magnetfeldrichtung aus.

Das Grundprinzip liegt in der Erzeugung eines ringförmigen Magnetfeldes um die zu betrachtenden Körperteile. Wenn man das Magnetfeld räumlich verändert, kann man die MR-Signale ihrem Entstehungsort zuordnen.

Spule enthält bis zu 200 m Flachdraht aus Kupfer

Die in einem Kernspintomograph eingebauten Spulen werden aus isolierten Kupfer-Flachdrähten gewickelt. Eine Spule enthält bis zu 200 m Flachdraht, der in Bündeln mit je vier oder fünf Einzeldrähten gewickelt wird. Beim Wickeln müssen die Drahtbündel entsprechend einem vorgegebenen Verlauf genau gebogen werden. Bisher wurde dieser Vorgang manuell durchgeführt.

Aufgrund steigender Absatzstückzahlen hat sich die LTI Metalltechnik GmbH, ein Komponentenlieferant für Kernspintomographen, entschlossen, den auch körperlich sehr anstrengenden Wickelvorgang zu automatisieren. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) wurden zunächst alternative Automatisierungskonzepte erstellt und bezüglich der Umsetzbarkeit diskutiert. Die dabei favorisierte Lösung wurde im Detail ausgearbeitet und zusammen mit dem Sondermaschinenbauer Tastec GmbH umgesetzt.

Als Ergebnis der Entwicklungsarbeiten wurde ein Portalroboter aufgebaut. Das Besondere daran ist, dass alle Drähte direkt von den auf der Z-Achse mitgeführten Drahtspulen in ein Verlegebrett eingelegt werden. Dort werden die Drähte dann so lange in einer Nut gehalten, bis sie beim nächsten Arbeitsschritt zur endgültigen Fixierung mit einer Epoxydharz-Platte verklebt werden.

Durch Richtrollen wird sichergestellt, dass die Drähte nach dem Abwickeln von den Coils gerade sind und keine Ausgangsverformungen vorliegen. Anschließend werden die Einzeldrähte geschwindigkeitsproportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Roboters durch den Verlegekopf gefördert und zu einem Drahtbündel zusammengeführt. Mit Hilfe von zwei Biegerollen wird dann das Drahtbündel entsprechend dem vorgegebenen Bahnverlauf der Spulen gebogen und in das Verlegebrett eingedrückt. Das Roboterprogramm wird aus den CAD-Daten der Spulen automatisch generiert.

Elf Achsen des Roboters in Echtzeit gesteuert

Bei dem Prozessablauf müssen elf interpolierende Achsen in Echtzeit gesteuert werden. Das heißt, elf Achsen müssen in ihrer Geschwindigkeit so aufeinander abgestimmt werden, dass das Drahtbündel spannungsfrei in das Verlegebrett eingesetzt werden kann. Neben den vier Roboterachsen sind dies die beiden Biegeachsen (links/rechts) sowie die Antriebe der fünf Drahtvorschübe. Die einzelnen Drahtvorschübe sind neben der Verfahrgeschwindigkeit des Roboters zusätzlich von dem jeweils zu biegenden Radius abhängig. Der außen liegende Draht braucht entsprechend mehr Länge als der innen liegende oder die mittleren Drähte.

Auf Grund der schneckenförmigen Wickelbahn im Kern mit über 20 Windungen muss sich die Z-Achse beim Wickeln des Kernes über 20-mal um 360° drehen. Sie ist daher als Endlosdrehachse ausgelegt. Sämtliche Energie-, Steuer- und Datenleitungen werden über Schleifringkontakte geführt. Auch das Abisolieren der Einzeldrähte an den Anfangs- und Endbereichen ist in den Ablauf integriert. Mit Hilfe von zwei Formfräsern wird der wenige Zehntelmillimeter dicke Isolierlack abgetragen. Die Lackspäne werden über einzeln abgedichtete Vorrichtungen abgesaugt, so dass keine Reste auf die Spule fallen können.

Roboter positioniert 1800 kg Gewicht mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mm

Das Gesamtgewicht, das von der Z-Achse des Roboters bewegt und mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mm positioniert werden muss, liegt bei etwa 1800 kg. Alleine das Gewicht der fünf vollen Drahtcoils mit je rund 1000 m Draht liegt bei etwa 500 kg. Dieses Gewicht verändert sich während des Verlegeprozesses entsprechend dem Verbrauch des bereits verlegten Drahtmaterials.

Um die sich durch die kontinuierliche Lastabnahme verändernde Durchbiegung der Z-Achse kompensieren zu können, wird der Drahtverbrauch gemessen. Das verbleibende Gewicht wird berechnet und als Korrekturfaktor für die Anpassung des Werkzeugkoordinatensystems an die Robotersteuerung weitergegeben.

Alle Abläufe werden von einer Siemens-840di-Steuerung koordiniert. Neben den elf Achscontrollern werden sechs Analogsignale (Messung von Drahtlänge und Bündeldicke) sowie über 150 Digitalsignale verarbeitet. Die pneumatischen Aktoren werden über einen Profibus direkt von der Steuerung kontrolliert. Zum Einsatz kommt die Baureihe CPX von Festo. Diese ist über einen Profibus mit der Steuerung verbunden. Durch die kompakte Bauart können alle Ventile in übersichtlicher Weise auf dem Biegewerkzeug angeordnet werden. Sämtliche Moduleigenschaften lassen sich über Softwareparameter einstellen. MM

Dr.-Ing. Johannes Wößner ist freier Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart

(ID:203199)