Warum Weiss auf Fräsroboter-Spindeln setzt

Wie Fräsroboter zur mobilen Fräslösung werden

Industrieroboter übernehmen in der Produktion längst mehr als reine Handhabungsaufgaben. Inzwischen rückt auch das präzise Fräsen mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich in den Fokus. Möglich wird das durch eine Kombination aus optimierter Kinematik, hoher Steifigkeit, leistungsfähiger Antriebstechnik und speziell angepasster Spindeltechnologie.

Die zu Innomotics gehörende Weiss Spindeltechnologie hat dafür spezielle Frässpindeln entwickelt. Die Entwicklung entstand in enger Zusammenarbeit mit Siemens und dem Fraunhofer IFAM, wie aus der Mitteilung hervorgeht. Ziel war es, das Potenzial hybrider Fräsroboter besser auszuschöpfen und Anwendungen zu erschließen, die bislang technisch schwierig oder wirtschaftlich kaum darstellbar waren.

Bereits 2019 untersuchte Siemens gemeinsam mit Fraunhofer-Instituten in einer Marktanalyse, welche Anwendungen von verbesserter Robotertechnologie profitieren könnten. Neben Laserschneiden und Auftragsschweißen rückte dabei besonders das präzise Fräsen in den Vordergrund. Der entscheidende Engpass war lange die erzielbare Genauigkeit.

Was macht den Fräsroboter präziser?

Die technische Basis bildet das patentierte Sinumerik-Machine-Tool-Robot-Konzept, kurz MTR. Es kombiniert eine stark verbesserte Kinematik mit leistungsfähigen Antriebsmotoren und intelligenter Regelungstechnik. Nach Angaben aus der Mitteilung erreichen Fräsroboter mit MTR-Technologie inzwischen eine um den Faktor zehn verbesserte Präzision gegenüber konventionellen Industrierobotern.

Damit arbeiten die Systeme im Submillimeterbereich. Für die robotergestützte Zerspanung ist das ein wichtiger Schritt, denn gerade beim Fräsen entscheidet die stabile und wiederholgenaue Bewegung über die Qualität der Bearbeitung.

Die verbesserte Roboterkinematik allein reicht jedoch nicht aus. Um die Genauigkeit am Werkstück tatsächlich umzusetzen, ist die Frässpindel eine zentrale Komponente. Genau hier setzt Weiss Spindeltechnologie als Fachbereich der Innomotics GmbH an.

Leichtbau als Schlüssel für Fräsroboter

Eine der größten Herausforderungen lag in der Masse der Spindel. Bei Roboteranwendungen sitzt die Spindel am Ende des Arms. Dadurch wirkt sich jedes zusätzliche Kilogramm besonders stark auf Dynamik, Stabilität und Belastung aus.

Weiss-Projektleiter Georg Sauer beschreibt die Anforderung so: „Im Gegensatz zu stationären Werkzeugmaschinen spielt bei Roboteranwendungen jedes Kilogramm eine entscheidende Rolle, da die Spindel am Ende des Arms sitzt, und sich dort das Gewicht vervielfacht.“

Die Entwickler setzten deshalb auf konsequenten Leichtbau. Durch angepasste Konstruktion und optimierte Materialauswahl sollte die Spindel so leicht wie möglich ausgeführt werden, ohne Stabilität und Leistung zu beeinträchtigen.

Warum die Peripherie beim Fräsroboter zählt

Neben dem Gewicht spielte auch die Peripherie eine zentrale Rolle. Robotersysteme sind in der Anschaffung in der Regel deutlich kostengünstiger als viele Werkzeugmaschinen. Dieser Vorteil sollte nicht durch aufwendige Zusatzaggregate verloren gehen.

Sauer erklärt dazu: „und diesen Kostenvorteil wollten wir natürlich nicht durch teure Zusatzaggregate zunichtezumachen“. Deshalb wurde die Spindel-Baureihe bewusst als Asynchron-Variante ausgelegt. Dadurch entfallen Komponenten, die bei Synchronmotoren erforderlich wären. Auch auf eine Drossel konnte Weiss durch intelligente Motorauslegung verzichten.

Die Betätigung der Werkzeugwechseleinheit erfolgt pneumatisch statt hydraulisch. Das ist für Roboteranwendungen relevant, weil Roboter typischerweise keine Hydraulikaggregate besitzen, ein Druckluftanschluss dagegen meist vorhanden ist. Bei der Kühlung fiel die Entscheidung auf Wasserkühlung, da sie bei vergleichbarer Leistung geringe Abmessungen ermöglicht.

Fünf Spindelvarianten für robotergestützte Zerspanung

Die neuen Frässpindeleinheiten für Roboter stehen aktuell in fünf Varianten zur Verfügung. Das Spektrum reicht von der kleinen RS1 mit 6,6 kW, HSK-A32 und 25,7 kg bis zu den großen Varianten RS4 und RS5 mit 16,5 kW, HSK-A63 und 58 kg.

RS4 und RS5 unterscheiden sich vor allem durch die Drehzahl. Die RS4 ist für bis zu 16.000 min-1 ausgelegt, während die RS5 bis zu 21.000 min-1 erreicht.

Optional lassen sich alle Weiss-Spindeln mit einer nach ISO 9409-1 genormten Schnittstelle zum Roboter ausstatten. Dadurch können die Frässpindeln grundsätzlich an unterschiedlichen Robotersystemen eingesetzt werden.

Wo Fräsroboter ihre Stärken ausspielen

Ihr volles Potenzial entfalten die Spindeln besonders in einer abgestimmten Fräsroboterlösung. In dieser Kombination kommen die Kinematik von Autonox Robotics, die CNC-Antriebs- und Steuerungstechnik von Siemens sowie die Frässpindeltechnologie von Weiss zusammen.

Ein wichtiges Einsatzfeld sind sehr große oder schwere Werkstücke. Bei Instandhaltungsarbeiten an Schiffsschrauben oder anderen maritimen Großkomponenten kann der mobile Fräsroboter direkt am Bauteil arbeiten. Aufwendiger Ausbau, Spezialtransport und Bearbeitung auf großen Maschinen können dadurch entfallen.

Bei Bedarf kann der Roboter nicht nur fräsen, sondern auch Auftragsschweißungen übernehmen. Das eröffnet insbesondere in der mobilen Instandhaltung zusätzliche Prozessoptionen.

Ein weiteres Einsatzszenario ist die Bearbeitung großflächiger Werkstücke. Wird der Fräsroboter auf ein Schienensystem gesetzt, lässt sich der Arbeitsbereich deutlich erweitern. Bei einer zehn Meter langen Schiene und einem Roboter-Aktionsradius von zwei Metern entsteht ein effektiver Bearbeitungsbereich von 14 Metern. Mit zwei Robotern auf gegenüberliegenden Schienen verdoppelt sich dieser auf 28 Meter.