Industrieroboter, Roboter, Zerspaner

Kuka-Roboter kommen bei unterschiedlichsten Bearbeitungsaufgaben zum Einsatz wie zum Beispiel beim Bohren von Löchern in Aluminiumfelgen. - Bild: Kuka

Der Großteil der weltweit tätigen Industrieroboter geht in der Produktion Handhabungsaufgaben nach. Dank ihrer universell nutzbaren und kostengünstigen Kinematik wird Robotern dennoch großes Potenzial auch Bereich Zerspanungstechnik prophezeit.

Roboter werden genauer und prozessstabiler

Konventionelle Werkzeugmaschinen mit ihrer extrem hohen Präzision können Industrieroboter nicht ersetzen. Sie sind jedoch – beschränkt auf bestimmte Einsatzgebiete und Werkstoffe, die im Rahmen der Fertigungsprozesse eingetzt werden – eindeutig zerspanungsfähig. Laut Alexander Bay, Marktsegment Manager CNC/Machining bei Kuka Roboter, wird das Marktpotenzial für die Bearbeitung durch Industrieroboter in Zukunft weiter steigen.

„Bisher standen vor allem Bearbeitungsprozesse mit relativ niedrigen Genauigkeitsansprüchen im Fokus“, erläutert der Bearbeitungsexperte. Diese Prozesse würden heute noch oftmals von Menschen ausgeführt. Durch zunehmenden Kostendruck oder gleichmäßige Qualitätsanforderungen würden solche Prozesse zukünftig vermehrt maschinell und automatisiert umgesetzt. „Des Weiteren werden Industrieroboter zunehmend genauer und spezielle Varianten auch prozessstabiler, wodurch sich für die roboterbasierte Bearbeitung neue, erweiterte Möglichkeiten ergeben“, resümiert Bay.

"Die Anwender wagen sich auch mehr an harte Materialien wie Stahl oder Nickelbasislegierungen.“ - Sascha Reinkober, Fraunhofer IPK

Spanende Bearbeitung der Industrieroboter

„Stand der Technik beim Bearbeiten per Industrieroboter ist die spanende Bearbeitung von Stein, Holz, Kunststoffen und Aluminium sowie das Gussputzen oder die Kantenbearbeitung an Stahlwerkstoffen“, berichtet Sascha Reinkober, Forscher am Fraunhofer IPK. Besonders die Kantenbearbeitung weise eine relativ hohe Verbreitung in der Industrie auf.

Operationen wie robotergeführtes Fräsen oder Bohren werden laut Reinkober in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Weiterhin werden neue Prozesse wie das robotergeführte Honen dazukommen. Aber auch die Bearbeitung von Werkstücken aus CFK per Roboter rückt in den Fokus. „Die Anwender wagen sich auch mehr an harte Materialien wie Stahl oder Nickelbasislegierungen“, sagt Reinkober.

Genauigkeit von Robotern muss verbessert werden

Roboter, Flexmatik
Die Fraunhofer-Institute LBF, IFAM und IPK entwickeln gemeinsam den Roboter Flexmatik, der für die Bearbeitung ausgelegt ist. Er beinhaltet neue Motoren, eine neue Struktur und eine neue Steuerung. - Bild: Fraunhofer IPK

Trotzdem bleibt die Genauigkeit von Industrierobotern der limitierende Faktor in der Fertigung und damit auch der Zerspanung. „Dies wird sich aufgrund der verfügbaren Kinematiken nicht ändern, sondern nur minimieren lassen“, erläutert Reinkober. Am Fraunhofer IPK gibt es jedoch drei konkrete Ansätze, das Dilemma zu lösen.

Auf der einen Seite wird ein Ultraschallaktor genutzt, um die Performance des Industrieroboters zu verbessern. Der Aktor wird an der Werkzeugspindel adaptiert und versetzt das Werkzeug in Ultraschallschwingung. „Dabei können Kräfte reduziert und die Qualität erhöht werden.

Weiterhin entwickelt das Institut gemeinsam mit Fraunhofer LBF und IFAM einen Industrieroboter, der ausschließlich für die Bearbeitung ausgelegt ist. Der Roboter Flexmatik erhält dazu neue Motoren, eine neue Struktur und eine neue Steuerung. Ein dritter Ansatz ist das Thema Aufheizung. „Wir konnten exemplarisch nachweisen, dass durch eine gezielte Erwärmung die Ungenauigkeit reduziert werden kann“, berichtet Reinkober. Diesen Grundgedanken wolle man weiterentwickeln.

Vorteile beim Einsatz von Industrierobotern für die Bearbeitung

  • Hohe Flexibilität,
  • niedrige Investitionskosten im Verhältnis zum Arbeitsvolumen,
  • verbesserte Genauigkeitsperformance von Robotern,
  • mittlerweile durchgängige PLM-Prozesskette zur Roboterprogrammierung,
  • verbesserte Prozessergebnisse durch den Einsatz von Sensorsystemen am Roboter,
  • Verfügbarkeit von roboterspezifischen Prozesswerkzeugen.

Quelle: Kuka Roboter GmbH

Fräsen und schweißen per Roboter

Bei Adam Opel entsteht derzeit eine Roboterzelle für den Tryout-Prozess im Presswerkzeugbau. In der Zelle soll ein Industrieroboter die Prozesse Fräsen, Schweißen und Oberflächen hämmern ausführen. Das Augenmerk liegt auf dem Fräsen per Roboter. Zusammen mit dem PTW der TU Darmstadt und dem Fraunhofer IPK arbeitet man an Lösungen, um den Prozess zu beherrschen.

"Eine Robotertechnologie zur Feinbearbeitung von großen Werkzeugen befindet sich aktuell in der Markteinführungsphase" - Bernd Luckas, Robot-Machining

„Zum einen ist es wichtig, die exakte Lage des Werkzeuges und des Werkstückes zu kennen“, sagt Clemens Kuhn, Doktorand bei Adam Opel. Hierfür messe man einen Funkmesstaster über einen Laser mit einer 5-Achsmessung ein, um mit diesem die Lage des Werkstückes im Koordinatensystem des Roboters zu bestimmen.

Der Tool Center Point (TCP) des Fräsers werde mit derselben 5-Achsmessung bestimmt. „Mit dem Einmessen des TCPs werden Abweichungen bedingt durch Temperaturunterschiede kompensiert“, erklärt Kuhn.

Video: Al-Fräsen per Roboter

 

Mit den optimalen Prozessparametern sorge man für einen bestmöglichen Fräsprozess, die Eliminierung von Rattererscheinungen und die Vermeidung der Eigenfrequenzanregung des Industrieroboters. Die richtige Frässtrategie – geometrie- und lastabhängig – sorgt laut Kuhn ebenso für ein besseres Ergebnis der Frästeile.

„Achsspiele und die Nachgiebigkeit werden durch mathematische Modelle des Roboters kompensiert, damit die Ist-Roboterbahn exakt der Soll-Roboterbahn entspricht“, sagt Kuhn. Nach dem Fräsprozess wird das Werkstück mit einem Laserlinienscanner digitalisiert, um bei einem CAD-Abgleich die Qualität des Fräsergebnisses zu prüfen. „Bei Abweichungen werden iterativ der Fräsprozess und der Scanprozess wiederholt, bis das Ergebnis zu 100 Prozent stimmt“, erläutert Kuhn

Roboter-Bearbeitungszentren

Es gibt aber auch schlüsselfertige Roboter-Bearbeitungszentren, so zum Beispiel Rob-Maax L von Robot-Machining. „Eine Robotertechnologie zur Feinbearbeitung von großen Werkzeugen befindet sich aktuell in der Markteinführungsphase“, verrät Bernd Luckas. Gegenüber Werkzeugmaschinen, die sonst zur Zerspanung genutzt werden, habe diese Anlagentechnik geringere Beschaffungskosten. Durch die sechs Roboterachsen sei zudem eine bessere Zugänglichkeit der Konturen möglich.

So lässt sich das Genauigkeitsproblem lösen

Wichtig für die Genauigkeit beim Bearbeiten ist die Steifigkeit der Mechanik sowie das Spiel in den Bewegungsachsen des Roboters. Das Integrated Measurement System von Preccon überwacht Roboter und Roboterwerkzeug. So ist die automatisierte Bestimmung des Tool Center Points möglich. Dies hat einen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit der Bearbeitung. Auch eine automatische Einmessung der Fräser ist möglich. - Quelle: Preccon Robotics

Riexinger wiederum hat eine Roboterfräsanlage für Kunststoffrohre und -schächte im Portfolio. Vorteil gegenüber manueller Bearbeitung ist laut Geschäftsführer Markus Theobald die Genauigkeit des Industrieroboters und seine Geschwindigkeit.

Für den Industrieroboter bleiben laut Experten von Fanuc weiterhin das Entgraten oder die Verarbeitung im Kunststoffbereich Haupteinsatzgebiete als Bearbeitungsmaschinen. Dazu besteht bei Fanuc die Möglichkeit, NC-Programme, in den Roboter zu laden und dort als Roboterprogramm zu interpretieren. ABB bietet mit dem Machining Power Pac ebenfalls ein Tool zur Programmierung von robotergestützten, maschinellen Bearbeitungsprozessen wie Fräsen, Entgraten, Schleifen oder Polieren.

Umfrage: Für welche Bearbeitungsaufgaben und welche Werkstoffe eignen sich Industrieroboter Ihrer Erfahrung nach?

Clemens Kuhn, Doktorand bei der Adam Opel GmbH

„Das robotergestützte Fräsen birgt ein großes Potenzial für den Presswerkzeugbau, da hier hohe Investitionskosten der CNC-Maschinen und deren vergleichsweise hohen Maschinenkostensätze reduziert werden können. Die Herausforderung des Prozesses ist jedoch die Ungenauigkeit des Roboters bedingt durch das Spiel der einzelnen Achsen und der geringen Steifigkeit des Roboterarms. Weiterhin haben auch äußere Einflüsse wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur Einfluss auf den Prozess. Zusammen mit dem PTW der TU Darmstadt und dem Fraunhofer IPK arbeiten wir an Lösungen, um die Prozesse zu beherrschen.“

Sascha Reinkober, Forscher am Fraunhofer IPK

„Insbesondere der Automobilbau unternimmt derzeit viele Anstrengungen, die Einarbeitung von Presswerkzeugen mit Industrierobotern zu prozessieren. Die Bearbeitung von CFK rückt mehr denn je in den Fokus. Nicht nur getrieben durch die Luftfahrt – etwa bei Airbus in Stade – sondern auch durch den Automobilbau, zum Beispiel bei BMW.

Die Prozesskräfte bei der Bearbeitung von CFK und GFK sind geringer als bei der Metallbearbeitung, weshalb die Nutzung von Robotern möglich ist. Allgemein kann man sagen, dass sich die Anwender nun auch mehr an harte Materialien wie Stahl oder Nickelbasislegierungen wagen.“

Alexander Bay, Kuka Roboter GmbH

„Kuka verkauft zahlreiche Roboter für das Bearbeiten. Aus den Roboterfamilien KR Quantec und KR Fortec gibt es Varianten, die extra für die Anforderungen aus dem Bearbeitungsumfeld angepasst wurden. So bietet eine Version des KR Fortec die Möglichkeit, Bearbeitungsprozesse mit auftretenden Prozesskräften bis zu 8 kN abzuarbeiten.

Möglich ist dies durch den Einsatz von Vorgelege-Getrieben in den Robotergrundachsen, die dem Roboter deutlich höhere Prozesssteifigkeiten geben. Typische Einsatzgebiete dieses Roboters sind massive Bearbeitungsaufgaben an Aluminium, Guss oder Stahlmaterialien.“