Industrieroboter

Daniel Schilling,

Zerspanen mit dem Roboter

Ausgehend von ihren Erfahrungen im Bau von Entgrat-Roboter-Zellen entwickelte Kadia weitergehende Lösungen für allgemeine Zerspanungsprozesse wie Fräsen, Bohren oder Gewindeschneiden.

Roboter eignen sich auch für verschiedene Zerspanungsaufgaben. © Kadia

Das Nürtinger Unternehmen verfolgt bei den „Entgrat-Roboter-Zellen“ zwei Konzepte: Entweder der Roboter greift sich das Werkstück und bewegt es an fest stehende Werkzeuge, häufig Bürsten, oder er führt selbst die Werkzeuge, etwa Fräswerkzeuge. Der letztere Fall ist der anspruchsvollere. Ein Beispiel ist das Entgraten von großen Zahnrädern. Der Ausdruck Entgraten passt bei dieser Anwendung nicht mehr ganz, es geht vielmehr um eine Kantengestaltung. Die Zahnräder erhalten bis zu 5 mm große Fasen. Als Werkzeug kommt dafür ein VHM-Schaftfräser zum Einsatz. Die Programmierung ist komplex, da die Fräser der Evolventenkontur der Zahnflanken folgen.

Entgrat-Automations-Zellen

Eine Weiterentwicklung der letzten Jahre sind „Entgrat-Automations-Zellen“, in denen der Roboter neben dem Entgraten auch umfassende Handlingaufgaben übernimmt. In dieser Konstellation arbeitet er zum Beispiel mit Bearbeitungszentren zusammen. Er legt die Bauteile auf, entnimmt sie wieder und ist bei Bedarf auch Schnittstelle für benachbarte Anlagenteile wie Qualitäts- oder Waschstationen.

Daher hat das Unternehmen inzwischen die dritte Kategorie von Roboteranlagen aufgenommen: „Bearbeitungs-Roboter-Zellen“. „Immer mehr Kunden fragen nach, ob es mit dem Roboter zum Beispiel möglich sei, auch ein Gewinde oder eine Planfläche anzubringen“, erklärt Jannik Weiss, Vertrieb Entgratmaschinen bei Kadia. Der Plan der Kunden: Sie möchten Umspannvorgänge vermeiden. Wenn der Entgratroboter, der häufig nach der mechanischen Bearbeitung die Prozesskette fortsetzt, den anderen Bearbeitungsmaschinen Arbeit abnehmen kann, lässt sich unter Umständen viel Zeit sparen.

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Mehr Freiheitsgrade mit geringerem Aufwand

Grundsätzlich eignet sich ein 6-Achs-Industrieroboter für unterschiedliche Zerspanungstechnologien: Bohren, Fräsen, Gewindeschneiden und einige mehr, und zwar trocken oder nass oder mittels Minimalmengenschmierung, alles ist möglich. Der Hauptvorteil: Der Roboter ist eine vergleichsweise kostengünstige Bearbeitungslösung. Mit ihm sind alle frei liegenden Seiten eines kubischen Werkstücks problemlos erreichbar.

Möchte man dieselbe Zahl an Freiheitsgraden mit einem Bearbeitungszentrum darstellen, sind wesentlich komplexere 5-Achs-Maschinenkonzepte notwendig, was mit hohen Kosten zu Buche schlägt. Ein Roboter kann zudem wechselweise Greifer wie auch Werkzeuge aufnehmen, ist also für multifunktionale Szenarien geeignet.

Geringere Steifigkeit

Die Limitierung eines Roboters für die mechanische Bearbeitung ist durch seine vergleichsweise geringere Steifigkeit gegeben. Die Wiederholgenauigkeit von Präzisionsführungen, wie sie auf einem Bearbeitungszentrum zur Verfügung stehen, kann er nicht bieten. Je weiter der Arm ausgreift, desto ungenauer das Ergebnis. Der Einsatz ist daher auf Anwendungen mit entsprechend großen Toleranzen und geringen Spantiefen beschränkt.

Doch es gibt Stellschrauben, mit denen sich die Ergebnisse beeinflussen lassen: Die Programmierung kann Abweichungen von der Idealbahn an den Umkehrpunkten in gewissen Grenzen kompensieren. „Welche Parameter wie zu optimieren sind, ermittelt die Prozessentwicklung bei Kadia. Wir nehmen uns dafür die notwendige Zeit, so dass wir dem Kunden am Ende eine Prozessgarantie geben können“, betont Jannik Weiss.

Optimaler Anwendungsfall

Eine Anwendung, für die sich ein Roboter bestens eignet, ist die Bearbeitung der Trennflächen an Aluminum-Gehäusewannen für die Aufnahme von Fahrzeug-Batterien. Diese Gehäuse aus Strangpressprofilen mit Crashschutzstrukturen sind quasi die Nachfolger der Treibstofftanks. Die benötigten Stückzahlen steigen rasant an. Aufgrund der geforderten Oberflächenanforderungen und Toleranzen wäre ein Bearbeitungszentrum überdimensioniert. Ein Roboter hingegen genügt den Anforderungen an die Maßhaltigkeit und spielt dabei seine Kostenvorteile sowie seine Flexibilität voll aus.

Das Unternehmen entwickelte unlängst ein entsprechendes Bearbeitungskonzept für einen Automobilhersteller. Die Aufgabe im Detail: Fräsen der Trennflächen mit anschließendem Bürstentgraten, so dass die Rahmen später mit einem Deckel aus Stahl verschraubt und abgedichtet werden können. Ein wichtiges Detail der Kundenanforderung waren ebene Fräsflächen mit geringer Welligkeit. Der Auftraggeber gab die Qualität der Flächen mit gemittelte Rautiefe Rz < 20 µm und Mittenrauwert Ra < 4 µm an.

Drei Roboter für die Bearbeitungszelle

Die Lösung: eine Zelle mit drei Robotern. Um die Taktzeit einzuhalten, sind auf einer Werkstückseite – hier ist der Bearbeitungsumfang größer – zwei Roboter notwendig, auf der anderen Seite ist einer ausreichend. Das Setup benötigt weniger als 80 Sekunden für die Komplettbearbeitung mit Fräsen einschließlich Bürstentgraten. Für den Fall, dass eine künftige Werkstückvariante mit weiteren Details zu bearbeiten wäre, bietet die Zelle noch Platz für einen vierten Roboter.

Versuche, die im Vorfeld mit Fräswerkzeugen durchgeführt wurden, zeigten, dass die Minimierung von Schwingungen das große Thema bei der Festlegung fast aller Bearbeitungsparameter in der Roboterzerspanung ist. Die Schneidengeometrie, Makro- und Mikrogeometrie, sind zum Beispiel wichtige Stellschrauben, da sie die Schnittkräfte maßgebend beeinflussen.

Schwingungen reduzieren

Unter anderem ist die Spantiefe ein zentrales Kriterium, das die Anwendungstechniker auf 2 mm begrenzten, um die Schwingungen zu reduzieren. Daneben optimierten sie die Schnittgeschwindigkeiten und Zahnvorschübe, so dass Rattermarken vermieden werden. Die Kühlung der Schneiden erfolgt bei der Bearbeitung mittels Minimalmengenschmierung. Für die Realisierung der Schnittdaten sind auf dem Roboterarm montierte, programmierbare Spindeleinheiten verantwortlich. Sie bilden eine 7. Achse. Die so beschriebene Lösung erreicht Rz = 10 µm und Ra = 2 µm für die Oberflächen. Die vom Anwender geforderten Werte werden also um den Faktor 2 unterschritten.

Eine Zelle mit drei Robotern ist auf den ersten Blick eine komplexe Anlage. Ihre Bedienung ist aber einfacher als gedacht. Weiss fährt fort: „Jeder Metallfacharbeiter, der eine technische Zeichnung versteht, ist in der Lage, unsere Roboterzellen zu bedienen. Für jedes Bearbeitungsdetail wird nur ein Masterpunkt definiert. Dieser ist leicht zu korrigieren. Die Anfahrtswege und Übergangsbewegungen zum nächsten Merkmal sind vorgegeben. Jedes prozessrelevante Maß am Werkstück kann im Klartext aus der Zeichnung abgelesen werden.“ Daraus folgt: Sollte ein Werkstück außerhalb der Toleranz liegen, kann der Bediener die entsprechenden Werkstück- und Werkzeugkoordinaten schnell und einfach selbstständig korrigieren.

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