Integration roboterbasierter Fertigungszellen

Andreas Mühlbauer,

Spanntechnik für die Roboter-Bearbeitung

Das ISW der Universität Stuttgart erforscht den Einsatz von Industrierobotern für Bearbeitungsaufgaben und entwickelt Automatisierungskonzepte, die die Integration roboterbasierter Fertigungszellen in Betrieben unterstützen. Ein Fokus liegt auf der vollautomatischen Aufspannung großflächiger Dünnwandbauteile.

Ein Roboter bearbeitet das Freiformbauteil aus Kunststoff auf einer automatisierten Spannvorrichtung. © ISW

Industrieroboter, die ein Werkzeug führen, treten aufgrund ihres guten Verhältnisses von Investitionskosten zu Arbeitsraum zunehmend in Konkurrenz zu Werkzeugmaschinen, wenn es um die Bearbeitung großvolumiger Bauteile geht. Vor allem bei der Bearbeitung von Holz, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen lassen sich bereits gute Ergebnisse erzielen. Weiterhin zeichnen sich Industrieroboter mit ihrer flexiblen Knickarmkinematik durch die Kompatibilität mit einer Reihe verschiedener Fertigungsverfahren aus. Hierunter fallen neben dem klassischen Fräsen auch das Sägen, das Heißdrahtschneiden oder die Oberflächenbearbeitung mit Lasern. Das ISW untersucht daher, wie sich Industrieroboter in Fertigungszellen als Universalmaschine einsetzen lassen und wie sich die Integration dieser Anlagen in Holz und Verbundwerkstoff verarbeitenden KMU umsetzen lässt.

Sollen mit Industrierobotern für Bearbeitungsaufgaben flexible Produktionssysteme umgesetzt werden, in denen Freiformbauteile in kleinen Serien bis hin zu Einzelstücken gefertigt werden, müssen auch Unterstützungsprozesse einen hohen Automatisierungsgrad aufweisen. Eine Aufgabe, die in Unternehmen derzeit aufgrund ihres geringen Automatisierungsgrades noch einen hohen Personal- und teilweise auch Materialaufwand mit sich bringt, ist die Fixierung des Bauteils. Kann ein Industrieroboter verschiedene Werkzeugarten führen und durch seine flexible Kinematik auch Freiformflächen bearbeiten, bringt dies große Anforderungen an die Werkstückaufspannung mit sich. Durch die Positionierung des Bauteils hat die Einspannung einen direkten Einfluss auf die erzielbare Bauteilqualität und muss ohne Kollision mit Roboter oder Werkzeug auftretende Prozesskräfte stets sicher aufnehmen und eine Bauteildeformation an der Stelle der Bearbeitung verhindern.

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Rekonfiguration verhindert Deformation

Einen Ansatz zur Lösung dieses Problems stellen automatisiert rekonfigurierbare Aufspannsysteme dar. Diese Systeme zeichnen sich meist durch eine komplexe Kinematik aus, bei der durch eine Vielzahl an elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch bewegten Achsen Kontaktelemente am Bauteil angebracht werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um Auflagekontakte, Spannzangen oder, wie in den meis-ten Fällen, um Vakuumgreifer handeln. Die ansteuerbaren Achsen können sich an verschiedene Bauteile anpassen oder die Spannkonfiguration während des Prozesses an den Be-arbeitungsfortschritt adaptieren.

Zweck der Aufspannung ist es, eine Deformation des Bauteils während der Bearbeitung zu verhindern. Um dieses Ziel zu erreichen, wird für die Positionsbestimmung der Kontaktelemente ein auf einer Finite-Elemente-Modellierung aufsetzendes Optimierungsproblem mit der maximalen Bauteildeformation am Ort der Bearbeitung als Zielfunktion gelöst. Dabei werden iterativ die Positionen der Kontaktelemente angepasst, bis die auftretenden Deformationen ausreichend gering sind, um die gewünschte Bearbeitungsqualität zu erzielen. Da Kontaktelemente in der FE-Modellierung nur vereinfacht berücksichtigt werden, muss im Anschluss eine genaue Kontaktberechnung an den Stellen erfolgen, an denen sich Bauteil und Spannsystem berühren, bevor über die inverse Kinematik-Transformation die Sollwerte für die einzeln ansteuerbaren Achsen berechnet werden. Da sich die Steifigkeit dünnwandiger Bauteile im Verlauf der Bearbeitung stark ändert, muss dies über eine Materialabtragssimulation der CAD-Daten in der Planungsalgorithmik berücksichtigt werden. Weiterhin können Messdaten aus verschiedenen Sensoren des Aufspannsystems bei der Planung und Überwachung helfen.

Um die Integration automatisierter Freiform-Spannsys-teme in Anlagen zu ermöglichen, darf sich deren Komplexität nicht auf den Bedien- und Inbetriebnahmeaufwand auswirken. Die Praxistauglichkeit lässt sich durch die vollständige Integration in eine industrielle CAD-CAM-Kette sicherstellen. Zusätzlich ist eine Integration in ein durchgängiges Prozessdatenmanagement sinnvoll, da für die Planungsalgorithmik Daten aus verschiedenen Phasen der Prozessplanung und Durchführung benötigt werden. In zukünftigen Arbeiten wird das ISW die bisherigen Ergebnisse für andere Produkte und Materialien mit höheren Genauigkeitsanforderungen erweitern und optimieren.

Andreas Schütz, M. Sc., und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl, ISW

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