Fräskinematik Industrieroboter mit neuartigem Antriebsstrang

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Eine neu entwickelte Fräskinematik auf Linearachse ermöglicht es, Leichtbauwerkstoffe, Metalle und Stähle mit einer Fertigungstoleranz von bis zu 0,1 Millimeter mit Industrierobotern zu bearbeiten. Dies könnte neue Anwendungsbereiche erschließen.

Wie lässt sich die Lücke zwischen Industrierobotern und Werkzeugmaschinen schließen? Dieser Frage ging das niedersächsische Lufo-Projekt „Roboter Made in Niedersachsen 2“ nach (kurz: Romani 2). An den FuE-Arbeiten beteiligten sich das Fraunhofer IFAM in Stade als Verbundführer. Projektpartner waren Broetje-Automation GmbH, Hexagon Aicon Etalon GmbH und Siemens AG. Als assoziierte Partner halfen außerdem Airbus Operations GmbH und A&T Service GmbH mit.

Im Projekt wurden zwei für die Bearbeitung ausgelegte Roboterkinematiken untersucht. Sie wurden durch steuerseitige Einstellungen und messtechnische Unterstützung für bahngenaue Prozesse optimiert und anhand realer Anwendungsfälle aus der Luftfahrt im 1:1-Maßstab erprobt.

Die Forschenden des Fraunhofer IFAM montierten dabei eine Prototyp-Kinematik, die in einem früheren Forschungsprojekt entwickelt worden war: die Flexible Kinematik 4.1, kurz Flexmatik 4.1. Diese hat einen neuartigen Hybridantrieb. Im Verbundprojekt Flexmatik 4.1 hatte das Fraunhofer IFAM gemeinsam mit dem Fraunhofer IPK und dem Fraunhofer LBF einen Roboter mit wesentlich verbesserten dynamischen Eigenschaften für herausfordernde Aufgaben entwickelt, wie zum Beispiel die Bearbeitung anspruchsvoller Materialien. Zum Projektabschluss von Romani 2 gelang es nun, nicht nur ein Seitenleitwerk aus CFK des assoziierten Partners Airbus, sondern auch einen Prüfkörper aus Stahl hochpräzise zu bearbeiten.

Industrieroboter versus Werkzeugmaschine

Serielle Industrieroboter ermöglichen durch ihre Bauweise nicht nur sehr viele Maschinendesigns, sondern benötigen auch wenig Aufstellfläche im Vergleich zum verfügbaren Arbeitsraum. Da sie effizient und vielseitig einsetzbar sind, haben sie sich in diversen Fertigungs- und Produktionsprozessen etabliert. Dies gilt insbesondere für die automatisierte Handhabung und Montage. Auch in anderen Bereichen, wie der spanenden Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen, sind mehr und mehr Industrieroboter zu finden.

Jedoch stoßen Industrieroboter bei steigenden Anforderungen, bedingt durch härtere Materialien oder anspruchsvollere Toleranzen, aufgrund ihrer begrenzten dynamischen Eigenschaften und höheren Nachgiebigkeit im Vergleich zu Werkzeugmaschinen an ihre Grenzen. Werkzeugmaschinen haben durch ihre kinematische Bauweise eine geringe Nachgiebigkeit und hohe Präzision, bei der Skalierung auf größere Bauteile im Meterbereich weist dieses Maschinendesign jedoch einen erheblichen Material- und Investitionseinsatz auf.

Spanende Bearbeitung von CFK-Großbauteilen im 1:1-Maßstab

Mit dem Einsatz neuer Herstellungsverfahren konnten in den vergangenen Jahren weitere Entwicklungen in der Designfreiheit und strukturellen Integrität von endkonturnahen Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) im Flugzeugbau erzielt werden. Aufgrund der wirtschaftlichen und technischen Anforderungen werden hochpräzise mechanische Nachbearbeitungen von Großbauteilen im Meterbereich mit Toleranzangaben im Submillimeterbereich heute üblicherweise mit großen Werkzeugmaschinen in Portalbauweise durchgeführt. Bedingt durch ihre kinematische Struktur weisen diese Portalmaschinen aber eine nicht unerhebliche Größe auf, die oftmals den Aufbau der Produktionsstätten diktiert und wenig flexibel auf Änderungen im Produktionsablauf reagieren kann.

Ein alternatives Maschinenkonzept bietet hier der Industrieroboter inklusive Arbeitsraumerweiterung durch eine flächenbewegliche Plattform, dem Aufbau mehrerer Roboter oder unter Einsatz von translatorischen Zusatzachsen, wie Linearachsen. Im Vergleich zu Portalanlagen bzw. Werkzeugmaschinen ist dieses Maschinenkonzept wesentlich platzsparender und nicht ökonomisch an einzelne Großbauteile gebunden. Zusätzlich entfällt der Einsatz von Sonderfundamenten, was eine zukünftige Anpassung von Fertigungsstraßen erleichtert. Im Projekt Romani 2 wurde der Prototyp-Roboter mit einer Linearachse für bahngenaue Roboter kombiniert, welche ebenfalls im Projekt Flexmatik 4.1 entwickelt worden war.

Obwohl Industrieroboter schon erfolgreich in der Bearbeitung von dünnen Schalenbauteilen aus der Luftfahrt eingesetzt wurden, ist eine Erhöhung der Robustheit gegenüber auftretenden Prozesskräften sowie die Erschließung anspruchsvollerer Bearbeitungsaufgaben der nächste Schritt für den wachsenden Einsatz von Industrierobotern in der Produktion großer Bauteile im Luftfahrtbereich.

Hybridantrieb verbessert dynamisches Verhalten serieller Industrieroboter

Im Projekt Romani 2 bauten die Expertinnen und Experten für Automatisierung und Produktionstechnik des Fraunhofer IFAM ein serieller Prototyp-Roboter auf und untersuchten ihn. Die selbst entwickelte Kinematik ist grundsätzlich auf die Bedürfnisse von Bahnprozessen ausgelegt. Ziel war, dass die Fertigungstoleranz von mindestens ± 0,1 Millimeter bei der Bearbeitung von Großbauteilen bereits ab Bauteil 1 eingehalten wird.

Dieser Prototyp-Roboter inklusive Linearachse wurde bereits im Rahmen des Projekts Flexmatik 4.1 entwickelt, welches mit der Fertigung aller Komponenten endete. Die Montage der gesamten Kinematik, die Inbetriebnahme, steuerseitige Optimierung und Weiterentwicklung sowie die intensive Untersuchung der Roboterkinematik waren nun Aufgaben im Projekt Romani 2. Dabei bestätigten Genauigkeitsuntersuchungen des Prototyp-Roboters, dass das angestrebte Ziel von 0,1 Millimeter erreicht wurde!

Ein zentrales Element zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Prototyp-Roboters ist neben der Strukturoptimierung der Einsatz eines innovativen Antriebskonzepts in den Grundachsen. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Direktantriebs, parallel zum herkömmlichen Getriebeantrieb, kann direkt auf der Lastseite ein Moment aufgeschaltet werden.

Dieses Hybridkonzept ermöglicht es, unerwünschte Effekte des Getriebes zu kompensieren und Anregungen hoher Frequenzen zu dämpfen. Gleichzeitig sorgt es für hohe Energieeffizienz im statischen und quasistatischen Lastfall.

Angesteuert wird die Kinematik mit einer Siemens-Steuerung, der Sinumerik One. Die weit verbreitete Expertise der Bedienung von CNC-Maschinen ist somit – ohne Umschulung auf neuartige Steuerungstypen – nutzbar. Im Projekt Romani 2 konnten Steuerungskomponenten für den Hybridantrieb so weiterentwickelt werden, dass nun das volle Potenzial des Antriebs in der erprobten Industriesteuerung abrufbar ist.

Linearachse + Hybridantrieb-Roboter = breites Anwendungsfeld

Die Kombination einer seriellen Knickarmkinematik mit einer Linearachse weist gegenüber großen Portalanlagen und Sondermaschinen für die Bearbeitung vielfältige Vorteile auf. Die geringere Standfläche sowie die modular gestaltete Linearachse ermöglichen eine hohe Flexibilität der Anlage. Durch den Einsatz zweier verspannter Ritzel-Zahnstangen-Antriebe werden Umkehreffekte kompensiert und eine ausreichend hohe Antriebssteifigkeit des Linearachsschlittens für bahngenaue Roboterprozesse erreicht. Aufgrund der hohen Struktursteifigkeit der Linearachse sind die Einflüsse auf die Robotergenauigkeit trotz großer Hebelarme zum Lastangriffspunkt gering. Im Projekt ließen sich so Bahngenauigkeiten von 0,15 Millimeter für Großbauteile von bis zu 7 Meter erzielen. Die Forschenden des Fraunhofer IFAM sind überzeugt, dass höhere Genauigkeit durch die Kompensation weiterer statischer Einflussfaktoren, wie zum Beispiel der Temperatur, erreichbar sind und nicht durch die Kompensation weiterer dynamischer Effekte.

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Eine deutliche Verbesserung des Führungsverhalten und der Störunterdrückung der seriellen Roboterkinematik auf Achsebene wird durch den Einsatz von Direktantrieben erreicht. Die direkte mechanische Übertragung der Motormomente auf die Kinematik erlaubt zudem eine erhöhte Ruck-Einstellung aller Grundachsen. Diese liegt um Faktor 10 bis 100 höher gegenüber konventionellen Robotern mit Servoantrieben und bietet damit ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Produktivität.

Darüber hinaus lässt sich eine wesentliche Erhöhung der Bahngenauigkeit auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten nachweisen. Bei hoher Vorschubgeschwindigkeit von 10 Meter/Minute ist eine Bahngenauigkeit im Bereich der vorab erfassten statischen Genauigkeit nachweisbar. Eine Dämpfung der ersten Eigenmoden, verursacht durch die Getriebeantriebe, bietet zudem das Potenzial einer verbesserten Störunterdrückung.

Mit der Bearbeitung eines Stahlprüfkörpers ist nun der nächste Schritt getan, um neuer Anwendungsgebiete für Industrieroboter zu erschließen. Der Prüfkörper umfasste dabei verschiedene Geometrien wie Ecken, Flächen und Kreise. Die Bearbeitung erfolgte mit den gegebenen Bearbeitungsparametern des Werkzeugherstellers.

Ausblick

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden des Fraunhofer IFAM die neue Technik zusammen mit Partnern aus der Industrie bis zur Serienreife weiterentwickeln. Für Industrieroboter mit Hybridantrieb gibt es eine Vielzahl von Anwendungen: Das Spektrum reicht in Kombination mit einer Linearachse von Bearbeitungsaufgaben aus der Luftfahrt wie leichteren Faserverbundstrukturen und Aluminiumlegierungen bis zur Bearbeitung härterer Materialien, wie Stahl oder Titan, die beispielsweise im Schienen-, Nutzfahrzeug- und Schiffbau sowie in der Energiebranche verwendet werden. Solche Bauteile und Materialien zu bearbeiten, war bisher mittels Industrieroboter nicht industriell robust realisierbar. Insbesondere die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialen durch Industrieroboter mit Hybridantrieben könnte sich als zukunftsträchtig erweisen. 

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