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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Auslegung und Optimierung eines Zerspanungsroboters

Aufgrund gestiegener Anforderungen an die Flexibilität und erhöhtem Preisdruck in der Metallbearbeitung werden vermehrt Industrieroboter für die Zerspanung eingesetzt. Diese ursprünglich für Handlingaufgaben entwickelten Roboter haben jedoch einige Nachteile gegenüber konventionellen Werkzeugmaschinen. Vor allem die geringe Positioniergenauigkeit und schlechtere Steifigkeit des Roboters schränken deren produktiven Einsatz in der spanenden Fertigung ein.


Die beschriebenen Nachteile resultieren zu einem großen Teil aus den Gelenken und somit den Antrieben und Lagern der seriellen Kinematik. Ein Ansatz zur Steigerung der Steifigkeit und Genauigkeit ist die konstruktive Optimierung der Kinematik. Diese Optimierung ist Gegenstand des Forschungsprojekts „Effective“. In diesem Projekt wird eine hybride Maschinenkinematik für die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) entwickelt, die die Vorteile von Industrierobotern und Werkzeugmaschinen kombiniert.

Schwächen aktueller Roboter

Untersuchungen zum Einsatz von Industrierobotern für die spanende Bearbeitung zeigen die Schwächen der seriellen Roboterkinematik. Während die statischen Eigenschaften die Positioniergenauigkeit beeinflussen, beschränken die dynamische Eigenschaften die Stabilität des Zerspanprozesses und somit deren Produktivität. Dies kann anhand von Messungen, die an einem großen Industrieroboter – einem „KR 500 L340-2“ – durchgeführt wurden, gezeigt werden. Deren statische Steifigkeit beträgt, je nach Pose und Richtung der Kraftwirkung, 0,5 bis 1 N/µm. Im Vergleich zu konventionellen Werkzeugmaschinen, die eine viel höhere Steifigkeit bieten, ist dies eine deutliche Verschlechterung, die sich negativ auf die Bauteilgenauigkeit auswirkt.
Die dynamischen Eigenschaften des Roboters wurden mithilfe einer experimentellen Modalanalyse ermittelt. Diese belegen die hohe Schwingungsanfälligkeit bei geringen Eigenfrequenzen. Bild 1 zeigt den gemessenen Nachgiebigkeitsfrequenzgang am Roboter-Endeffektor in X-Richtung.

Bild 1.  Nachgiebigkeits-Frequenzgang an der Spindel eines Industrieroboters.

Bild 1.
Nachgiebigkeits-Frequenzgang an der Spindel eines Industrieroboters.

Die erste Eigenfrequenz des untersuchten Roboters beträgt 5,5 Hz. Bei dieser Eigenfrequenz führt der Roboter eine Schwingung um die A1-Achse, also die unterste Achse, aus. Diese Schwingung in Antriebsrichtung zeigt, dass die Steifigkeit im Antriebsstrang besonders gering ist. Dies ist auf das eingesetzte Zykloidgetriebe zurückzuführen.
Getriebe mit großer Untersetzung wie Zykloid- oder „Harmonic-Drive“-Getriebe werden aufgrund der hohen geforderten Momente in den Antrieben eingesetzt. Diese haben jedoch prinzipbedingt eine geringe Steifigkeit und ein nichtlineares Verhalten. Vor allem unter Last führen Verformungen im Getriebe beim Lastwechsel zu einem Umkehrspiel. Dies bewirkt, dass bei einem Richtungswechsel der Roboterarm eine kleinere Winkeländerung ausführt als von der Steuerung vorgegeben. Somit weicht der tatsächliche Winkel vom Sollwinkel ab, was zu einer Positions- und Bahnabweichung am Endeffektor führt.
Aktuelle Forschungsprojekte beschäftigen sich daher intensiv mit der Kompensation dieser Fehler [1]. Ein Ansatz ist die Kompensation der aus den Getrieben resultierenden Bahnfehler in der Offline-Bahnplanung. Hierfür werden Steifigkeitsmodelle der Getriebe aufgebaut, parametriert und aus den simulierten Prozesskräften die resultierende Verlagerung berechnet. Diese wird in der Offline-Bahnplanung berücksichtigt, um die Bauteilgenauigkeit zu verbessern [2].
Ebenso wurden Online-Kompensationsverfahren umgesetzt, die die Verlagerung mit echtzeitfähigen Steifigkeitsmodellen und gemessenen Prozesskräften auf der Steuerung berechnen [3]. Auch eine Ausgleichskinematik mit Piezoaktuatoren wurde von Puzik et al. vorgestellt [4]. In diesem Fall sind jedoch nur kleine Ausgleichsbewegungen möglich. Durch die Messung der Verlagerung mit einem Lasertracker werden die Positioniergenauigkeit sowie der Arbeitsraum limitiert. Eine weitere Einschränkung des Arbeitsraums ergibt sich durch die Kinematik. So muss der Roboter das Bauteil bewegen, während die Frässpindel fest auf einer Ausgleichskinematik steht. Dies verringert insbesondere bei großen Werkstücken die Steifigkeit, da die Traglast der Roboter limitiert ist.

Neues Maschinenkonzept für die spanende Bearbeitung

ZA Laepper Bild 2

Bild 2.
Konzept einer im Projekt „Effective“ entwickelten hybriden Maschinenkinematik für die Fräsbearbeitung.

Nicht beeinflusst werden können durch die vorgestellten Arbeiten die schlechten dynamischen Eigenschaften. Da diese jedoch zu einer geringen Prozessstabilität führen, ist deren Optimierung besonders wichtig [5]. Aus diesem Grund wird nachfolgend eine neue serielle Armkinematik vorgestellt und hinsichtlich ihrer Steifigkeit und der dynamischen Eigenschaften optimiert. Bild 2 zeigt das Maschinenkonzept für einen Bearbeitungsroboter.

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Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Berend Denkena

Jahrgang 1959, studierte und promovierte an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2001 leitet er das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Zudem ist er Sprecher des Sonderforschungsbereichs 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“.

Dipl.-Ing. Benjamin Bergmann

Jahrgang  1985,  studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2011 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen; seit  2017  leitet  er  dort  den  Bereich  Maschinen  und Steuerungen.

Dipl.-Ing. Thomas Lepper

Jahrgang  1986,  studierte Maschinenbau  an  der  Leibniz  Universität  Hannover. Seit  2012 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Maschinen und Steuerungen.

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