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Robotikforschung Beheizte Roboter zerspanen permanent präzise

Autor / Redakteur: E. Uhlmann, J. Polte und Ch. Mohnke / Peter Königsreuther

Roboter für die Zerspanung zu nutzen, bringt Vorteile mit sich. Das haben viele erkannt und setzen auf diese Alternative. Doch die thermische Drift macht Probleme. Forscher wollen das lösen.

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Bild 1: Wärmebildaufnahme einer sich im laufenden Betrieb mit der Zeit aufgewärmt habenden Roboterstruktur.
Bild 1: Wärmebildaufnahme einer sich im laufenden Betrieb mit der Zeit aufgewärmt habenden Roboterstruktur.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Der Vertikal-Knickarmroboter wird immer öfter im Bereich der Bearbeitung eingesetzt und ist Thema vielfältiger Publikationen [2, 5]. Die größten Vorteile von Industrierobotern auf diesem Einsatzfeld sind die deutlich geringeren Anschaffungskosten sowie eine erhöhte Flexibilität und Arbeitsgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen Werkzeugmaschinen [7]. Insbesondere bei der Nutzung des Roboters für Bearbeitungsaufgaben spielt die Genauigkeit eine qualitätsbestimmende Rolle. Die Verformung der Roboterstruktur durch Erwärmung bildet dabei den größten Einflussfaktor [2].

Zusätzlich ist dieser Einfluss unabhängig von der Nutzungsart sowohl für die Handhabung und Montage als auch für hochpräzise Bearbeitungsprozesse relevant. Verschiedenste Arbeiten haben gezeigt, dass der thermische Einfluss auf die Genauigkeit von 6-Achs-Industrierobotern eine große Auswirkung hat. In diesem Zusammenhang wurden Drift von ΔAPt = 0,10 mm bis ΔAPt = 1,78 mm erfasst [3, 6].

Bisher ist die thermische Drift nur mit viel Aufwand zu bändigen

Aktuell bestehen keine in der Praxis etablierten Verfahren und Methoden, welche die Auswirkungen der thermischen Drift ohne aufwendige Kalibrierungsmaßnahmen mit entsprechendem Systemstillstand kompensieren. Im Bereich der universitären und institutionellen Forschung bestehen einige wenige Ansätze zu kompensatorischen und konstruktiven Maßnahmen, jedoch existiert noch kein Entwicklungsansatz mit unmittelbarem Praxisbezug [1, 4]. Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und die Winkler AG haben nun ein System entwickelt, das die Reduktion der thermisch bedingten Verlagerung mittels geregelter Heizelemente vorsieht. Denn nach aktuellem Stand der Erkenntnisse zur thermischen Drift ist das Erwärmen betroffener Achsen einer Kühlung vorzuziehen [4, 6].

Bild 2: Blick auf die an den Achsen 1, 2 und 3 angebrachten Heizmatten am Roboter des Typs KR60 HA von Kuka.
Bild 2: Blick auf die an den Achsen 1, 2 und 3 angebrachten Heizmatten am Roboter des Typs KR60 HA von Kuka.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Ziel ist es, das gesamte Robotersystem auf einem permanent ausgeglichenen Temperaturniveau – also im Beharrungszustand – zu halten. Die Heizelemente werden an die Geometrie der jeweiligen Achse angepasst und erwärmen das Material auf eine Temperatur nahe des Beharrungszustands. Die Heizelemente werden dann zu dem Zeitpunkt abgeschaltet, in welchem der Wärmeeintrag der Motoren und Getriebe das System selbstständig auf einem einheitlich konstanten Niveau halten kann. Anschließend muss das Robotersystem nur einmalig kalibriert werden. Es werden leistungsfähige Oberflächenheizmatten-Systeme verwendet, die über eine neuartige Material- und Heizdrahtbasis, resistente, für den Einsatz in einer Fertigungsumgebung geeignete, Deckmaterialien und eine angepasste Geometrie verfügen.

Die Flächenleistungen der einzelnen Heizelemente liegen zwischen PA = 0,16 W/m2 und PA = 0,30 W/m2. Die Heizfläche AH = 1,05 m2 verteilt sich auf 14 Einzelmatten, die mit einer Spannung von 12 V ≤ U ≤ 60 V betrieben werden. Zur Steuerung der Heizleistung und individuellen Einstellung der einzelnen Heizmatten verfügen die Systeme über integrierte Regler, die über eine Infrarotschnittstelle parametriert werden können.

Die Drift des verwendeten Roboters des Typs KR 60 HA von Kuka kann bei maximaler Verfahrgeschwindigkeit von vf = 1,2 m/s und bei Prozesszeiten von t = 4 h bis zu ΔAPt = 1,4 mm betragen.

Heizsysteme können die Entscheidung bringen

Für eine reale Betrachtung der Erwärmung und der damit verbundenen Drift wird ein vereinfachter Fräsprozess an einer Prüfgeometrie untersucht. In einer Schleife wurde die Serienfertigung des Fräsbauteils und die damit verbundene realistische temperaturbedingte Fehlerentwicklung simuliert. Die zeitliche Fehlerentwicklung ist in Diagramm 1 dargestellt.

Diagramm 1: Das Bild zeigt die experimentell ermittelte Drift für die Musterbarbeitung.
Diagramm 1: Das Bild zeigt die experimentell ermittelte Drift für die Musterbarbeitung.
(Bild: Fraunhofer iPK)

Was die Musterbearbeitung betrifft, so beträgt die maximale Drift ΔAPt,max = 0,28 mm. Dieser Wert wird nach der Zeit t = 600 min erreicht. Somit ergibt sich für eine reale Bearbeitung eine deutlich geringere Drift, jedoch eine längere Erwärmungsphase bis zum stationären Zustand.

Für eine reale Bearbeitung kann mit dem Heizsystem der stationäre Zustand bereits nach t = 20 min erreicht werden. Dafür wurden zusätzlich zu der Bewegungsschleife der Bearbeitung die Heizmatten am Robotersystem genutzt. Das Ergebnis veranschaulicht Diagramm 2.

Diagramm 2: Die experimentell ermittelte thermische Drift für die Musterbearbeitung mit Heizmatten.
Diagramm 2: Die experimentell ermittelte thermische Drift für die Musterbearbeitung mit Heizmatten.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Die Zeit, bis zum stationäre Zustand, kann so von t = 600 min auf t = 20 min und somit auf ein Dreißigstel verringert werden. Das Heizsystem wurde für t = 11 min aktiviert und dann abgeschaltet. Im Anschluss kam es zu einem Überschwingen wegen der noch vorhandenen Restwärme im System. Nach kurzer Abkühlung befindet sich das System aber im stationären Zustand. Für reale Prozesse und Bewegungsabläufe kann mithilfe des Heizsystems ein thermisch stabiler Zustand nach der Zeit t = 20 min erreicht werden.

Anhand einer Versuchsreihe wird auch noch eine Bearbeitung ohne Heizsystem simuliert. Das Robotersystem bearbeitet im kalten Zustand ein erstes Bauteil und erwärmt sich dann in der programmierten Schleife über eine Zeit von t = 10 h. Im stationären Zustand wird dann ein weiteres Bauteil gefertigt. Im Anschluss daran werden die beiden Bauteile eingemessen und die Drift betrachtet.

An den geometrischen Formen und der Bohrung in Bild 3 zeigt sich, dass sich das gesamte Fräsbild in Driftrichtung verschiebt. Eine Verzerrung der Formen lässt sich nicht erkennen respektive messtechnisch erfassen.

Bild 3: Thermisch bedingter Fehler beim Fräsen an ausgewählten Geometrien (a = Kreis, b = Viereck und c = Bohrung) zu den Zeitpunkten t = 0 min (grau) und t = 600 min (grün).
Bild 3: Thermisch bedingter Fehler beim Fräsen an ausgewählten Geometrien (a = Kreis, b = Viereck und c = Bohrung) zu den Zeitpunkten t = 0 min (grau) und t = 600 min (grün).
(Bild: Fraunhofer IPK)

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