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Entgraten Hexapod-Roboter ermöglichen das automatische Entgraten von Gussteilen

| Autor / Redakteur: Thomas Janke / Rüdiger Kroh

Für viele Bearbeitungsaufgaben, bei denen keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Bearbeitungsergebnisses gestellt werden, sind klassische Bearbeitungszentren zu teuer. Mit Bearbeitungszellen auf Basis von Hexapod-Robotern ist ein flexibles Konzept verfügbar, das in der Bearbeitung neue Anwendungsbereiche erschließt.

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Die Entgratzelle für Motorblöcke ist mit einem Knickarm- und zwei Hexapod-Robotern bestückt. Bild: Janke
Die Entgratzelle für Motorblöcke ist mit einem Knickarm- und zwei Hexapod-Robotern bestückt. Bild: Janke
( Archiv: Vogel Business Media )

Mit dem zunehmenden Einsatz von Industrierobotern rücken diese auch zunehmend in den Fokus für Bearbeitungsaufgaben. Bearbeitungszellen auf Basis von Vertikal-Knickarmrobotern, den Arbeitspferden der Robotik, sind häufiger in Aluminium-Gießereien anzutreffen.

Bearbeitungszentren haben spezifische Nachteile

Auch wenn diese sich aufgrund ihrer Flexibilität, einfachen Programmierbarkeit und geringen Investitionskosten scheinbar für Bearbeitungsaufgaben anbieten, bringen sie doch einige, spezifische Nachteile mit sich. Aufgrund ihrer hintereinandergeschalteten Drehachsen (serielle Kinematik) addieren sich die Nachgiebigkeiten der einzelnen Gelenke vom Roboterfuß bis zum Handflansch, was sich negativ auf die Steifigkeit im Bearbeitungsprozess und die Genauigkeit des Ergebnisses auswirkt.

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Schon die Wiederholgenauigkeit des Roboters selbst liegt bei mehreren Zehntelmillimeter – wirken dann noch Bearbeitungskräfte auf den Roboter, ist die Entgratgenauigkeit schnell jenseits der zulässigen Restgrate. Bei der Bearbeitung von Eisengussteilen sind die Prozesskräfte noch größer, was die Resultate weiter verschlechtert und auch die Neigung zum Aufschwingen in der Bearbeitung zunehmen lässt. Daher sind die klassischen Sechsachser fast ausschließlich im Aluminium-Bereich anzutreffen, mit gemischten Erfahrungen der Anwender.

Parallele Anordnung der Antriebe erhöht Steifigkeit

Einem grundlegend anderen Ansatz folgen die Lösungen, die auf so genannten Hexapod-Robotern aufbauen. Ein Hexapode (griechisch: Sechsfüßer) ist eine spezielle Form einer Maschine, die über sechs Beine veränderlicher Länge verfügt. Diese Konstruktion ermöglicht wie bei klassischen Knickarmrobotern eine Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden (drei translatorischen sowie drei rotatorischen). Die auf den Roboter wirkenden Kräfte bei der Bearbeitung verteilen sich auf die einzelnen Achsen.

Durch die parallele Anordnung der Antriebe besitzen Hexapoden verglichen mit seriellen Robotern eine wesentlich höhere Steifigkeit, weil die Nachgiebigkeiten der Achsen sich nicht seriell addieren. Die erhöhte Steifigkeit führt letztlich auch zu einer erhöhten Positioniergenauigkeit und einer guten Prozesstauglichkeit für Bearbeitungsaufgaben wie das Entgraten. Durch ein besseres Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht und damit geringe bewegte Massen weisen sie auch eine sehr gute Dynamik auf, was sich in hohen Beschleunigungen widerspiegelt.

Bisher nur wenige Hexapod-Roboter in Serie gebaut

Als Beispiel für einen der wenigen Hexapod-Roboter, die heute in Serie gebaut werden, ist der Fanuc F-200i anzusehen (Bild 1). Dieser hat ein Verhältnis von Nutzlast (100 kg) zu Eigengewicht (200 kg) von 1:2 sowie eine Positioniergenauigkeit von kleiner als 0,1 mm, was bereits veranschaulicht, dass sich diese Geräte deutlich von heutigen Standardrobotern differenzieren.

Die ersten Maschinen, die mit Hilfe von Gelenkstäben betrieben wurden, waren Bewegungssimulatoren. So wurde bereits 1949 ein Reifenprüfstand von Gough [1] bekannt, mit dem verschiedene, realitätsgerechte Belastungen für Fahrzeugreifen erzeugt werden konnten.

In der Folge beschrieb D. Stewart [2] 1965 eine Parallelkinematik, deren Plattform sechs Freiheitsgrade besitzt und die unter der Bezeichnung Stewart-Plattform in die Literatur Eingang gefunden hat. Das Einsatzgebiet der Stewart-Plattform sollten Flug- und Fahrsimulatoren sein. Diese wurden seit den 70er-Jahren vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik genutzt.

Anwendung der Hexapod-Roboter als Simulatoren und Messmaschinen

Neben Simulatoren sind Maschinen mit Gelenkstabantrieben auch als Messmaschinen, vor allem aber auch als Handhabungseinrichtungen und Manipulatoren bekannt geworden. Aus der Robotik kommt daher auch eine Reihe der inzwischen gebräuchlichen Fachbegriffe, wovon die heute gängigste Bezeichnung der Hexapod-Maschinen abgeleitet wurde: Parallelkinematik- oder PKM-Maschinen beziehungsweise Parallel Kinematic Mechanism Machine Tools [3].

Bereits mit der Veröffentlichung von Stewart diskutierte man auch über die Möglichkeit der Bearbeitung mit Hexapoden. Seither gab es zahlreiche Projekte in der Grundlagenforschung, aber zunächst wenig industrielle Anwendungen. Diese Anwendungsmöglichkeiten wurden erst Mitte der 80er-Jahre wieder aufgegriffen, weil erst zu dieser Zeit die erforderliche hohe Rechnerleistung für die komplexen Mehrachsensteuerungen verfügbar war [4]. Insbesondere der Entwurf einer Steuerung, welche die translatorischen Bewegungen der sechs Linearachsen in ein kartesisches X-Y-Z-Koordinatensystem transformieren muss, galt lange Zeit als sehr komplex.

Erst seit Anfang der 90er-Jahre wurden außer den bekannten Flugsimulatoren auch Werkzeugmaschinen und Roboter auf der Basis von Hexapoden entwickelt. Abgesehen von erstgenannten ist es jedoch bisher noch in keinem Bereich zu einem dominierenden Einsatz der Hexapoden gekommen, zum Teil auch durch Verkennung der enormen Möglichkeiten dieser Geräte.

Die genannten Vorteile hinsichtlich Steifigkeit und Präzision sind auch mit einigen Besonderheiten des Hexapoden verbunden: So ist die Plattform, auf der später Werkzeug oder Werkstück montiert werden, nur begrenzt schwenkbar um die Raumachsen, selten um mehr als ±40° aus der Null-Lage. Ein Schwenk des Roboters um die Ecke ist also nicht möglich. Auch der maximale Arbeitsbereich, beim Fanuc F-200i ein Durchmesser von rund 1 m, muss im Gesamtkonzept berücksichtigt werden.

Hexapod-Roboter bieten Kombination aus Steifigkeit und Flexibilität

Es bedarf also einer großen Erfahrung bei der Konzeptionierung und Gestaltung solcher Bearbeitungszellen. Kombiniert der Konstrukteur den Hexapoden mit Komponenten wie Drehtischen, Positionierern und Linearachsen, so sind die genannten Einschränkungen leicht zu kompensieren. Dann erhält der Anwender eine leistungsfähige Maschine, welche die Steifigkeit einer Werkzeugmaschine mit der Flexibilität, leichten Bedienbarkeit und den geringen Kosten eines Roboters vereint. In der Lücke, die bezüglich Toleranzen und Kosten zwischen herkömmlichen Industrierobotern und Werkzeugmaschinen besteht, können die Hexapoden gewinnbringend eingesetzt werden [5].

Ein gutes Beispiel für die effektive Anwendung dieser Technik ist die Entgratung von Gussteilen in Giessereien (Bilder 2 und 3). Gerade bei Klein- und Mittelserien fordern die Gießereikunden eine flexible Entgrattechnik mit vertretbarem Kostenaufwand.

Bereits seit mehr als 30 Jahren liefert die in Ratingen ansässige L. Janke GmbH Lösungen für die Entgratung von Gussteilen aus Aluminium- und Eisenguss. Um auch für das Segment der kleineren Losgrößen sowie von großen Bauteilen eine Lösung zu finden, haben sich die Ingenieure von Janke bereits seit Anfang des Jahrzehnts mit Hexapoden für Entgrataufgaben beschäftigt, angeregt durch erfolgreiche Vorprojekte des Roboterherstellers Fanuc in den USA für die Vorbearbeitung von Motorenblöcken und Zylinderköpfen.

Diese Zellen sind bereits seit einiger Zeit in namhaften Gießereien im Einsatz und haben sich in der Praxis bewährt. Bereits an die 50 solcher Geräte sind für materialabtragende Aufgaben wie Bearbeiten, Entgraten und Bohren installiert worden [5].

Im Jahr 2005 wurde dann bei Janke eine erste Hexapod-Testzelle entwickelt, der mit bis zu zwei parallel angeordneten Hexapoden bereits zahlreiche Entwicklungen für Bearbeitungsaufgaben durchgeführt worden sind – für Werkstücke von 5 bis 200 kg Gewicht sowie von 50 bis 2500 mm Bauteillänge. Auf Basis der jeweiligen Vorversuche werden individuelle Bearbeitungszellen konfiguriert, wobei neben den ein bis sechs Hexapoden je Zelle auf ein ganzes Baukastensystem von Zusatzmodulen zurückgegriffen wird.

Hexapod-Bearbeitungszellen ermöglichen Bearbeitung schwieriger Aufgaben

Durch die individuelle Konfiguration der Zelle kann diese für die maßgebliche Bearbeitungsaufgabe, die Werkstückgeometrie und die Taktzeit optimiert werden, so dass auch Aufgaben und Geometrien möglich sind, an denen Standardzellen scheitern. So war es zum Beispiel ohne weiteres möglich, eine Entgratzelle für einen deutschen Automobilhersteller zu planen, in der auch mehr als 2 m lange Lkw-Hinterachsen durch Hinzufügen einer Linearachse am Roboter bearbeitet werden können.

Eine Ausstattung mit Fördersystemen oder Drehtischen erlaubt die Auslegung entsprechend der Taktzeit- und Budgetvorgaben der Kunden. Eine einfache Bearbeitungszelle mit direkter, manueller Beladung braucht den Kostenvergleich mit konventionellen Standard-Bearbeitungszellen nicht zu scheuen, hat aber im Vergleich zu diesen eine deutlich erhöhte Flexibilität.

Automatische Vermessung des Bauteils ist integriert

Hinsichtlich der Werkzeugantriebe sind sowohl Schleifantriebe für Diamantscheiben mit hohen Standzeiten als auch nieder- und hochfrequente Motorspindeln für Fräswerkzeuge verfügbar. Eine Besonderheit ist dabei, dass sowohl der gesamte Antrieb als auch der Werkzeugeinsatz automatisch innerhalb der Zelle gewechselt werden können – ein weiterer Vorteil des roboterbasierten Konzeptes (Bild 4). So sind Drehzahlbereiche von 100 bis 30 000 min–1 und damit ein großes Spektrum von Arbeitsaufgaben realisierbar, wie Schleifen, Fräsen oder Bohren.

Besondere Beachtung sollte auch der Kompensation von Werkstücktoleranzen geschenkt werden. Weil diese herstellungsbedingt bei vielen Bauteilen mehr oder weniger ausgeprägt vorhanden sind, muss insbesondere bei großen Werkstück-Abmessungen eine automatische Vermessung des Bauteils und Nachführung der Bearbeitungswerkzeuge in die Zelle integriert sein. Auch dabei kann ein Hexapod-basiertes Roboterkonzept seine Stärken ausspielen.

Ist der Hexapode werkstückführend, kann dieser das Werkstück vor der Bearbeitung einer Messstation zuführen und die Bauteiloberfläche im Bereich des Grates erfassen. Ist im anderen Fall der Roboter werkzeugführend, kann ein entsprechender Sensor parallel zum Werkzeug am Roboter montiert werden und das Werkstück abtasten – falls notwendig auch parallel zur Bearbeitung. Zur Vermessung stehen unterschiedliche mechanische, induktive und optische Messtaster zur Auswahl, wobei optischen und induktiven Sensoren aufgrund ihres zeitlichen Vorteils derzeit der Vorzug gegeben wird.

Ein großes Potenzial steckt in der Erfassung der Bearbeitungs- und Zustellkräfte während des Entgratvorgangs. Ohne diese müssen sich die Vorschubgeschwindigkeiten am maximal möglichen Gussgrat orientieren, um im ungünstigsten Fall eine Werkzeugzerstörung zu vermeiden. Erfolgt jedoch eine sehr zeitnahe Erfassung und Rückführung der Kräfte in das Bearbeitungsprogramm, können die Vorschubgeschwindigkeiten adaptiv geregelt werden, das heißt, der Vorschub und damit die Taktzeit orientieren sich permanent an der Gratausbildung. Dies kann im Extremfall zur Halbierung der Taktzeiten führen, wenn die Grate starken Schwankungen unterworfen sind.

Um die erforderliche Reaktionszeit der so genannten Force Control im Bereich von wenigen Millisekunden zu garantieren, ist eine Erfassung der Kräfte zwischen Roboter und Werkzeug durch spezielle Hardware sowie eine direkte Rückführung in die Regelkreise des Roboters notwendig. Diese Zusatzausstattung ist bereits verfügbar und wird derzeit in der Entgratanwendung erprobt.

Kompakte Bearbeitungslösung auch für kleine Seriengrößen

Mit den Hexapod-basierten Bearbeitungszellen ist eine flexible und kompakte Bearbeitungslösung auch für kleine bis mittlere Seriengrößen verfügbar, die bei vertretbarem Investitionsaufwand eine Automatisierung ermöglicht. Bei der individuellen Konfiguration durch den Spezialmaschinenbauer Janke kann für nahezu jede Grobbearbeitungsaufgabe eine maßgeschneiderte Lösung entworfen werden, die den Anforderungen des Kunden hinsichtlich Aufgabe, Durchsatz und Investitionsvolumen gerecht wird.

Auf der kommenden EMO in Hannover (Halle 25, Stand C18) präsentiert Janke eine automatische Hexapod-Engratzelle für Lkw-Achsbrücken der Daimler AG. In dieser Zelle wird mit einem an einer Linearachse hängenden Hexapod-Roboter die vollständige Vorbearbeitung eines mehr als 2 m langen Gussteils demonstriert, inklusive automatischer Werkstückzuführung und Vermessung. In aktuellen Entwicklungsvorhaben ist bereits eine Erweiterung des Einsatzbereichs für andere Automatisierungsaufgaben erreicht worden, so beispielsweise für das Hexapod-geführte Meißeln.

Dipl.-Ing. Thomas Janke ist Geschäftsführer der L. Janke GmbH in 40880 Ratingen, Tel. (0 21 02) 7 45 90-20, Fax (0 21 02) 7 45 90-40, th.janke@janke.de

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