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Roboter-Oberflächenbearbeitung

RSP | Roboter-gesteuerte Oberflächenbearbeitung von geometrisch komplexen Gussteilen mit 3D-Konturerfassung und intelligenter Kraft-Momenten-Sensorik

Roboter-Oberflächenbearbeitung

Roboter-gesteuerte Oberflächenbearbeitung von geometrisch komplexen Gussteilen mit 3D-Konturerfassung und intelligenter Kraft-Momenten-Sensorik

Die neu entwickelte, sehr universelle Roboterzelle ist für das Gussputzen und die Bearbeitung der Oberflächen von bis zu 100 kg schweren Werkstücken mit komplexen Geometrien konzipiert. Ziel der Bearbeitung ist der gleichmäßige Abtrag von mindestens 1 mm Materialdicke von der Gesamtoberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks (Beispiele: Rohrfittings aus der Petro-Chemie oder Motorenteile aus der Automobilindustrie).

Das zu bearbeitende Werkstück wird mit einem Paletten-Spannsystem auf einem Rundtisch fixiert und damit in die Bearbeitungsposition gebracht. Auf dem Rundtisch sind zwei Paletten in einer 180°-Position angeordnet. Während das erste Werkstück in der Roboterzelle bearbeitet wird, kann auf dem Rundtisch in das zweite Paletten-Spannsystem das nächste Werkstück eingespannt werden. Der Rundtisch dreht das zu bearbeitende Werkstück in die Roboterzelle und positioniert die Palette lagerichtig mit einem Null-Punkt-Spannsystem auf einem zweiten CNC-Rundtisch innerhalb der Roboterzelle. Dieser Rundtisch mit der eingespannten Palette und dem darauf befindlichen Werkstück wird von dem 6-achsigen Industrie-Roboter als siebte Achse frei-programmierbar gesteuert und ermöglicht so optimale Bearbeitungs- und Eingriffspositionen.

Der Bearbeitungsroboter ist mit einer kompakten, wassergekühlten Hochleistungsspindel ausgestattet, die eine optimale Werkstückerreichbarkeit in Verbindung mit dem zusätzlichen CNC-Rundtisch gewährleistet. Über einen in den Robotergreifer integrierten Kraft-Momenten-Sensor wird die Andruckkraft des Werkzeuges auf das Werkstück präzise geregelt, so dass auch kraftsensitive Bearbeitungen an dem Werkstück durchgeführt werden können. Dies ermöglicht eine vollautomatisierte Rundumbearbeitung komplexer Geometrien.

Aufgrund der Materialeigenschaften der hochlegierten Stähle der Werkstücke wird mit verschleißenden Werkzeugen - in diesem beispielhaften Fall mit Schleifscheiben - bearbeitet. Das System kann aber universell auch mit anderen Werkzeugen, z. B. Fräswerkzeugen, arbeiten. Aus diesem Grund ist die Schleif-/Frässpindel mit einem Werkzeugwechselsystem mit bis zu 132 Werkzeugen ausgestattet, das verschlissene Werkzeuge durch Schwesterwerkzeuge austauscht und einen kontinuierlichen Produktionsprozess über viele Stunden sicherzustellt. Die Bearbeitung eines Werkstückes erfordert bei dieser Anwendung drei Werkzeugwechsel.

Kraft-Momenten-Sensorik wird seit einigen Jahren im Bereich der Robotik für die übergangslose Bearbeitung von entweder undefinierten oder veränderlichen Werkstückkonturen und kraftkonstanter Andruck-Steuerung bei Bearbeitungsprozessen eingesetzt. Der Innovationsgehalt des hier vorgestellten Verfahrens liegt in der Kombination von Kraft-Momenten-Sensorik mit der Bearbeitung komplexer 3D-definierter Oberflächen und einer orthogonal zur Oberfläche konstanten Kraftsteuerung bei gleichzeitiger Werkzeug-Verschleiß-Kompensation. Die 3D-Konstruktionszeichnungen der Werkstücke werden über eine CAM-Software eingelesen und notwendige Roboter-Bahnen offline programmiert, wobei die Werkzeugwege in sechs oder Mehr-Achsencodes berechnet werden.

Die Herausforderung dieser Innovation lag bei der Nutzung abrasiver Werkzeuge, da sich nicht nur der Werkstückumfang, sondern auch der Durchmesser der Schleifscheibe bei der Bearbeitung verändert. Durch intelligente Programmierung und Verlinkung der CAM-Software mit der Kraft-Momenten-Sensorik ist uns gelungen, was selbst der Software-Hersteller für unmöglich hielt. Mithilfe dieser Vernetzung und in Kombination mit einem 3D-Schleifscheibenmesssystem bearbeitet der Roboter mit unterschiedlichen abrasiven Werk-zeugen kraftsensitiv komplexe Oberflächen mit hohem Materialabtrag. Wird ein vordefinierter Schleifscheibendurchmesser erreicht, wird das Werkzeug automatisch über ein in den Greifer integriertes Werkzeugwechselsystem ausgetauscht.

Die Kombination von Kraftsteuerung und CAM-Programmierung der Werkstückgeometrie und den zugehörigen Roboterbahnen ist insbesondere bei Gussteilen mit großen Abmessungen und den sich daraus ergebenden Abweichungen notwendig. Die Abweichungen der realen Werkstücke von der Zeichnung kann mehrere Millimeter betragen. Das Werkstück wird daher zusätzlich vor der Bearbeitung mit einem am Roboterarm befestigten Laser-Abstandssensor an vorgegebenen Referenzpunkten vermessen. Die so ermittelten Messpunkte fließen in die Berechnung der Bahnen als Korrekturwerte der Werkstückgeometrie ein. Die eigentliche Bahnsteuerung erfolgt dann kraftgeregelt.

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