MEHR KÖNNEN Industrieroboter als Bearbeitungsmaschine
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1. Industrieworkshop »Industrieroboter als Bearbeitungsmaschine«
Begrüßung und Einführung Dr.-Ing. Martin Bilz Sascha Reinkober
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Tagesagenda
MEHR KÖNNEN Industrieroboter als Bearbeitungsmaschine
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Agenda
10.00 Begrüßung und Einführung Dr.-Ing. Martin Bilz & Sascha Reinkober, Fraunhofer IPK
Session I: NEUES AUS DER FORSCHUNG
10.30 Online Bahnkorrektur eines Industrieroboters basierend auf Laser-Messdaten Kaveh Haddadian, PTW der TU Darmstadt
11.00 Kraft- und Nachgiebigkeitsregelung basierte Verfahren für die Bearbeitung mit IR Dr.-Ing. Dragoljub Surdilovic, Fraunhofer IPK
11.30 Versuchsfeldführung: Roboter-Komplex am PTZ Berlin
12.00 Mittagspause
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Agenda
Session II: STATUSBERICHTE AUS DER INDUSTRIE
12.45 Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von IR im Presswerkzeugbau Lutz Renger, Adam Opel AG
13.20 Industrieroboter in der spanenden Bearbeitung – Praxisbeispiel Kantenbearbeitung Markus Zapke, Siemens Energy
Session III: LEISTUNGSSTEIGERUNG DURCH NEUE TECHNOLOGIEN
14.00 Industrieroboter als Bearbeitungsmaschinen & M-900iB/700 Nico Hermann, FANUC Deutschland GmbH
14.35 Leistungssteigerung durch neue Technologien und Anlagen Simon Lullin, Artis GmbH
15.15 Kaffeepause
15.45 Zusammenfassung und Abschlussdiskussion
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Hausvorstellung
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Zwei Institute unter einem Dach Das Produktionstechnische Zentrum (PTZ)
Virtuelle Produktentstehung
Unternehmensmanagement
Produktionssysteme
Medizintechnik
Montagetechnik und Fabrikbetrieb
Industrielle Automatisierungstechnik
Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
Industrielle Informationstechnik
Qualitätswissenschaft
Füge- und Beschichtungstechnik
Füge- und Beschichtungstechnik
© Images: Fraunhofer IPK (various photographers); BAM; Trumpf; Bernhard Manfred/Stock-4B_RF
PTZ Berlin
Qualitätsmanagement
Automatisierungs- technik
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PTZ – Auftrag, Ziele und Daten
Ziele
› Optimierung industrieller Prozesse – von der Produktidee über die Entwicklung bis zur Herstellung
› Schnelle Umsetzung der FuE-Ergebnisse in die Praxis
› Kostengünstige und umweltfreundliche Lösungen
› Universitäre Grundlagenforschung und Lehre
Daten
› 1986 Bezug des PTZ durch IWF und IPK
› Rund 600 Mitarbeiter (Wissenschaftler, Dienstleistung und Studenten)
› Mehr als 70 Versuchsstätten und 7 Speziallabore auf ca. 7 100 m²
› Etat von ca. 28,6 Mio. Euro im Jahr 2011
› 12 % der ehemaligen Mitarbeiter gründeten ein eigenes Unternehmen
IPK
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Einführung
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Die Welt der Fertigungstechnik „Platzhirsch“ Werkzeugmaschine Früher Heute Übermorgen?
Hintergrund Gegenwart und Zukunft
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Hintergrund Weltweite jährliche Lieferung von Industrierobotern
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Hintergrund Weltweite jährliche Lieferung von Industrierobotern
„2013 war für KUKA Roboter ein gutes Jahr.“ Manfred Gundel, CEO KUKA Roboter GmbH, Deutschland
„ABB Robotics erreichte 2013 das beste Ergebnis aller Zeiten.“ Vegard Nerseth, Group Senior Vice President Head of Business Unit Robotics Discrete Automation &
Motions Division, ABB, Schweiz
„Adept erlebte einen kontinuierlichen Anstieg der Nachfrage aus allen Regionen.“
Rob Cain, CEO, Adept Technology, USA
„Comau hat 2013 wie die globale Robotikindustrie einen neuen Rekordwert erreicht mit 20 Prozent mehr Verkäufen gegenüber dem letzten Rekordjahr.“
Mathias Wiklund, COO Comau Robotics, Italien
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nicht spezifiziert
Sonstiges
Metallerzeugung
Glas/Kermik/Stein
Elektro/Elektronik
Metallerzeugnisse
Maschinen
Nahrungsmittel
Kunststoff/Gummi/Chemie
Auto (Zulieferer)
Auto (Hersteller)
Stück
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2008
Hintergrund Lieferung von IR nach Deutschland (Branchen)
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nicht spezifiziert
andere
Bearbeiten
Montage/ Demontage
Beschichten
Schweißen
Handhabung
Stück
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2009
2008
Hintergrund Lieferung von IR nach Deutschland (Anwendungen)
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Hintergrund Stand der Technik – Pros und Cons
Industrieroboter (IR) wesentlich geringere Genauigkeit als WZM
Werkzeugmaschinen (WZM) um vielfaches teurer als IR
Unsicherheit im Umgang und Unwissenheit gegenüber dem Leistungsvermögen moderner Industrieroboter
Anwendungsgebiete für Mensch, IR & WZM bisher größtenteils getrennt, aber
Robotergenauigkeit nimmt sukzessive zu
Sonderbauformen
Regelungsalgorithmen
Roboterpreisniveau fällt stetig
Preis vergleichbarer Roboter in letzten 10 Jahren halbiert
Mensch
Handwerk
Industrieroboter
Bearbeitung
CNC-
Maschine
Endbearbeitung
Hohe
Flexibilität Intelligenz Fertigkeit
Hohe
Kosten Präzision Bearbeitungs-
geschwindigkeit
Niedrige
Kosten Präzision Bearbeitungs-
geschwindigkeit Hohe
Flexibilität
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Hintergrund Stand der Technik – allgemeines Verständnis
Theorie: Roboter ausgestattet mit Endeffektor (Bearbeitungswerkzeug) = Bearbeitungsmaschine
Industrieroboter ursprünglich für Handhabung
Bedingt Wechselwirkungen in Form von äußeren Kräften
Bearbeitungsprozesse bewirken ungleichmäßige Beeinflussung der Kinematik
Bearbeitungskräfte
Periodische oder aperiodische Anregungen (Drehzahl)
Grundlegende Prozesskenntnisse und Systemkenntnisse erforderlich
Ergreifen von Maßnahmen zur Kompensation oder Vermeidung
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Verwendung des Industrieroboters als Bearbeitungsmaschine
Spanende Bearbeitung: Fräsen und Schleifen
Wasserstrahltechnologie
Reinigungstechnologien
Roboterversuchsstand Fräsen/ Schleifen
Vier unterschiedliche Robotermodelle auf eine Fläche von mehr als 200 m2
Große Vielfalt an Tragfähigkeiten, Leistungen und Anwendungsgebieten
Räumliche und technologische Kopplung des Fräsens und Schleifens
Nutzung von Synergieeffekten Kantenbearbeitung
Direkter Bezug zu praxisbezogenen Industrieprojekten und aktueller Grundlagenforschung
Überblick PTZ Ausstattungsmerkmale
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Überblick PTZ Ausstattungsmerkmale - CAD
1) Wasserstrahlschneidanlage Stäubli RX160L
2) Schleifen Comau NJ 270, 3D-Erfassung gom ATOS SO
3) Kantenbearbeitung KUKA KR60HA, aktive Kraft-Momenten-Regelung
4) Bearbeitung mit nachgiebiger Spindel KUKA KR 30, Druckluftspindeln
5) Fräsen hochfester Werkstoffe Comau NJ 130, aktive Kraft-Momenten-Regelung
6) Nassbearbeitungszelle Comau NH3 – 220, Staubschutzueinhausung
7) Robotergeführte Reinigungstechnologien KUKA KR125, Schallschutzeinhausung
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Überblick PTZ Forschungs- und Entwicklungsthemen
Robotergeführte Bearbeitung
Kantenbearbeitung
Fräsbearbeitung
Feinbearbeitung
Adaptive Zerspanung
Reinigungstechnologien
Wasserstrahlschneiden
Ermittlung der Leistungsfähigkeit konventioneller Robotersysteme
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Schwerpunkte & Projekte
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Schwerpunkte & Projekte Herausforderungen
Systemsteifigkeit in Relation zu Werkzeugmaschinen geringer
Bearbeitung mit hoher Genauigkeitsforderung
Bearbeitung „filigraner“ Konturen
Bearbeitung „harter“ Werkstoffe
Programmierung und Handhabung
IT-Prozesskette unbekannt
Skepsis an einfacher Bahngenerierung
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Schwerpunkte & Projekte Ziele
Identifizierung neuer Anwendungsfelder
Vorbearbeitung mit großem Zeitspanvolumen
Symbiose Keramikwerkzeug und Roboter
Verringerung der Anwenderskepsis bzgl.
IT-Prozesskette und Leistungsfähigkeit
Leistung moderner Robotersysteme
Weiterentwicklung bestehender Technologien
Werkstoffe, Werkzeuge und Bearbeitungsparameter
Bearbeitungskonzepte 0
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0 5 10 15 20
Leis
tung
Zeit t
Scheinleistung S [VA]Wirkleistung P [W]Blindleistung Q [var]
Uhde HPS 60454000 bar
Messgerät:YokogawaWT180020 Hz
[VA][W]
[var]
[s]
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Kantenbearbeitung
Herstellung definierter Kantengeometrie (gebrochen, gefast, gerundet)
Fase bis Rundung = 2 stufiger Prozess
Bearbeitung komplexer Geometrien
Parameterstudien
Bahnplanung – Zugänglichkeitsprüfung
Prototypische Bearbeitung
Zellenkonzeptionierung
Schwerpunkte & Projekte Anwendungen - Fräsen
Kantenbearbeitung kompl. Strukturen
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Schwerpunkte & Projekte Anwendungen - Fräsen
Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe
Ausnutzung der Roboternachgiebigkeit
Parameterstudien
Schneidstoffvalidierung
Werkzeugentwicklung
Bahnplanung – Erarbeiten von Bearbeitungsstrategien Bearbeitung hochfester Werkstoffe
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Schwerpunkte & Projekte Anwendungen - Fräsen
Natursteinbearbeitung
Großer Arbeitsraum und hohe Flexibilität
Schneidstoffklassifizierung
Werkzeugentwicklung
Parameterstudien
Optimierung CAD/CAM-Ketten
Bahnplanung und Bearbeitungsstrategien Natursteinbearbeitung
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Gleitschleifen
Industriell etabliertes Fertigungsverfahren zur Entgratung, definierten Kantenrundung und Oberflächenveredelung
Großes Spektrum Verfahrensvarianten zur Bearbeitung von großen Stückzahlen oder Einzelteilen
Komplexe Zusammenhänge durch regellose Schüttung
Adaptives Bandschleifen
Einsatz konventioneller und hochharter Schleifbänder im Trockenschliff
Technologische Untersuchungen mit adaptiver Roboterregelung
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oto.
IWF,
TU
Ber
lin
Schwerpunkte & Projekte Anwendungen – Feinbearbeitung
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Roboterunterstütztes Honen
Automatisierte Bearbeitungen mehrerer Bohrungen in einer Aufspannung
Substitution manueller Bearbeitungsschritte bei kleinen und mittleren Losgrößen
Reduktion der Bearbeitungszeit komplexer Bauteile
Handhabung von Düsen
Reinigungstechnologien – CO2-Strahlen
Wasserstrahlschneiden
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IWF,
TU
Ber
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C02-Reinigungstechnik
Schwerpunkte & Projekte Weitere Anwendungsfelder
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Untersuchungen zur Eignung der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe
Blech und Volumenkörper
Aluminium, Guss und Verbundmaterialien wie CfK
Erstellung von Konzeptteilen (Teil einer Studienarbeit)
Unterschiedliche Features wie Fasen, Freiformen, Bohrungen, Gewinde etc.
Vergleich der Ergebnisse nach Verfahren und Material
Bahnplanung und Werkzeugbewertung
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oto.
IWF,
TU
Ber
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Schwerpunkte & Projekte Werkstoffqualifizierung
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Untersuchung bearbeitungsspezifischer Posen und Positionen im Raum
Systemsteifigkeit ist Richtungs- und Lageabhängig
Verhältnis der Nachgiebigkeit in Achsrichtung: X/Y/Z ≈ 2/5/4
Keine signifikanten Unterschiede zwischen struktureller Steifigkeit (Bremse) und Regler-Steifigkeit
Steifigkeit des Roboters im Vergleich zur WZM 1/10
Ableiten von Bearbeitungsstrategien
Schwerpunkte & Projekte Systemsteifigkeit – statisches Verhalten
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Modalanalyse des Roboters und des Positionierer
Untersuchung verschiedener Posen und Positionen
Einfluss Achsregelung und Bremsen
Einfluss zusätzlicher Massen auf das Verhalten (Anbauten wie Spindeln und Adapterplatten)
Ermittlung der relevanten Eigenfrequenzen und deren Ursachen
Fräsversuche zur Ableitung von Stabilitätsdiagrammen
Ableiten von Bearbeitungsgrundsätzen für die Fräsbearbeitung
Schwerpunkte & Projekte Schwingungsanalyse KR60 HA – dynamisches Verhalten
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Aktuelle Schwerpunkte & Projekte Oberflächenqualität bei robotergeführter Fräsbearbeitung
Die Oberflächenqualität hängt von vielen Faktoren ab
Bearbeitungsrichtung
Bearbeitungspose
Bearbeitungswerkzeuge und -werkstück
Bearbeitungsart (Gleichlauf-, Gegenlauffräsen)
Bearbeitungsparameter (vc, fz)
Am Beispiel des Qualitätsparameters: Welligkeit
Ergebnisse bestätigen Tendenzen aus Schwingungs- und Nachgiebigkeitsanalyse
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Fräsbearbeitung = hochdynamischer Prozess
Unterbrochener Schnitt Ungleichmäßige Kraftverläufe
Bearbeitungskräfte wirken sich auf Genauigkeit aus, daher Anforderungen:
Kräfte während Prozess konstant halten
Konstante Spanungsdicken auch bei Umorientierungen
Limitierung der Echtzeit-Umsetzung durch roboterseitige Lagerregelung (z. B. 4 ms)
Hochdynamischer Regelkreis benötigt
Aktuelle Schwerpunkte & Projekte Kraft-Momenten-Regelung im Fräsprozess
0
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1256 1296 1336 1376 1416
Proz
essw
erte
Prozesszeit tP
ms
Override
Zerspankraft
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40
60
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1104 1136 1168 1200 1232
Zers
pank
raft
F
Prozesszeit tP
ms
N
64 ms
64 ms
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Schwerpunkte & Projekte Scan&Mill – Iterative Fräsbearbeitung zur Verbesserung der Genauigkeit
Schlechte Genauigkeit bei spanender Bearbeitung mit Industrierobotern
Steifigkeit Abdrängung Form- und Lageabweichungen
Durch Material- und Prozessparameter ±1 mm
Iterative Bearbeitung (quasi-online)
Konventionelle Bearbeitung
3D-Scan zur Ist-Zustandserfassung nach der Bearbeitung
Vergleich Soll-Ist-Zustand
Extraktion von Bereichen mit Abweichung außerhalb der Toleranz
Restmaterialbearbeitung der extrahierten Bereiche
Wiederholung bis alle Bereiche innerhalb der Toleranz
© F
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a3D
s (o
ben)
, Fr
aunh
ofer
IPK
(unt
en)
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Function compTol ()
Ist_tolerance = 0.1 mm
For i = 1:5
Compare = CAD to scan
If compare < Ist_tolerance
rework
end …
Alle Toleranzen am Bauteil i. O. ?
Sollkontur
≙
Istkontur
Bahnplanung Bearbeitung
Zustandserfassung
Vergleich Soll-Ist Diagnose
Zonenauswahl
IPK, CAM-Anbieter IPK
a3Ds
a3Ds, CAM-Anbieter a3Ds, CAM-Anbieter
Endanwender
Endanwender
IPK, CAM-Anbieter
Schwerpunkte & Projekte Scan&Mill – Iterative Fräsbearbeitung zur Verbesserung der Genauigkeit
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Ansatz aus Produktion 4.0
Bestimmung des Energieverbrauchs vor und während der Bearbeitung
Roboterbewegungen
Zusatzaggregate
Werkzeugsysteme
Ermittlung energieeffizienter Bearbeitungsstrategien
Bahnplanung
Ressourcenschonender Spindelbetrieb
Relativierung zu vergleichbaren Bearbeitungsmaschinen/ Werkzeugmaschinen
Aktuelle Schwerpunkte & Projekte Energieeffizienz und Leistungsmessungen
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0 5 10 15 20
Leis
tung
Zeit t
Scheinleistung S [VA]Wirkleistung P [W]Blindleistung Q [var]
Uhde HPS 60454000 bar
Messgerät:YokogawaWT180020 Hz
[VA][W]
[var]
[s]