Ein Cobot in der Präzisionsfertigung

Die Fertigung von hochpräzisen Werkstücken beinhaltet viel Handarbeit und verlangt höchstes Geschick. Dennoch gibt es oft teuren Ausschuss. In einem Forschungsprojekt mit neun Industriepartnern und vier Forschungsinstutionen ging RhySearch der Frage nach: Wie kann die Fertigung von hochpräzisen Werkstücken automatisiert, der Fertigungsprozess beschleunigt und insbesondere die Prozesssicherheit erhöht werden, und das bei einer Formfehlertoleranz von 0.1 µm? Ein kollaborativer Roboter, ein sogenannter Cobot, von Kuka spielt dabei eine wesentliche Rolle.

RhySearch ist ein öffentlich-rechtliches Forschungsinstitut. Thomas Liebrich leitet den Bereich Präzisionsfertigung, sein Team umfasst derzeit 4 Mitarbeiter. RhySearch kombiniert Forschung mit Anwendung: «Wir machen keine Grundlagenforschung. Es stehen immer Firmen und deren konkrete Fragestellungen im Fokus», sagt Liebrich. Seit 2 Jahren läuft im Labor in Buchs SG eine Präzisionsdrehmaschine, die in einem gemeinsamen Projekt unter anderem mit KUKA eine wichtige Rolle spielt. Erst vor kurzem kam ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum hinzu.

Das Ziel ist laut Liebrich «eine Infrastruktur, mit der einerseits Forschungsprojekte mit Firmen durchgeführt werden können, damit diese bessere Produkte und Anwendungen auf den Markt bringen sowie effizientere Herstellungsprozesse für ihre Produkte entwickeln können.» Auf der anderen Seite will RhySearch die eigene Infrastruktur auch für die Prototypenfertigung als Dienstleistung für Unternehmen einsetzen, für die sich die Anschaffung solcher Maschinen nicht rechnen würde.

Oberflächen für optische Anwendungen

Im Fertigungslabor werden viele Teile für optische Anwendungen hergestellt. Ein Beispiel sind Polygonspiegel für die Barcode-Erkennung an Supermarktkassen. Wenn diese Oberflächen nicht hochgenau eben sind und Mittenrauwerte Ra <10 nm aufweisen, funktioniert der Scanner nicht.
Hochgenau bedeutet in diesem Fall maximale Formabweichungen im Bereich von 0.1 µm auf eine Werkstückgrösse von 100 mm. Liebrich stellt einen Vergleich an: «Wenn man einen Laserstrahl über die Länge eines Fussballfeldes auf einen Planspiegel lenkt, darf der zurückgeworfene Strahl maximal um die Breite eines Haares neben der Quelle eintreffen.»

Das sind sehr hohe Anforderungen an die Maschine, die Werkzeuge, die bedienende Person und an die Umgebung. So ist zum Beispiel das Fertigungslabor auf 20 °C klimatisiert. Ausserdem steht die Drehmaschine direkt auf dem Fundament, damit es keine Probleme mit Schwingungen gibt.
Das Maschinenbett besteht aus einem 3,5 t schweren Granitblock, welcher auf aktiven Schwingungsisolatoren gelagert ist. Dies erlaubt erst die hohe Präzision. Die Schlitten schwimmen auf einem Ölfilm und werden über Linearmotoren angetrieben, sodass die Antriebskette berührungsfrei ist. Die Spindel ist luftgelagert, ebenfalls um die Reibung zu minimieren und dadurch möglichst wenig Wärme in das System einzutragen.

Rhysearch und KUKA — v.l. Dr. Thomas Liebrich, Bereichsleiter Präzisionsfertigung, Jasmin Zanolari, Polymechanikerin und Thomas Riedweg, Country Manager KUKA Schweiz.

Langwierige Vorbereitung

Das Werkstück wird über ein Nullpunktspannsystem festgehalten. Und hier kommt der Zeitfaktor ins Spiel, denn das Werkstück muss vor der Bearbeitung ausgewuchtet werden. Liebrich: «Das geschieht über Maden- oder Innensechskantschrauben an der Seite des Spannfutters. Eine Sensorik misst die Unwucht und über die Software wird angegeben, welche Schraube rein- oder rausgedreht werden muss. Je nach Teil braucht ein erfahrener Bediener bis zu 30 Minuten für diese Einstellungen.»

Eine weitere wichtige Voraussetzung vor der eigentlichen Bearbeitung ist, dass sich die Maschine in einem thermisch stabilen Zustand befindet. Ist dies nicht der Fall – beispielsweise wenn die Maschine über das Wochenende abgeschaltet war – muss zunächst ein Warmlauf-Programm ausgeführt werden. Das kann je nach geforderter Werkstück-Qualität einige Stunden dauern. Die eigentliche Bearbeitung dauert je nach Werkstück einige Minuten bis zu einigen Stunden. «Das Werkstück richtig zu spannen und die Werkzeuge richtig einzustellen braucht Handfertigkeit und Verständnis. Meistens dauert es länger, die Maschine und das Werkstück vorzubereiten, als das Teil zu fertigen», sagt Liebrich.

Extern auswuchten

Bisher wurde das Auswuchten auf der Maschine durchgeführt. Das führt aber zu hohen Stillstandzeiten. Um die Bearbeitungszeit der Maschine zu erhöhen, haben Liebrich und sein Team ein Forschungsprojekt initiiert, bei dem ein kollaborativer Roboter von KUKA, ein LBR iiwa, zum Einsatz kommt.

«Der Ansatz war folgender: Das Auswuchten sollte ausserhalb der Maschine geschehen. Das heisst wir haben in Zusammenarbeit mit dem Maschinenlieferanten eine Wuchtstation gebaut. Darauf lässt sich das Werkstück mit der Werkstückpalette aufspannen und auswuchten. Ist das Werkstück fertig vorbereitet, wird es auf einem Palettenwagen deponiert. Der Roboter holt es von dort und macht den automatischen Werkstückwechsel. So können wir beispielsweise über Nacht bis zu 6 Teile mannlos bearbeitet werden.»

LBR iiwa — Der Roboterarm holt vorbereitete Werkstücke vom Palettenwagen und macht den automatischen Werkstückwechsel.

Kollisionen richtig erkennen

Die Kommunikation zwischen Roboter und Maschine erfolgt über ein Leitsystem, das über ein Panel gesteuert werden kann. Der Roboterarm bewegt sich entlang einer programmierten Bahn. Kraftsensoren überwachen die Bewegung permanent. Bei einer Kollision stoppt der LBR iiwa sofort. Das sieht zunächst nach einer einfachen Pick and Place-Anwendung aus. Die Herausforderung liegt aber darin, dass die Bewegung nicht positionsgesteuert, sondern kraftgesteuert funktioniert. Das ist dem Umstand geschuldet, dass die luftgelagerte Spindel der Drehmaschine sehr empfindlich ist.

Praezisionsfertigung — Die Bewegung wird mittels Kraftsensoren gesteuert, weil die luftgelagerte Spindel der Drehmaschine empfindlich ist.

Die Schwierigkeit liegt darin, dass jedes Werkstück eine andere Masse und einen anderen Schwerpunkt besitzt. Somit initiiert jede Aufnahme eines Werkstücks am Roboterarm eine Kraft, die aber nicht als Kollision erkannt werden darf. Das umzusetzen erforderte viel Knowhow und war für uns wie auch für die Projektpartner KUKA sowie Wenger Automation & Engineering lehrreich.

Dr. Thomas Liebrich, Bereichsleiter Präzisionsfertigung bei RhySearch

Hohe Zeitersparnis

Bei der Auswahl des passenden Roboterarms entschieden sich die Techniker für den LBR iiwa von KUKA. LBR steht für «Leichtbauroboter», iiwa für «intelligent industrial work assistant». Fühlen, erkennen, situationsgerecht reagieren und intelligent zusammenfügen sind die wesentlichen Merkmale des iiwa. Dank der integrierten Momentensensorik ermöglicht der LBR iiwa die Automatisierung feinfühliger Montageaufgaben für kraftgeregelte Fügevorgänge und Prozessüberwachung. Mit seinen 7 Achsen bietet der Roboter eine grosse Bewegungsfreiheit, was bei den engen Platzverhältnissen in der Drehmaschine ein entscheidendes Kriterium darstellt.

Aufgrund seiner fortschrittlichen Leichtbauweise muss der LBR iiwa nur eine sehr geringe eigene Masse bewegen. In Kombination mit seiner hoch performanten Regelung ist er damit in der Lage, Konturen kraftgeregelt zu folgen. Er überzeugt durch einen grossen Verfahrweg und kann selbst im ausgestreckten Zustand noch einige Kilo an Gewicht heben. Im kollaborativen Betrieb verfährt der Roboter mit einer relativ geringen Arbeitsgeschwindigkeit: «Wir sind nicht im Bereich eines Lohnfertigers mit hohen Stückzahlen, wo es um Minuten oder gar Sekunden geht. Hier ist Genauigkeit wichtiger als eine hohe Taktzeit. Ausserdem sparen wir durch den Einsatz des Roboters gegenüber früher schon viel Zeit», fasst Liebrich zusammen.

Noch weiter automatisieren

Das Projekt war ein Erfolg. Der kollaborative Roboter ist im Forschungslabor seit Anfang 2020 in Betrieb. «Einige der Industriepartner überlegen sich bereits, ob sie bei sich selbst kollaborative Robotertechnik einsetzen wollen, gestützt auf die Erfahrungen aus dem Projekt», weiss Liebrich.

RhySearch selbst behält das System in Betrieb und plant weitere anwendungsorientierte Projekte. Liebrich sieht Entwicklungspotenzial etwa beim automatisierten Werkzeugwechsel oder bei Montageaufgaben. «Wir wollen verstärkt in Richtung Automatisierung forschen und haben auch schon eine Stelle ausgeschrieben. Für die weitere Digitalisierung und Automatisierung brauchen wir noch mehr Knowhow in der Programmierung von Robotern. Wir freuen uns, wenn Interessenten direkt auf uns zukommen und uns kontaktieren.»

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