MEHR KÖNNEN Industrieroboter als Bearbeitungsmaschine · Vegard Nerseth, Group Senior Vice...

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


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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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* hochgerechnet

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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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Que

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DM

A R

obot

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nicht spezifiziert

Sonstiges

Metallerzeugung

Glas/Kermik/Stein

Elektro/Elektronik

Metallerzeugnisse

Maschinen

Nahrungsmittel

Kunststoff/Gummi/Chemie

Auto (Zulieferer)

Auto (Hersteller)

Stück

2011

2010

2009

2008

Hintergrund Lieferung von IR nach Deutschland (Branchen)


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Que

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nicht spezifiziert

andere

Bearbeiten

Montage/ Demontage

Beschichten

Schweißen

Handhabung

Stück

2010

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

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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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Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe

Ausnutzung der Roboternachgiebigkeit

Parameterstudien

Schneidstoffvalidierung

Werkzeugentwicklung

Bahnplanung – Erarbeiten von Bearbeitungsstrategien Bearbeitung hochfester Werkstoffe


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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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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

lin

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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IWF,

TU

Ber

lin

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

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Proz

essw

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Prozesszeit tP

ms

Override

Zerspankraft

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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

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a3D

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IPK

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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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40000

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Zeit t

Scheinleistung S [VA]Wirkleistung P [W]Blindleistung Q [var]

Uhde HPS 60454000 bar

Messgerät:YokogawaWT180020 Hz

[VA][W]

[var]

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