Ausgangssituation

Bislang beschränkt sich die spanende Bearbeitung mit Industrierobotern auf Prozesse mit niedrigen Genauigkeitsanforderungen und geringen Zerspankräften. Dies ist im Wesentlichen in der verglichen mit Werkzeugmaschinen geringen Stei­figkeit der Industrieroboter und der daraus resultierenden großen statischen und dynamischen Verlagerungen am Tool-Center-Point (TCP) begründet. Bereits bei der Zerspanung von Aluminium kommt es aufgrund der wirkenden Prozesskräfte zur statischen Abdrängung des Fräsers im Millimeterbereich. Zudem treten schon bei geringer Schnitttiefe deutliche Schwingungen auf (Rattern), die zu hohem Werkzeugverschleiß und geringer Oberflächenqualität des Werkstücks führen.

Ziel des Projektes

Das Ziel des hier beschriebenen Forschungsvorhabens ist es, die Genauigkeit bei der Fräsbearbeitung mit Industrierobotern zu steigern, indem die auftretenden statischen und dynamischen Verlagerungen steuerungstechnisch kom­pensiert werden. Diese Kompensation soll online, also während des Bearbeitungsprozesses erfolgen und für den kompletten Arbeitsraum des Roboters gültig sein. Im Hinblick auf einen späteren industriellen Einsatz wird auf kosten­intensive Sensorik verzichtet.

Vorgehensweise

Die Realisierung des Vorhabens erfolgt an einem System, welches den aktuellen Stand der Roboter- und Steuerungstechnik widerspiegelt. Aus diesem Grund wird ein QUANTEC Roboter der KUKA Roboter GmbH eingesetzt, welcher sich durch seine hohe Steifigkeit, Dynamik und Bahngenauigkeit auszeichnet. Die Verwendung einer KR C4-Steuerung ermöglicht es, die programmierte Roboterbahn über einen externen Regler mit sehr kurzer Reaktionszeit (2 - 4 ms) zu beeinflussen. Die Kommunikation zwischen der Robotersteuerung und dem Regelungs-PC erfolgt dabei über eine echtzeitfähige Ethernet-Verbindung. Vervollständigt wird die Roboterzelle (Abb. 1) durch eine Frässpindel der Firma HSD.

Abb. 1: Aufbau der Roboterzelle

Im ersten Schritt wird das Strukturverhalten des Roboters untersucht. Durch den Einsatz des instituts-eigenen 3D-Scanning-Laser-Doppler-Vibrometers ist es neben der Analyse des dynamischen Verhaltens auch möglich, das statische Verhalten des Roboters - also die Reaktion auf eine definierte Kraft - mit hohem Detaillierungsgrad zu erfassen. Die entstehenden dreidimensionalen Verformungsbilder, wie in Abb. 2 dargestellt, ermöglichen eine anschauliche Analyse des Roboterverhaltens. Durch den Einsatz eines Identifi­ka­tions­algo­rith­mus können die mechani­schen Eigenschaften je­der einzelnen Roboterachse hochgenau bestimmt werden. Zusätzlich zu den Getriebeelasti­zi­tä­ten lassen sich auf diese Weise auch sämtliche Steifigkeitsparameter der Lager berechnen.

Abb. 2: Verformungsbild

Auf Basis der CAD-Daten und der identifizierten Gelenkparameter wird in Matlab / Simulink ein echtzeitfähiges Mehrkörpermodell des Roboters erstellt, welches durch die Kopplung an die KR C4-Steuerung stets die aktuelle Pose des Roboters abbildet. Während der Fräsbearbeitung wird der TCP des Mehrkörpermodells mit den aktuell wirkenden Zerspankräften, die auf Basis der Motorströme bestimmt werden, belastet. Die so berechnete statische Verlagerung des TCP wird in Form eines Signals zur Bahnkorrektur an die Steuerung übertragen, so dass die ursprünglich programmierte Roboterbahn trotz der wirkenden Zerspankräfte exakt verfolgt wird.

Die Schwingungen, die während des Bearbeitungsprozesses auftreten, werden über einen Beschleuni­gungs­aufnehmer an der Spindel erfasst. Durch gezielten Achseingriff soll diese Schwingung ohne den Einsatz zusätzlicher Aktorik reduziert werden. Eine besondere Herausforderung hierbei besteht in der Synchronisation des Korrektursignals mit dem erfassten Beschleunigungssignal, da die Reaktion des Roboters aufgrund des Zyklustakts der Steuerung verzögert wird.

 

Status	laufend
Laufzeit	08/2008-01/2015
Letzte Aktualisierung	14.06.2010
Partner	KUKA Roboter GmbH, HSH Deutschland GmbH
Förderer	nicht öffentlich gefördert
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