Prinzipskizze der Regelung

Zur genauen spanenden Bearbeitung kommen in der Regel Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren zum Einsatz. Deren Kosten und die von ihrer Geometrie begrenzten Werkstückgrößen sind dabei in Kauf zu nehmen. Deutlich günstiger und flexibler wäre es in vielen Fällen, wenn man stattdessen mit Industrierobotern arbeiten könnte.

Die Vorteile einer solchen Lösung: Das Bauteil wird nicht wie beim Bearbeiten mit CNC-Maschinen fest auf einem Tisch verspannt. Der Roboter greift es stattdessen und führt es während der Bearbeitung durch den Fräskopf. Für Handling und Bearbeitung ist damit nur eine Maschine erforderlich; die Investitionskosten sinken, die Flexibilität steigt und außerdem lässt sich eine solche Roboterlösung gut innerhalb von vollautomatischen Produktionsstraßen einsetzen.

Bis dato scheiterten entsprechende Projekte jedoch meist an der fehlenden Absolutgenauigkeit roboterbasierter Konzepte, die bis in den Millimeterbereich reichen  Das Konzept zur echtzeitfähigen Fehlerkompensation bei Fräsprozessen: Mit Hilfe eines Messsystems werden die Ist-Daten permanent erfasst und mit den Soll-Daten aus der Steuerung des Roboters, welche zukünftig durch eine schnellere CNC-Steuerung ersetzt wird, verglichen. Die Differenz - der Fehler des Roboters - wird auf die Piezo-Aktoren übermittelt.

Der resultierende Stellweg der Spindel, welche auf der Ausgleichskinematik befestigt ist, wird kapazitiv erfasst und mit der Sollvorgabe des Stellwegs über die Piezo-Aktoren hochdynamisch nachgeregelt.  kann - verursacht durch die lange serielle kinematische Kette mit nur geringer Steifigkeit. Dieses Manko soll nun ein am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelter Ansatz lösen. Dieser besteht darin, serienmäßige Roboter mit einer externen Aktorik zu kombinieren und damit die absolute Genauigkeit zu erhöhen.

Hierzu entwickelten die IPA-Forscher eine separate Ausgleichsaktorik für den Fräskopf. Die an den Roboterfräsanlagen auftretenden Ungenauigkeiten werden online während der Bearbeitung gemessen und direkt dort, wo sie auftreten, in Echtzeit durch die Ausgleichsaktorik kompensiert. Letztere basiert auf Piezoaktoren der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI). Die Piezoaktoren arbeiten verschleiß- und reibungsfrei sowie ohne Schlupf. Außerdem können sie mit bis zu 10.000 g beschleunigt werden, lassen sich mit Frequenzen im kHz-Bereich betreiben und eignen sich so für die Kompensation der bei der Roboterbearbeitung auftretenden Ungenauigkeiten.

Einzelne Piezo-Element sind zu winzig

Die dreidimensionale Ausgleichskinematik für den Fräskopf – die treibende Kraft sind Piezoaktoren.

Da Piezoaktoren prinzipbedingt nur mit kleinen Hüben arbeiten, wurden sie vom IPA mit Festkörpergelenken kombiniert. Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen Anwendung Wege bis zu 690 μm realisieren. Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik in allen drei Achsen liegt im Nanometerbereich.

Die Festkörpergelenke zur Kraft- und Bewegungsübertragung arbeiten ebenfalls verschleißfrei und wartungsarm. Außerdem sind sie leichter, leiser, steifer, dynamischer und zudem genauer als konventionelle mechanische Ausgleichsmechanismen, welche zum Beispiel durch mechanische Getriebe und Elektromotoren angetrieben werden und umkehrspielbehaftet sind.

Arnold Puzik, Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA sieht vor allem in der Nachbearbeitung von Gussbauteilen ein enormes Potenzial für den beschriebenen Ansatz; und zwar insbesondere dann, wenn es um die Automatisierung von großen Bauteilen geht. Als weiteres mögliches Anwendungsfeld nennt er die Herstellung von Interieur-Verkleidung (Innentüre, Armaturen, Kofferraumverkleidungen) in hohen Stückzahlen, welche durch Nacharbeiten wie das hochgenaue Einbringen von Aussparungen, Bohrungen oder Entgratungen ihr letztes Finish bekommt.

Derzeit handelt es sich bei der beschriebenen Ausgleichskinematik um einen Prototyp. Bis zum marktreifen Produkt sind laut Puzik noch weitere Vorentwicklungen nötig, die jedoch zusammen mit den Endanwendern getätigt werden müssen, um auch allen Kundenanforderungen zu entsprechen. Neben den Automobilherstellern kann sich der Projektleiter andere Automatisierer und Werkzeugmaschinenhersteller als Kooperationspartner für eine gemeinsame Weiterentwicklung des Konzeptes vorstellen.

Der Piezoeffekt - bekannt seit über hundert Jahren

Moderne Piezoaktoren erlauben Stellwege bis 1 mm mit Auflösungen im Nanometerbereich, bei hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Kilohertz.

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen „Piezoeffekt" nach dem griechischen Wort „Piezo" für „Druck" oder „Pressen".

Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können. Man bezeichnet dies als den „inversen Piezoeffekt". Während sich der direkte Piezoeffekt für Sensorik-Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt speziell für die Realisierung von Aktoren an. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch wartungs- und verschleißfrei, und da keine Schmierung notwendig ist, auch für Vakuum geeignet.

Autor: Arnold Puzik ist Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA.