Die weltweite Zunahme des Luftverkehrs und der damit verbundene Bedarf an Flugzeugen stellen die Hersteller vor die Herausforderung, ihre Produktionsraten kurzfristig erheblich zu steigern. Gleichzeitig müssen die Produktionskosten und das Flugzeuggewicht sinken. Letzteres führt zu einer zunehmenden Verdrängung klassischer Materialien wie Aluminium durch carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK).

Allerdings ist die Fertigung, Bearbeitung und Montage von großen CFK-Bauteilen aufgrund der werkstoffspezifischen Eigenschaften im Vergleich zu metallischen Strukturen erheblich aufwendiger und gegenwärtig nur durch manuelle Prozesse oder den Einsatz von Sondermaschinen beherrschbar. Hier setzt das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM aus Bremen an. Dessen Projektgruppe Fügen und Montieren FFM entwickelt in Kooperation mit dem Institut für Produktionsmanagement und -technik (IPMT) der Technischen Universität Hamburg-Harburg automatisierte Lösungen für die klebtechnische Montage und die Präzisionsbearbeitung von Großbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. Dabei setzen die Wissenschaftler auf preiswerte Industrieroboter, um diese Prozesse zukünftig nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger zu gestalten.

Weiterhin arbeiten die Projektpartner an einer flexiblen Vorrichtung für die Aufnahme und Anpassung unterschiedlicher Großbauteile, um optimale Voraussetzungen zu schaffen. Zum Hintergrund: Herkömmliche Vorrichtungen zur Bauteil-Aufnahme sind in der Regel schwere Stahlkonstruktionen, die zur Einhaltung der erforderlichen Toleranzen spezielle Fundamente benötigen. Aufgrund der starren Anlageflächen ist eine solche Aufnahme für genau ein spezifisches Bauteil ausgelegt. Die Maßhaltigkeit muss dabei in wiederkehrenden, zeitaufwendigen Messungen überprüft werden, während die Produktion ruht. Eventuelle Design-Änderungen am Bauteil erfordern zudem entsprechenden Modifikationen der Bauteilaufnahme oder sogar Neukonstruktionen.

Um dieses Manko zu lösen, hat das Team des Fraunhofer FFM eine umfassende Entwicklungsplattform konzipiert, die zur Erstellung anwenderspezifischer Lösungen dient. Sechs Hexapod-Roboter, die aufgrund ihrer parallelen Kinematik sehr steif sind und eine hohe Positioniergenauigkeit besitzen, nehmen dabei das Bauteil auf. Über ihre Verfahrbarkeit in allen sechs Freiheitsgraden bieten die Hexapoden die erforderliche Flexibilität für die Handhabung verschiedener Bauteile.

Die Verbindung zum Bauteil erfolgt über Vakuumgreifer, wobei an jedem Hexapod ein Greifer mit drei Saugnäpfen montiert ist. Deren 3-Punkt-Auflage garantiert die Kompatibilität der Anlage mit beliebigen Großbauteilen. Im Zentrum eines jeden Saugers sitzt ein drehbar gelagerter Anschlag aus Kunststoff, so dass sich der Sauger mit seiner flexiblen Sauglippe auch gekrümmten Oberflächen anpasst. Der Kontaktpunkt des Anschlags mit der Bauteil-Oberfläche liegt in seinem Drehpunkt und ist somit unabhängig von der Bauteil-Krümmung. Seine Position bezüglich eines jeden Hexapoden wird einmalig mit einem Lasertracker eingemessen, was eine in­dividuelle Einstellung des gesamten Roboterfelds entsprechend der jeweiligen Bauteil-Geometrie ermöglicht.

Neben der beschriebenen Flexibilität eröffnet die Anlage völlig neue Möglichkeiten in der Manipulation der Bauteile im Zusammenhang mit den eigentlichen Montage- und Bearbeitungsvorgängen. Sowohl die Form der üblicherweise zunächst biegeschlaffen Bauteile als auch deren Lage im Raum ist den Prozessanforderungen entsprechend anpassbar, um beispielsweise Klebspalte für das Fügen von Versteifungselementen zu minimieren oder zwei Großbauteile zum Zwecke der Montage zueinander auszurichten.

Das Roboterfeld hat mit seinen Vakuumgreifern ein gekrümmtes CFK-Bauteil aufgenommen, welches vom Laserradar berührungslos vermessen wird. Die Mess­punkte (Fotomontage) sind entsprechend ihrer Abwei­chungen zum CAD-Modell farblich gekennzeichnet.

© Fraunhofer IFAM

Nach dem Einrüsten eines Bauteils startet zunächst eine automatisierte, berührungslose Geometrievermessung, je nach anwendungsspezifischen Anforderungen mittels eines Laserradars oder eines Laser­scanners. Ein Abgleich der Messpunkte mit einem CAD-Modell ergibt die Abweichungen zwischen dem realen Bauteil und seiner idealen Form. Größe und Richtung der Abweichungen liefern Informationen für die Verstellbewegungen der Hexapoden, mit denen sie das Bauteil seiner Sollform annähern. Damit entsteht ein Regelkreis, der nach wenigen Iterationen zu einer bestmöglichen Formeinstellung des Bauteils führt und neben den Fertigungstoleranzen der Bauteile andere Störgrößen wie etwa den Einfluss einer wechselnden Umgebungstemperatur kompensiert.

Um das Bauteil im Zuge der Verformung nicht zu überlasten, messen Sensoren kontinuierlich die mit den Hexapoden aufgebrachten Kräfte und Momente. Nach der Formkorrektur stellt eine kooperierende Bewegung aller Hexapoden die Lage des Bauteils unter Erhaltung der zuvor bereits optimierten Geometrie ein, indem zwischen den Vakuumgreifern konstante Koordinatenbezüge bestehen bleiben.

Analog zur Formkorrektur misst die Anlage hierbei zunächst die Bauteil-Lage, vergleicht sie mit einer Soll-Vorgabe und berechnet aus den ermittelten Abweichungen die Verfahr­wege der Hexapoden. So können beispielsweise für einen anschließenden Bearbeitungsprozess eine optimale Zugänglichkeit für einen Industrieroboter gewährleistet oder sogar komplexe Fügebewegungen bei der Verbindung zweier Großbauteile realisiert werden.

Höhere Absolutgenauigkeit ein Muss

Eine zentrale Herausforderung beim Einsatz von Industrierobotern für die Bearbeitung von CFK-Großstrukturen ist bislang deren unzureichende Absolutgenauigkeit, die bei klassischen Anwendungsgebieten und Einsatzweisen nur eine untergeordnete Rolle spielt. Die offline programmierten Bewegungsabläufe werden in der Produktionsumgebung üblicherweise anhand realer Bauteile durch das Teachen relevanter Bahnpunkte modifiziert und bei zukünftigen Programmdurchläufen mit einer hohen Genauigkeit wiederholt angefahren. Bei fest eingespannten und exakt positionierten Bauteilen mit kleinen bis mittleren Abmaßen und geringen Fertigungstoleranzen – wie etwa im Automobilbau – sorgt dieses Vorgehen für eine ausreichende Präzi­sion der Bearbeitungsbahnen.

Ein Lasertracker dient zur Kalibrierung eines Industrieroboters: Das Fraunhofer-Team steigert die Absolutgenauigkeit des Roboters in den Bereich seiner Wiederholgenauigkeit.

© Fraunhofer IFAM

Ganz anders verhält es sich bei der angestrebten Montage- und Bearbeitungsstrategie der Fraunhofer-Projektgruppe FFM. Die Bahnpunkte der Roboter müssen im Zusammenhang mit großen CFK-Strukturen aufgrund der Fertigungstoleranzen und der immensen Bauteil-Dimensionen an jedes Bauteil individuell angepasst werden; ein Anfahren von geteachten Punkten ist demnach nicht sinnvoll. Das Gesamtkonzept für die flexible Vorrichtung und die Montage sowie Bearbeitung basiert daher auf adaptiven Einzelprozessen, die nur dann automatisiert umsetzbar sind, wenn alle eingesetzten Roboter und Maschinen bsolute Raumkoordinaten zielsicher mit der geforderten Genauigkeit anfahren können, ohne dass ein Bediener korri­gierend eingreift. Ergo ist die Erhöhung der Absolutgenauigkeit von Industrie­robotern ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsaktivitäten.

Um dies zu erreichen, wurden eigens Kalibrierungsroutinen entwickelt, die herstellerunabhängig für beliebige Roboter und Maschinen anwendbar sind. Das Verfahren der Genauigkeitssteigerung basiert auf einer an der Technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelten Verbesserung des mathematischen Robotermodells. Da die meisten Roboterhersteller keine Möglichkeit zur Änderung der Modellparameter direkt auf der Robotersteuerung bieten, dient das kalibrierte externe Robotermodell dazu, entweder anstelle des steuerungsinternen Modells direkt Maschinenkoordinaten für den Roboter zu berechnen, oder die Ungenauigkeiten aus den Berechnungen des internen Modells zu kompensieren.

Für die industrielle Anwendung entwickelte das Fraunhofer-Team eine Lösung auf Basis der CAD-CAM-Software Delmia/Fastsuite, die alle Parameter aus der Kalibrierung bei der Offline-Programmierung der Roboter verwendet. Das heißt, sie berechnet die offline erstellten Punkte und Bahnen individuell für den im Prozess eingesetzten Roboter und übergibt sie an die Robotersteuerung. Dabei sind die Schnittstellen zu den verschiedenen Robotersteuerungen nach einheitlichen Standards programmiert.

Die Kalibrierung passt die einzelnen Parameter des mathematischen Modells individuell an den Industrieroboter an und erfasst unter anderem Offset- und Steigungsfehler der Antriebe, Parallelitäts­fehler der Gelenkachsen sowie Längen­abweichungen und Elastizitäten der einzelnen Roboterbauteile. Im ersten Schritt erfolgt dabei die Vermessung einer bestimmten Anzahl von „Posen“ (Position und Orientierung) des Roboters im vorgesehenen Arbeitsraum mittels eines Lasertrackers. Lasertracker erfassen spezielle Messmarken (Tooling-Ball-Reflektoren – TBR) mit einer Messunsicherheit von unter 40 µm in einer Entfernung von vier Metern. Drei dieser TBR sind am Roboterflansch angebracht und bilden ein Koordinatensystem, das die jeweilige Roboterpose beschreibt. Die Software ermittelt die Roboterposen, den Standort des Lasertrackers sowie die Positionen der am Roboterflansch angebrachten TBR und führt den Messvorgang vollauto­matisch durch. Anschließend passt ein numerisches Minimierungsverfahren das mathematische Robotermodell an. Das Verfahren kommt ohne Wertetabellen aus und erstellt ein individuelles Modell für jeden Roboter auf Basis der aktuellen Produk­tionsumgebung.

Auf diese Weise erreichen die Wissenschaftler die hohe Absolutgenauigkeit der Roboter innerhalb der Produktions­pro­zesse und infolgedessen die direkte Er­stellung einer funktionsfähigen Bearbeitungsbahn bereits in der Arbeits­vorbereitung, ohne dass eine manuelle Korrektur vor Ort erfolgen muss. Doch die Fraun­hofer-Forscher gehen noch einen Schritt weiter: Zusätzlich kann ein berührungslos arbeitendes Lasermesssystem – wie zuvor bei der flexiblen Vorrichtung beschrieben – die reale Geometrie eines Bauteils vor der Ausführung des Roboterprogramms messen. Das System modifiziert die Roboterprogramme mit den aktuellen Geometriemessdaten und passt sie individuell an ein Bauteil an. In einer einzigen Simu­lationsumgebung gelingt so die Kopplung der Daten aus der präzisen Bauteilvermessung mit der hohen Absolutgenauigkeit der kalibrierten Roboter.

Durch die konsistente Verbindung von Form- und Lagekorrektur, modernsten 3D-Messsystemen und der Genauigkeitssteigerung von Industrierobotern ist es schlussendlich möglich, vollständig adaptive Prozesse für Großbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen umzusetzen. Erstmals wird so eine realitätsgetreue Abbildung aller prozessrelevanten Parameter in einer virtuellen Umgebung möglich. Der Roboter als universell einsetzbare Automatisierungslösung ermöglicht dabei mit geringem Aufwand eine komplette Modellumstellung oder eine Fertigung von unterschiedlichen Bauvarianten auf der gleichen Produktionslinie.

Das Vorhaben „Adaptive CFK-Fertigungs- und Montagezelle“ – CFK-AFMO FFM – läuft noch bis Ende Juni 2013 und wird über das niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr gefördert.

Autoren: Christof Borrmann ist Projektleiter am Fraunhofer IFAM, Tim Brencher arbeitet als Gruppenleiter am Fraunhofer IFAM, Juan Ramirez ist als Projektleiter am Fraunhofer IFAM tätig und Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack arbeitet als Oberingenieur am IPMT der TU Hamburg-Harburg.