Robot O

Die Laborhalle der Automatisierungstechnik der BTU Cottbus

Der Entwurf entstand auf eine Anfrage der BTU Cottbus (Brandenburgische Technische Universität Cottbus). Die BTU ist Kooperationspartner im EU-Forschungsprojekt COMET (www.cometproject.eu), in dem Komponenten und Methoden zur Nutzbarmachung von Industrierobotern für Fräsprozesse entwickelt werden. Das auf 30 Monate angelegte Projekt mit einem Gesamtbudget von 8 Millionen Euro wird von 14 Kooperationspartnern aus 8 Ländern bearbeitet. Gesucht wurde ein Demonstrationsobjekt, das die Vorteile des Roboters gegenüber CNC Fräsen und die Fortschritte des Projektes selbst abbilden kann. Die hohe Geschwindigkeit, Genauigkeit und die flexible Anwendbarkeit für verschiedene Arbeitsschritte, macht den Roboter für die Integration in kleine und mittelständige Unternehmen (KMU) besonders interessant. Roboter finden bereits heute in verschiedenen Bereichen Anwendung für die spanende Bearbeitung. Sie ermöglichen durch ihren weiten Arbeitsraum die Bearbeitung von sehr großen Objekten und können durch die zusätzliche 6. Achse auch Hinterschneidungen fertigen, bzw. erfordern weniger Aufspannungen für die Fertigung komplexer Bauteile. Die im Vergleich zu CNC Maschinen kostengünstigen Roboter ermöglichen dazu einen flexiblen Einsatzes für andere Anwendungen und mehrstufige Fertigungsprozesse mit verschiedenen Werkzeugen und eignen sich daher auch besonders für den Einsatz in KMU. Ein anderes, bereits abgeschlossenes Forschungsprojekt “sme-robot” beschäftigte sich vor diesem Hintergrund explizit mit den Themenfeldern wie Sicherheit, intuitiver Bedienung, sicherer Kooperation mit Menschen, schneller Einrichtung und Umrüstung (plug&produce) und auch neuer Bauarten.( http://www.smerobot.org/deutsch/index.php http://www.youtube.com/watch?v=YFJLu9Mf7Gk)

Das COMET Projekt soll die Anwendbarkeit und Genauigkeit der Roboter basierend auf 4 Ansätzen verbessern. Kinematische und dynamische Robotermodelle stellen den Roboter dazu in einer virtuellen Simulationsumgebung dar. Dabei werden vorhandene Fehler des Roboters bereits offline simuliert und im generierten Roboterprogramm kompensiert. Durch die Kompensation innerhalb des Roboterprogramms sowie durch eine online Pfadkorrektur unter Einsatz eines 6D Tracking Systems und ein neues Subsystem, welches in Echtzeit Positionsfehler korrigieren soll, wird die Absolutgenauigkeit um den Faktor 100 (von 5-1 mm auf 0,05-0,02 mm) erhöht.

COMET Projektvideo

Aluminium machining test - SIR SpA

Das durch die BTU angefragte Objekt sollte die Vorteile und die Genauigkeit des Roboters und die Fortschritte durch die angewendeten Maßnahmen demonstrieren. Zudem sollte es sich als Giveaway eignen, das den Projektpartnern mitgegeben und auf Kongressen verteilt werden kann. Als Zielmaterial wurde zunächst Aluminium genannt, wobei in der Testphase des Roboters meist Hartschaum Verwendung findet und Ziel des Gesamtprojekts die Bearbeitung von Werkzeugstahl sein soll. Verschiedene Entwürfe wurden zunächst mit der Prämisse verfolgt, dass das Objekt auf Kongressen von weitem sichtbar, aber dennoch transportabel sein sollte. Diese Objekte hätten sich jedoch weder als Giveaway geeignet, noch wäre aus der Entfernung die Präzision, ohne zusätzliche Detailfotos, wahrnehmbar gewesen, um die es in der Darstellung der Fortschritte hauptsächlich gehen sollte. Der Entwurf zielte daher auf ein sehr kleines Objekt, da dieses Präzision viel besser veranschaulicht und zudem durch den Kontrast zu dem riesigen Industrieroboter ein starkes Motiv von einer großen, schweren und dennoch präzisen Maschine erzeugt, das viele Menschen fasziniert. Aus verschiedenen Gründen fiel die Entscheidung auf einen Ring. Das Handwerk des Goldschmieds wird mit hoher Sorgfalt und Präzision assoziiert. Der Verweis auf Handwerk kann im Sinne einer möglichen Integration in KMU gesehen werden. Viel schwerer jedoch wiegt die emotionale Objektbindung, die bei Ringen besonders ausgeprägt sein kann, da sie am Körper und im eigenen Sichtfeld getragen werden. Der Superbowlring, der Ehering und der Ring aus der “Herr der Ringe” sind verschiedene Beispiele aus unserer Kultur, die dies belegen. Da an dem COMET Projekt sehr viele Wissenschaftler über Jahre gemeinsam beteiligt sind, sich jedoch an verschiedenen Standorten befinden, könnte der Ring eine Zusammengehörigkeit symbolisieren und damit stärken. Die formale Gestaltung orientierte sich an Motiven, die im Zusammenhang mit dem Projekt eine Rolle spielen und Anforderungen, die an das Objekt zur Darstellung der Technologie und deren Möglichkeiten gestellt wurden. Da die wichtigste und anspruchsvollste Zielanwendung, die Herstellung von präzisen technischen Teilen darstellt, eignete sich das Zahnrad als Motiv, da es ein verbreitetes Symbol und Ikon für Technik und Mechanik darstellt. Die Anzahl der Zähne (60) leitet sich von der Anzahl der Zacken aller Sterne im EU Logo ab, da COMET ein europäisches Projekt ist, das das EU Logo im eigenen Logo zeigt. Um die Flexibilität des vielachsigen Roboters in der Bearbeitung von Hinterschneidungen zu demonstrieren, befindet sich um den Ring eine Gravur mit dem Projektnamen. Für die Gravur diente die Schrift Helvetica Rounded als typographische Vorlage . Die Schrift wirkt wie in einem Zug gefräst, weist jedoch doppelt umlaufende Fräsbahnen auf, die es ermöglichten die Strichbreite der Buchstaben zu variieren um ein ausgewogeneres Schriftbild zu erzielen. Eine weitere Ebene stellt das Material des Ringes dar. Ähnlich wie bei Medaillen, bei denen der Materialwert über den Rang des Ausgezeichneten Auskunft gibt, kann bei dem Ring das Material des Ringes anzeigen, wie weit das Projekt gekommen ist. Es beginnt bei gut spanendem aber bereits recht hartem Corian (mineralisch gefüllter Kunststoff), geht über anspruchsvolleres Aluminium und ist bei Werkzeugstahl am Ziel. Bei Stahl sind besonders große Spannungen zu erwarten, da die Fräsgeschwindigkeit nicht zu gering sein darf, damit die Späne die entstehende Wärme abtransportieren können (da hier das technologisch anspruchsvollere Trockenfräsen eingesetzt wird). Neben dem bereits beschrieben Vorteil in der Verwendung von Robotern in KMU in der Eigenschaft eines flexiblen Einsatzes für verschiedene Anwendungen, liegt ein Weiterer in der möglichen Übernahme des Handlings von Werkstücken. Im Gegensatz zu CNC Maschinen ist hierbei kein weiterer Menschen oder Roboter erforderlich. Für die Demonstration dieser Fähigkeit, vor allem in einer vorgesehenen öffentlichen Präsentation, soll der Ring über seine Formgebung hinaus noch wenigstens eine weitere Bearbeitungsstufe durchlaufen. Der recht monotone Fräsprozess lässt sich vom Betrachter auch zu einfach ausschnittsweise betrachten und zum Ergebnis extrapolieren. Der Gefahr eines informationsarmen Erlebnisses lässt sich auch dadurch begegnen, dass der Fräsprozess Teil einer dramaturgischen Inszenierung wird, die im Ganzen wahrgenommen werden muss. Möglichkeiten einer Nachbearbeitung wären zum Bespiel Polieren, Galvanisieren (Gold, Silber, Chrom), Eloxieren (bei Aluminium), Anlauffärben (bei Stahl) oder Emaillieren. Darüber hinaus kann in der Demonstration ein weiterer positiver Aspekt dargestellt werden. Durch die geschlossene CAD/CAM Kette lässt sich die Geometrie des Ringes sehr leicht variieren. Insbesondere für Kleinserien und Einzelfertigung ist die Möglichkeit einer schnellen Anpassung von großem Vorteil und ein starkes Argument für die Anwendung in KMU. Um die Möglichkeit der schnellen individualisierten Fertigung zu demonstrieren, könnten Besucher sich von dem Roboter Ringe, speziell auf ihre Größe angepasst, fertigen lassen. Die genauere Gestaltung und der Ablauf der Demonstrationsprozesse hängt von den technischen Möglichkeiten ab und wird erst erfolgreichen Fräsergebnissen und Tests folgen.

Vorentwurf und Rendering per Cinema 4D

Konstruktion

der Fräspfad des Schriftzugs wurde manuell nach Vorlage der Helvetica rounded angelegt.

Anpassung des Schriftzugs an die Geometrie des Ringes

Import in virtuelle Umgebung des Roboters

Simulation der Frässchritte

Ausgegangen von einem kubischen Stab, wird ein Zylinder gefräst, welcher im nächsten Schritt zum Hohlzylinder ausgesfräst wird. Der Hohlzylinder erhält Zähne. Da diese in einem 90° Winkel angelegt wurden, können sie durch eine Drehung der Rotationsachse und einfacher linearer Fräsung mittels Flachfräser realisiert werden.

Fräspfade für Zahnfräsung

Simulation des Fräsvorgangs mit virtuellem Robotermodell mit Hilfe der Software PowerMill (www.powermill.com).

Die während des Fräsen auftretenden Kräfte werden zur Kontrolle gemessen und aufgezeichnet. Auf dem Monitor lassen sie sich auch während des Prozesses überwachen.

erster Frästest des Ringes mit Hartschaum

Wie sich hier erkennen lässt, gab es bei den ersten Versuchen deutliche Abweichungen von der Sollkontur. Diese resultierten aus einer zu hohen Vorschubgeschwindigkeit und dem (durch den im Vergleich zu CNC Maschinen langsameren Interpolationstakt des Roboters) daraus resultierenden Überspringen von Bahnstützpunkten. Durch Anpassungen des Vorschubs und der Dichte der Stützpunkte konnte dieser Fehler abgestellt werden (1: Bahn wird korrekt abgefahren, 2+3: Bahnstützpunkte werden übersprungen).

Incom ist die Kommunikations-Plattform der Fachhochschule Potsdam

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Robot O

Konstruktion

Import in virtuelle Umgebung des Roboters

Simulation der Frässchritte

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