Bild: Klingelnberg
Hochpräzision für die Robotik

Roboterbasierte Automatisierungslösungen sind inzwischen fester Bestandteil industrieller Fertigungsbetriebe. Klingelnberg bietet mit seinem Produktionssystem Lösungen an, die es Herstellern von Robotersystemen erlauben, hochpräzise Antriebe in Serie zu fertigen.


Seit 2010 ist der weltweite Markt für Industrieroboter stetig um etwa 15 % pro Jahr gewachsen (Schätzung Klingelnberg Management). In den Jahren 2011 bis 2015 wurden durchschnittlich circa 200 000 Industrieroboter in den Markt gebracht (Schätzung Klingelnberg Management). Insbesondere die Vertikal-Knickarm-Roboter mit fünf oder sechs Achsen nehmen mit einem Marktanteil von 66 % einen bedeutenden Anteil ein (Schätzung Klingelnberg Management). Mit Blick in die Zukunft erscheint aufgrund der erwarteten stetigen Nachfrage aus den Bereichen Elektronik sowie aus der Automobilindustrie eine weitere Wachstumsrate von rund 17 % pro Jahr in den kommenden Jahren als wahrscheinlich.

 

Struktureller Aufbau von Robotersystemen


Grundsätzlich wird beim kinematischen Aufbau von Robotern zwischen serieller und paralleler Struktur unterschieden. Bei Robotern mit serieller Struktur geschieht die Übertragung der Bewegungs- und Handhabungsaufgaben über starre Gliedmaßen, die paarweise an Gelenken miteinander verbunden sind. Beispiele hierfür sind Scara- und Vertikal-Knickarmroboter. Hier sind die Gelenke im Allgemeinen als ebene Getriebe in Form von Planeten- beziehungsweise Zykloidgetrieben ausgeführt. Werden in einem Gelenk zwei oder mehr Freiheitsgrade kombiniert, wie es beispielweise beim Gelenk am Endeffektor eines Vertikal-Knickarmroboters der Fall ist, werden zumeist Kegelrad-/Hypoidgetriebe verwendet. Die serielle Struktur zeichnet sich durch ein hohes Maß an Flexibilität aus.


Im Vergleich hierzu wirken bei Parallelkinematiken die Antriebsachsen parallel auf den Endeffektor. Parallele Roboterstrukturen weisen meist eine feste und eine bewegte Ebene aus, die über mehrere parallele Glieder miteinander verbunden sind. Aufgrund des parallelen Aufbaus zeichnen sich diese Robotersysteme durch ein hohes Maß an Genauigkeit aus. Jedoch sind derartige Lösungen stets Sonderlösungen für dezidierte Anwendungsfälle, sodass Roboter mit paralleler Struktur weniger flexibel einsetzbar sind.

 

Mechanische Getriebe als Ursprung von Präzision und Laufruhe


Um Bewegungs- und Handhabungsaufgaben effizient und wirtschaftlich umzusetzen, müssen Robotersysteme zum einen über hohe Beweglichkeit und Dynamik in den Verfahroperationen und der Positionierung verfügen. Zum anderen stellt eine präzise und gleichförmige Übertragung von Bewegungen und Drehmomenten die wesentliche Herausforderung an die verwendeten Getriebe in den Gelenken und Aktuatoren von Robotersystemen dar. Das verlangt wiederum eine geringe Spielfreiheit sowie eine hohe Verdrehsteifigkeit.


Wie lassen sich nun die beschriebenen Anforderungen an die verwendeten Getriebe und Verzahnungen fertigungstechnisch umsetzen und absichern? Welche qualitätsbestimmenden Einflussgrößen müssen bei einer auf hohe Stückzahlen ausgelegten Fertigung von Verzahnungsbauteilen betrachtet werden? Klingelnberg mit Sitz im nordrhein-westfälischen Hückeswagen bietet mit seinem Produktionssystem Lösungen an, die es Herstellern von Robotersystemen ermöglichen, hochpräzise Antriebe in Serie herzustellen.

 

Klingelnberg-Kegelradverzahnung für Greifer und Endeffektoren


Die Präzision der Kegelradverzahnung im Endeffektor oder in der „Roboterhand“ ist maßgeblich für die Positionierung des Tool-Center-Points (TCP). Zur Sicherung der Qualität bieten die Nordrhein-Westfalen eine bewährte und am Markt etablierte Lösung an: das Klingelnberg-Produktionssystem. Dieses mit dem „Industrie 4.0 Award“ der ROI ausgezeichnete System steht für eine vollständige Closed Loop-Fertigung von Kegelradverzahnungen. Durch den geschlossenen Regelkreis ist es möglich, an qualitätsbestimmenden Abschnitten der Prozesskette proaktiv und korrigierend einzugreifen und somit zu effizienten und optimalen Ergebnissen zu gelangen. Beginnend mit der Auslegung der Verzahnung werden alle an die Verzahnung gestellten Anforderungen entlang der Fertigungskette optimal umgesetzt. Die notwendigen Korrekturen und Anpassungen, die entlang einer toleranzbehafteten Produktion entstehen, werden mithilfe des Closed Loop-Produktionssystems quantifizierbar.


Zu Beginn eines neuen Fertigungsprozesses steht die Auslegung des Radsatzes. Basierend auf der Simulation des Herstellprozesses werden die makro- und die mikrogeometrische Zahnflankenform des Radsatzpaares generiert. Anschließend optimiert der Verzahnungsexperte die Verzahnung im Spannungsfeld der geforderten Eigenschaften und unter Zuhilfenahme der Zahnkontaktanalyse unter Last für die entscheidenden Betriebsfälle. Eine hohe Tragfähigkeit, ein geringes Geräuschverhalten, optimale Verlagerungseigenschaften unter Last sowie ein geringes Verdrehflankenspiel lassen sich schon während der Auslegung bestmöglich analysieren und einstellen.


Innerhalb dieses Systems werden auf Basis der Auslegungen alle notwendigen Informationen für jeden Bearbeitungsschritt entlang der Fertigungskette zentral zusammengeführt: Die Geometrie des Verzahnungsrohlings, die zur Herstellung der Verzahnung notwendige bauteilspezifische Maschinenkinematik und Werkzeuggeometrie für das Fräsen und Entgraten der Vorverzahnung sowie das Vorhalten von Härteverzügen – das alles sind wesentliche Bestandteile zur Beschreibung der Vorverzahnung innerhalb des Closed Loop-Produktionssystems. Die Bearbeitungsdaten für das Schleifen und die jeweiligen Soll-Messwerte für das Vermessen der Verzahnungsgeometrie entlang der Fertigungskette komplettieren den durch Klingelnberg vorangetriebenen Industrie 4.0-Ansatz. Alle qualitätsbestimmenden Produktionsmaschinen sind über den durch Klingelnberg gewählten Vernetzungsansatz optimal miteinander verbunden. Das Closed Loop-Produktionssystem bietet auf Basis einer konsequenten und transparenten Informationsrückführung entlang der Fertigungskette ideale Voraussetzungen zur optimalen Analyse und Gestaltung von Kegel- und Stirnradsätzen.


Bei der Auswahl eines geeigneten Verzahnungsverfahrens zur Erreichung höchster Verzahnungsqualitäten stellt das Schleifen von Kegelrad-, Stirnrad- sowie Hypoidverzahnungen einen optimalen Kompromiss aus Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Produktivität dar. Mit der Kegelrad-Verzahnungsschleifmaschine G 30 bietet Klingelnberg durch konsequente Weiterentwicklung des Vertikalmaschinenkonzepts ein wirtschaftliches und flexibles Gesamtpaket zur Fertigung hochpräziser Verzahnungen in der Serie an.


Dank der kontinuierlichen Überwachung des Maschinenzustands und des Bearbeitungsprozesses sorgt die Kegelrad-Verzahnungsschleifmaschine G 30 für maximale Prozesssicherheit – und das bei hochproduktiven Serienanwendungen. Die Kontrolle der Bauteil-Eingangsqualität durch Überwachung der Werkstückanlage sowie des Zahnflankenaufmaßes der Vorverzahnung stellt eine gleichbleibende Bauteilqualität nach dem Schleifen sicher. Die Grundlage eines jeden hochproduktiven Serienprozesses ist eine taktzeitoptimierte, automatische Beladung. Unter Verwendung des vollständig in der Maschine integrierten und NC-seitig optimal abgestimmten Beladesystems kann der Werkstückwechsel mit der G 30 in Minimalzeit durchgeführt werden. Das integrierte taktile Messsystem bietet die Möglichkeit einer schnellen produktionsbegleitenden Qualitätsabsicherung unmittelbar in der Maschine.

 

Stirnradverzahnungen für Robotergelenke


Die Anforderungen an ebene Robotergetriebe, die größtenteils in den Gelenken von Knickarmrobotern zum Einsatz kommen, sind eine hohe Übertragungsgenauigkeit und ein geringes Verdrehflankenspiel. Es werden unterschiedlichste Getriebeformen eingesetzt: In Asien sind Zykloidgetriebe gängig, in Europa und Amerika werden Planetengetriebe mit evolventischem Zahnprofil oder auch Wellgetriebe verwendet. Alle Robotergetriebe haben dabei eins gemeinsam: die kompakte Bauform und das sehr große Übersetzungsverhältnis.


Die engen Toleranzen verlangen Fertigungstechnologien, die höchste Verzahnungsqualitäten ermöglichen. Daher werden die wesentlichen Wirkflächen der in Robotergetrieben verwendeten Maschinenelemente geschliffen. Eine Verzahnungsschleifmaschine ist entsprechend in jedem Fall Bestandteil der Fertigungskette der verzahnten Bauteile. Da Robotergetriebe sowohl Außen- als auch Innenverzahnungen aufweisen, sollte die Verzahnungsschleifmaschine Innen- und Außenverzahnungen bearbeiten können – und möglichst kurze Rüstzeiten aufweisen. Außenverzahnungen in mittleren bis großen Serien werden in vielen Anwendungen wälzgeschliffen, sodass eine Verzahnungsschleifmaschine für die Roboterindustrie idealerweise alle wesentlichen Verzahnungsschleiftechnologien vereint: so wie die Viper 500 W, die entsprechend eine ideale Maschinenbasis zur Bearbeitung von Roboterverzahnungen darstellt. Einige Kunden der Firma Klingelnberg setzen aber auch eine Viper 500 K für die Bearbeitung von Zykloidenverzahnungen ein.

 

Komplettmessung auf einem Gerät – direkt in der Produktion


Neben der Verzahnungsmessung deckt ein Präzisionsmesszentrum von Klingelnberg eine Vielzahl weiterer Messaufgaben ab. So ist es möglich, alle an einer Zykloidenverzahnung anfallenden Messaufgaben auf einem Messgerät in einer Aufspannung effizient durchzuführen. In den vorhergehenden Abschnitten wurden typische Zykloidenverzahnungen vorgestellt, die neben der Verzahnung mehrere Formelemente enthalten, die für die Funktion relevant sind und damit gemessen werden müssen. Hinzu kommen Optionen wie zum Beispiel die Rauheitsmessung, wodurch sich die Investition in weitere Geräte im Messraum einsparen lässt.


Im Zuge der Digitalisierung in der Produktion werden auch die Werkzeugmaschinen mit den Messmaschinen vernetzt, was den Closed Loop für Zykloidenverzahnungen ermöglicht. Die Werkzeugmaschine fertigt im ersten Schritt gegen die Soll-Daten der Verzahnung. Die Messmaschine misst gegen die Soll-Daten und meldet die Ist-Daten sowie die Abweichungen digital zurück an die Werkzeugmaschine. So kann der Bearbeitungsprozess optimiert werden, um die Abweichungen von der Soll-Geometrie zu minimieren. Die Genauigkeit und die Qualität der Zykloidenverzahnungen lassen sich darüber signifikant steigern.

www.klingelnberg.com

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Beitrag aus dima 2/2018:

 

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