Stäubli-Roboterar - Bild: Heidenhain

Der Stäubli-Roboterarm automatisiert die Bestückung der Werk- zeugaufnahme in der Strausak-Schleifmaschine. Bild: Heidenhain

Vor diesem Projekt hätte ich nie geglaubt, dass sich so ein zielgenauer Bewegungsablauf mit einem Industrieroboter beherrschen lässt“, staunt Strausak-Geschäftsführer Alexandre Condrau noch heute. Denn Gegenstände von A nach B und wieder zurück zu legen, scheint auf den ersten Blick keine große Kunst zu sein. Wären da nicht die Passgenauigkeitsanforderungen der Werkzeugaufnahmen und die enge Bestückung der Werkzeugpaletten. Die U-Grind-Baureihe des Schweizer Unternehmens Strausak steht für das Schleifen von Spezialwerkzeugen und für das Nachschleifen – also für kleine Lose, bei denen es oftmals komplexe Geometrien herzustellen gilt. Dabei dauern die anspruchsvollen Schleifvorgänge in der Regel lange. Das Werkzeugmaterial Hartmetall und die komplexen Geometrien führen dazu, dass das Schleifen einer Kleinserie von fünf Spezialwerkzeugen einige Stunden in Anspruch nehmen kann. Die Automatisierungslösung mit dem Bestückungsroboter macht dann eine mannlose Schicht möglich.

Durchmessertoleranz: wenige hundertstel Millimeter

Heidenhain-Drehgeber  EQI, Bild: Heidenhain
In jeder Achse des Roboterarms ermitteln induktive Heidenhain-Drehgeber vom Typ EQI 1100 die aktuelle Position. Bild: Heidenhain

Die Aufgabe des Roboterarms in der Schleifmaschine besteht darin, ein nachzuschleifendes Werkzeug oder einen zu schleifenden Rohling aus einer Palette zu entnehmen und in die Werkzeugaufnahme der Schleifvorrichtung zu stecken. Nach dem Schleifen läuft dieser Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab. Bei der Suche nach dem geeigneten Roboter entschieden sich die Strausak-Ingenieure für eine Lösung des Roboterherstellers Stäubli. Ausschlaggebend war zum einen die erreichbare Genauigkeit des Roboterarms, zum anderen das kundenfreundliche Serviceangebot rund um die Einrichtung der Roboterlösung. „Dass Stäubli auf Heidenhain-Messgeräte vertraut, machte uns sofort zuversichtlich, die Genauigkeitsanforderungen erreichen zu können“, erinnert sich Alexandre Condrau. „Schließlich setzen wir bei Strausak für die Positionierung des Schwenkkopfs unserer Schleifmaschinen und damit für die sensible Schleifscheibenpositionierung auch auf Heidenhain – und zwar auf Winkelmessgeräte vom Typ ERA 4000.“ Dennoch lauerte die Tücke im Detail. Während herkömmliche Spannzangen noch automatisierungsfreundliche Toleranzen haben, sind die häufig verwendeten Hydrodehnspannfutter eine echte Herausforderung für den Roboter, weil sie nur wenige hundertstel Millimeter Durchmessertoleranz bieten. Auch die Entnahme des Werkzeugs auf der eng bestückten Palette, die Bewegung hin zur Werkzeugaufnahme und das Einstecken des Werkzeugs in die Aufnahme ist für ihn eine hochkomplexe Präzisionsbewegung. Alle sechs Achsen müssen interpoliert werden, um die geraden Einsteck- und Absetzbewegungen auszuführen. Dabei sind die zulässigen Abweichungen jeder einzelnen der sechs Achsen stark limitiert.

Palette, Bild: Heidenhain
Um auf der dicht bestückten Palette, hier für 150 Werkzeuge mit Durchmesser von zehn Millimetern, ein Werkzeug zu greifen, muss der Roboterarm ganz genau geführt werden. Bild: Heidenhain

Stäubli setzt im Roboter für die Strausak-Maschine an den Achsantrieben absolute induktive Heidenhain-Drehgeber vom Typ EQI 1100 mit einer Auflösung von 18 Bit ein. In jeder Achse sitzt ein Drehgeber. Sie liefern Positionsdaten mit der notwendigen Genauigkeit, um den Greifer an der Spitze des Roboterarms so zu führen, dass er das Werkzeug sicher aus der engbestückten Palette entnimmt, passgenau in die Werkzeugaufnahme einsteckt und nach der Bearbeitung auch wieder zurück in die Palette setzt. Dafür muss der Roboter an der Spitze seines Greifers eine Positioniergenauigkeit von 50 Mikrometern erreichen. Die absoluten Positionsdaten sind dabei ein wesentliches Erfolgskriterium. Die Maschinensteuerung, über die nicht nur der Schleifvorgang, sondern auch der Roboter gesteuert wird, kennt dadurch die genaue Lage des Roboterarms im Maschinenraum. Ein Referenzieren des Roboters ist weitestgehend überflüssig, Kollisionen aufgrund einer noch nicht ermittelten Position lassen sich vermeiden.

Kompakter Bau für sehr geringen Platzbedarf

Dank des induktiven Messprinzips bauen die Drehgeber sehr kompakt. Der möglichst geringe Platzbedarf des Roboterarms im Maschinenraum war für Strausak ebenfalls ein wichtiges Kriterium: „Wir wollten den Roboterarm unbedingt in den bestehenden, schon ziemlich vollen Maschinenraum integrieren. Dafür musste seine Kinematik die volle Beweglichkeit in einem sehr kleinen Volumen ermöglichen. Außerdem sollte der Roboterarm in seiner Ruheposition den Zugang zum Arbeitsraum nicht einschränken“, erläutert Condrau die komplexen Anforderungen. Die Aufgabe konnten die Partner Strausak und Stäubli nicht zuletzt auch dank der induktiven Drehgeber nahezu perfekt lösen: Der Roboterarm ist in seiner Ruheposition kaum sichtbar, so versteckt schmiegt er sich in eine Ecke des Maschinenraums. „Der Maschinenbediener hat beim Einrichten der Maschine völlig freien Zugang zum Maschinenraum. Während der Bearbeitung stört nichts seine Sicht auf den laufenden Schleifvorgang“, freut sich Condrau. aru