Rakete - Bild: CADFEM

Rakete mit Wolkenhintergrund. Bei einer anderen Rakete, der Ariane 5, werden die Nutzlastverkleidungen mithilfe eines speziellen Roboters überprüft. Durch das Erstellen von virtuellen Prototypen, die mit Simulationen in einem iterativen Prozess optimiert wurden, ließ sich eine solch anspruchsvolle Entwicklung überhaupt erst ermöglichen. Bild: CADFEM

Auch ein spezieller Prüfroboter für Raketenverkleidungsteile, der über eine Absolutgenauigkeit von 0,39 Millimeter (RMS) verfügt, ließ sich damit umsetzen.

Sie setzen auf eine durchgängige Nutzung von 3D-CAx-Technologien für Konstruktion, Simulation und Optimierung. Die Rede ist von den Experten des Unternehmens Robotechnologie, eines Spezialisten für roboterbasierte Automatisierungslösungen, die im Bereich der Mechanik und Steuerungstechnik roboterbasierte Anlagen oder Teilsysteme wie Greifer oder Zuführsysteme planen, entwickeln und fertigen. Gleiches gilt für die Entwicklung von Steuerungen der Roboteranlagen sowie die Integration von Sicherheitstechnik, Feldbussystemen, Messtechnik und der Versorgung. Zusätzlich erfolgt die Software-entwicklung für Echtzeit-Betriebssysteme und Robotersteuerungen, für PC-basierte Software zur Bedienung und die Anbindung an Fertigungsleitrechner. Die Integration von Bildverarbeitung, Fließbandverfolgung, Messtechnik sowie die extrem genaue Synchronisierung mehrerer Roboter sind weitere Aufgaben.

Prüfung der Raketen-Verkleidungsbauteile

Prüfroboter, Bild: CADFEM
Der Prüfroboter im synchronen Betrieb mit dem kleineren Innenroboter. Er gewährleistet die zerstörungsfreie Prüfung der Verkleidungsbauteile. Bild: CADFEM

Die Kernkompetenz des Unternehmens liegt im Bereich roboterbasierter Automatisierungslösungen für verschiedenste industrielle Aufgaben. In der Praxis sieht das zum Beispiel so aus: Zur Herstellung von Nutzlastverkleidungen für die europäische Orbitalrakete Ariane 5 hat das Schweizer Unternehmen Ruag Space am Standort Emmen in der Schweiz eine neue Fertigung aufgebaut. Ein wichtiger Bestandteil ist dabei die zerstörungsfreie Prüfung der Verkleidungsbauteile mit einer vollautomatischen, roboterbasierten Scan-Einrichtung. Da die Bauteile für typische Industrieroboter deutlich zu groß sind, musste dafür ein spezieller Prüfroboter entwickelt werden. Die wesentlichen Hauptanforderungen an diesen Roboter sind: die hohe Reichweite von etwa 5,2 Metern, eine Scan-Geschwindigkeit von 0,2 bis einem Meter pro Sekunde, die sehr hohe Absolutgenauigkeit in der Bewegung von weniger als einem Millimeter Bahnabweichung, eine Traglast von zirka drei Kilogramm sowie fünf bis sechs Freiheitsgrade für die Prüfkopfposition und -orientierung. Die ersten Schritte bei der Konzepterstellung, wie Untersuchungen zur Zugänglichkeit und Festlegung des Bauraums, unternahmen die Mitarbeiter hauptsächlich mit der Kinematikanalyse. Jedoch erwiesen sich die ersten Konzepte als viel zu schwach ausgelegt, wie die Simulationen zeigten. Folglich musste durch iterative Optimierungen eine Reduzierung der elastischen Verformung auf weniger als zehn Prozent erreicht werden. Deshalb wurden für jedes Element der kinematischen Kette mehrere konstruktive Varianten untersucht. Zum Beispiel erfolgte für den Tragarm auf der Linearschiene ein Vergleich von Kasten- und Fachwerkbauweise. Mit diesem Vorgehen ließen sich verlässliche und differenzierte Vorhersagen über das spätere Verhalten des Roboters im Betrieb treffen, ohne einen realen Prototypen herzustellen oder erste Teile in die Fertigung zu geben. Somit ließ sich das Entwicklungsrisiko signifikant senken.

Hochdynamische Roboter-Positioniersysteme

Detaildarstellung, Bild: CADFEM
Die Von-Mises-Vergleichsspannungen bei Maximalbeschleunigung der Armachsen mit Detaildarstellung der oberen Lasteinleitung. Bild: CADFEM

Die ersten Eigenfrequenzen sollen bei hochdynamischen Positioniersystemen möglichst hoch liegen, um einen unterkritischen Regelbetrieb sicherzustellen. Anderenfalls könnten, angeregt durch Kräfte der eigenen Bewegungen, überproportional hohe störende Schwingungen entstehen. Die erste Mode ist zudem ein wichtiger Wert für die spätere Auslegung der Regler. Der Roboter ist auf der Schiene durch Gegengewichte ausbalanciert, damit die Bodenanker auf der Rückseite nicht mit Zugspannungen belastet werden. Werden diese Gegengewichte nun mit Stahlseilen an der Tragarmspitze befestigt, erzeugen sie eine Vorspannung in der Struktur und damit ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten.

Für die Entwicklung dieser Roboteranlage kam, wie im Sondermaschinenbau üblich, eine Verifizierung anhand von Prototypen aufgrund der sehr hohen Kosten und langen Herstellzeiten nicht in Frage. Deshalb musste schon die erste Maschine, die gebaut wurde, den Anforderungen des harten industriellen Produktionsalltags gewachsen sein. Durch das Erstellen von virtuellen Prototypen, die mit Simulationen in einem iterativen Prozess optimiert wurden, ließ sich eine solch anspruchsvolle Entwicklung überhaupt erst ermöglichen. Dieser präzise Prüfroboter erfüllt alle vom Kunden vorgegebenen Anforderungen. Er arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,03 Millimetern sowie mit einer Absolutgenauigkeit von 0,39 Millimetern (RMS). Die dynamisch bedingten Abweichungen liegen bei Scan-Geschwindigkeiten von bis zu einem Meter pro Sekunde beim angewendeten Ultraschall-Prüfverfahren unterhalb der Nachweisgrenze. Bernhard Thaler, Leiter des Maschinenbaus bei Robo-Technology resümiert: „Wir haben in mehr als drei Jahrzehnten von der Pionierzeit der Robotertechnik bis heute umfangreiches Wissen und Know-how erworben. Hunderte erfolgreiche Projekte in vielen verschiedenen Branchen geben uns den notwendigen Weitblick, um die unterschiedlichsten Anforderungen unserer Kunden an Hardware und Software erfüllen zu können.“ aru