Quo vadis Automatisierung an der Werkzeugmaschine
Sowohl bei Werkzeugmaschinen als auch bei Robotern kann nur durch eine konsequente mechatronische Entwurfssystematik höchsten Leistungsanforderungen entsprochen werden. Denn bei beiden Systemen klafft bei Bewegungssteuerung und Regelung eine Lücke zwischen dem, was in der Theorie möglich scheint, und dem, was in der Praxis eingesetzt wird. Optimierungspotenziale, die durch eine problemangepasste Reglereinstellung bestehen, werden mithin oft nicht ausgeschöpft.
Ausgehend von dieser Situation können Erweiterungen bei der Vorsteuerung und der Bahnregelung diese Reglerstruktur auch anspruchsvolleren Anwendungen genügen. Darauf aufbauend kann aus dem simulationsgestützten mechatronischen Entwurfsprozess verfügbares Modellwissen genutzt werden, um das volle Leistungspotenzial von Maschinen abzurufen.
Mit einem entsprechenden intelligenten Fehlerausgleich können Industrieroboter sogar zur hochgenauen Zerspanung von Werkstoffen eingesetzt werden. Der Einsatz von Robotern, die flexibler und in der Anschaffung deutlich günstiger sind als Werkzeugmaschinen oder CNC-Bearbeitungszentren, scheitert bisher an der geringen Steifigkeit, verursacht durch die lange serielle kinematische Kette.
Um mit Industrierobotern die für die spanende Bearbeitung notwendige Genauigkeit zur erreichen, wurden am Fraunhofer IPA daher eine 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik mit Werkzeugmaschinenspindel aufgebaut. Die auftretenden Ungenauigkeiten werden damit gemessen und direkt in Echtzeit kompensiert.
Dabei wird das Bauteil mit Hilfe von Spanntechnik am Industrieroboter befestigt und von ihm während der Bearbeitung geführt. Die Frässpindel mit Drehzahlen bis 30 000 U/min ist auf einer Ausgleichsaktorik auf Basis von Festkörpergelenken befestigt. Während der Bearbeitung wird die Fräsapparatur in der jeweiligen Achse so ausgelenkt, dass die von einem Messgerät erfassten Roboterungenauigkeiten in der Bewegung regelungstechnisch ausgeglichen werden können.
Weitere Innovationspotenziale liegen in gemeinsamen Steurungsansätzen. Denn Werkzeugmaschine und Roboter sind zwar jeweils für die spezifischen Anwendungsfelder spezialisiert, und aus diesem Grund unterscheiden sich auch die Roboter- und die NC-Steuerung. Betrachtet man aber die Steuerungstopologie, dann zeigen die Roboter- und die NC-Steuerung einen hohen Überdeckungsgrad.
Dennoch gibt es bei der Handhabung und vor allem bei der Programmierung aufgrund des spezifischen Funktionsumfangs große Unterschiede. Jeder Steuerungstyp bringt für seine Anwendungsbereiche den idealen Funktionsumfang mit, und deshalb wird es immer sehr schwer sein, alle Anwendungsbereiche mit nur einer Steuerung abzudecken.
Folglich liegt der Ansatz nahe, beide Steuerungen zusammen auf einer Plattform zu betreiben. Dadurch kann dem Anwender, je nach Applikation, immer die ideale Steuerungs- und Programmierumgebung und auch die gewohnte Oberfläche bereitgestellt werden.
Um beide Steuerungen gemeinsam an einem Roboter betreiben zu können, muss eine Art „Betriebsartumschaltung" implementiert werden, so dass die Sollwertvorgabe an den Antriebsverstärker zwischen den Interpolatoren umgeschaltet werden kann. Und um den Vorteil einer gemeinsamen Plattform bestmöglich zu nutzen, muss auch die Verwendung von gemeinsam genutzten Bibliotheken vorgesehen werden, so dass doppelte Entwicklungen vermieden werden können.
Die Optimierung von Produktionsmaschinen und -anlagen bezüglich ihrer Energieeffizienz setzt detailliertes Wissen über die Verbrauchsstruktur voraus. In aktuellen Forschungsarbeiten wird daher ein spezialisierter Modellierungsansatz entwickelt, der die Vorhersage und Analyse des nutzungsspezifischen Energieverbrauchs von Produktionsmaschinen erlaubt. In einem ersten Schritt werden dazu die im Energieverbrauch differierenden Betriebszustände der Maschine in einem Zustandsgrafen abgebildet. Anschließend wird durch Messung, mechatronische Simulation oder Abschätzung die Verbrauchsstruktur in jedem Zustand ermittelt.
Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung www.ipa.fraunhofer.de
