Stäubli ERA 4000: Roboterarm für das Einstecken zylindrischer Werkzeuge in die Werkzeugaufnahme

Der Stäubli-Roboterarm automatisiert die Bestückung der Werkzeugaufnahme in der Strausak-Schleifmaschine.

„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.

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

Alexandre Condrau
Geschäftsführer, Strausak AG.

„Die hochgenaue Positionierung des Greifers an der Roboterspitze war eine echte Herausforderung, die Stäubli mit Hilfe der Heidenhain-Drehgeber im Roboterarm gemeistert hat.“

Ein Roboterarm automatisiert die Schleifmaschine

Die U-Grind-Baureihe der Schweizer Strausak AG steht für das Schleifen von Spezialwerkzeugen und für das Nachschleifen – also für kleine Lose, bei denen es oftmals komplexe Geometrien herzustellen gilt. Auf den ersten Blick keine typische Anwendung für eine Automatisierungslösung mit einem Roboter. Bei genauerem Hinsehen zeigt sich jedoch schnell, warum die Roboterlösung bei den Strausak-Kunden so gut ankommt.

Die anspruchsvollen Schleifvorgänge, die auf Strausak U-Grind-Maschinen laufen, dauern nämlich in der Regel recht 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.

Um auf der dicht bestückten Palette – hier für 150 Werkzeuge mit Durchmesser 10 mm – ein Werkzeug zu greifen, muss der Roboterarm ganz genau geführt werden.

Suche nach dem „richtigen Roboter“

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 natürlich auch wieder in umgekehrter Reihenfolge ab: Der Roboter entnimmt das geschliffene Werkzeug aus der Aufnahme und stellt es wieder in einer Palette in der vorgesehenen Aufnahmebohrung ab.

Bei der Suche nach dem geeigneten Roboter entschieden sich die Strausak-Ingenieure für eine Lösung des Spezialisten Stäubli. Ausschlaggebend waren zwei Faktoren für die Entscheidung: zum einen die erreichbare Genauigkeit des Roboterarms, zum anderen das kundenfreundliche Serviceangebot von Stäubli 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“, fügt er ergänzend hinzu.

Dennoch lauerte die Tücke im Detail. Während nämlich 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. Denn nur dann ist der Prozess sicher zu beherrschen.

Strausak-Geschäftsführer Alexandre Condrau vor der Schleifmaschine mit dem Stäubli-Roboterarm.

Induktive Drehgeber sorgen für Genauigkeit

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 µm 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 können vermieden werden.

Platzsparende Lösung

Dank des induktiven Messprinzips bauen die Heidenhain-Drehgeber sehr kompakt, was sie für die extrem beengten Platzverhältnisse im Roboterarm prädestiniert. Denn der möglichst geringe Platzbedarf des Roboterarms im Maschinenraum war für Strausak ebenfalls ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des Lieferanten: „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 Alexandre Condrau die komplexen Anforderungen.

Die Aufgabe konnten die Partner Strausak und Stäubli nicht zuletzt auch dank der induktiven Heidenhain-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. „Trotzdem erreicht der Arm problemlos die Paletten und die Werkzeugaufnahme“, freut sich Alexandre Condrau über die gelungene Integration.

Zukunftsorientierte Technologie mit Potential

„Viele unserer Kunden sind Kleinunternehmer, ja sogar Einmannbetriebe. Sie brauchen eine funktionale Technik, die möglichst einfach zu bedienen ist und sie bei ihren Aufgaben maximal entlastet. Das haben wir mit dem Roboter erreicht“, beschreibt Alexandre Condrau den aktuellen Status quo. Aber Strausak sieht noch Weiterentwicklungsmöglichkeiten, welche die Kunden noch stärker entlasten können: „Derzeit arbeiten wir daran, dass der Roboter nachfassen und nachschieben kann, wenn er sehr lange Werkzeuge in die Werkzeugaufnahmen einsetzt. Außerdem wäre es für viele unserer Kunden interessant, wenn der Roboter nicht nur die Werkzeuge, sondern auch die Aufnahmen wechseln könnte“, blickt Alexandre Condrau in die nahe Zukunft. Damit könnten dann Werkzeuge mit unterschiedlichen Schaftdurchmessern ohne zwischenzeitliches manuelles Einrichten der Werkzeugaufnahme bearbeitet werden.

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Halle A, Stand A0801