Zerspanungstechnik
Weiss-Spindel macht Roboter zum mobilen Fräseinsatzzentrum
Industrieroboter übernehmen viele Aufgaben. Sogar das Fräsen mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich ist inzwischen möglich. Ausschlaggebend dafür sind Konzepte mit optimierter Kinematik und hoher Steifigkeit. In enger Zusammenarbeit mit Siemens und dem Fraunhofer IFAM hat die zu Innomotics gehörende Weiss Spindeltechnologie speziell dafür Frässpindeln entwickelt, die es ermöglichen, das Potenzial der Hybridtechnologie optimal auszuschöpfen.
In enger Zusammenarbeit mit Siemens und dem Fraunhofer IFAM hat Weiss Spindeltechnologie spezielle Frässpindeln entwickelt, die es ermöglicht, das Potenzial von hybriden Fräsrobotern optimal auszuschöpfen.
Anwendungsfelder für Fräsroboter
Wenn die Maschine zum Werkstück kommt
Eine große Stärke der Roboter-Fräs-Kombination zeigt sich in Anwendungen, bei denen besonders große und schwere Werkstücke bearbeitet werden müssen. Ein Beispiel: Instandhaltungsarbeiten an Schiffsschrauben oder anderen maritimen Großkomponenten. Während herkömmliche Verfahren den aufwändigen Ausbau samt Spezialtransport und Bearbeitung auf teuren Großmaschinen erfordern, ermöglicht der mobile Fräsroboter die Bearbeitung direkt vor Ort.
Daraus ergeben sich extreme Zeit- und Kostenvorteile. Denn einerseits fallen Demontage und Transport gänzlich weg, und die Bearbeitung mit dem Roboter vor Ort geht schnell und zuverlässig. Dabei kann der Roboter nicht nur die notwendigen Fräsarbeiten ausführen. Bei Bedarf kann er ebenso diverse Auftragsschweißungen vornehmen – alles in einem Arbeitsgang.
Weitere attraktive Einsatzszenarien ergeben sich bei der Bearbeitung großflächiger Werkstücke. Wird der Fräsroboter auf ein Schienensystem montiert, lässt sich der Arbeitsbereich praktisch beliebig erweitern. Ein Beispiel: Bei einer zehn Meter langen Schiene und einem Roboter-Aktionsradius von zwei Metern entsteht ein effektiver Bearbeitungsbereich von 14 Metern. Mit zwei Robotern auf gegenüberliegenden Schienen verdoppelt sich dieser auf 28 Meter. Ein Arbeitsraum, für den eine konventionelle Portalfräsmaschine Investitionen im siebenstelligen Bereich erfordern würde.
Um herauszufinden, welche Anwendungen von einer verbesserten Robotertechnologie profitieren könnten, führte Siemens gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten im Jahr 2019 eine umfassende Marktanalyse durch. Dabei rückte neben Bearbeitungsverfahren wie dem Laserschneiden und Auftragsschweißen vor allem das präzise Fräsen in den Fokus. Was für einen breit angelegten, erfolgreichen Einsatz fehlte, war die erzielbare Genauigkeit. Eine Herausforderung, die inzwischen gelöst ist.
Die Kombination aus Mobilität, Flexibilität und Präzision eröffnet damit Anwendungsfelder (siehe Info-Box), die bislang unwirtschaftlich oder technisch nicht umsetzbar waren. Ob mobile Instandhaltung, Großteilbearbeitung oder flexible Fertigungszellen – die neue Generation der Fräsroboter mit speziell entwickelter Spindeltechnologie steht bereit, um Fertigungsprozesse grundlegend zu verändern.
Doch wie und wodurch ist dies jetzt möglich? Die Basis liegt in der stark verbesserten Kinematik, den leistungsfähigen Antriebsmotoren und in der intelligenten Regelungstechnik des patentierten Sinumerik Machine Tool Robot (MTR) Konzeptes. So erreichen Fräsroboter mit der MTR-Technologie inzwischen eine um den Faktor zehn verbesserte Präzision gegenüber konventionellen Industrierobotern. Heißt: Sie arbeiten im Submillimeter-Bereich und setzen damit neue Maßstäbe für die robotergestützte Zerspanung.
Um diese Genauigkeiten an Werkstücken praktisch umzusetzen, ist jedoch noch eine weitere Kernkomponente entscheiden – die Frässpindel. Sie zu entwickeln und zu bauen ist dem Innovationsführer der Branche gelungen – Weiss Spindeltechnologie, Fachbereich der Innomotics GmbH.
Die vom Innomotics-Fachbereich Weiss Spindeltechnolgie entwickelte Fräsroboterspindel ist besonders leicht konstruiert und verzichtet auf zahlreiche Peripheriegeräte.
Leichtigkeit der Spindel ist ein entscheidendes Merkmal
Die Herausforderungen waren laut Weiss-Projektleiter Georg Sauer vielfältig und hoch. Besonders wichtig war es, die Spindel so leicht wie möglich zu bauen und dabei dennoch maximale Stabilität und Leistung zu erreichen. Der Ingenieur erklärt: „Im Gegensatz zu stationären Werkzeugmaschinen spielt bei Roboteranwendungen jedes Kilogramm eine entscheidende Rolle, da die Spindel am Ende des Arms sitzt, und sich dort das Gewicht vervielfacht.“ Dementsprechend war konsequenter Leichtbau angesagt. Durch eine angepasste Konstruktion und optimierte Materialauswahl wurde dies erreicht.
Ebenso bedeutend ist es, dass es den Ingenieuren von Weiss gelungen ist, die Peripherieausstattung extrem gering zu halten. Denn Robotersysteme sind in der Anschaffung deutlich kostengünstiger als die meisten Werkzeugmaschinen, „und diesen Kostenvorteil wollten wir natürlich nicht durch teure Zusatzaggregate zunichtezumachen“, erläutert Sauer: „Wir haben unsere Spindel-Baureihe daher bewusst als Asynchron-Variante ausgelegt. Damit werden automatisch eine einige Komponenten überflüssig, die bei Synchronmotoren erforderlich wären. Auch auf eine Drossel konnten wir durch intelligente Motorauslegung verzichten.“
Eine große Stärke der Roboter-Fräs-Kombination: Sie sind mobil einsetzbar und können beispielsweise Instandhaltungs-Bearbeitungen am Werkstück direkt vor Ort erledigen.
Preisbewusste Spindel-Konstruktion
Zudem ist die Betätigung der Spindel-Werkzeugwechseleinheit konsequent pneumatisch ausgelegt, und nicht – wie in Werkzeugmaschinen üblich – hydraulisch. Hintergrund dafür: Roboter verfügen typischerweise über keine Hydraulikaggregate, während ein Druckluftanschluss stets vorhanden ist. Auch diese etwaigen Zusatzkosten wurden auf diese Weise eliminiert. Bei der Kühlung fiel die Entscheidung wiederum auf eine Wasserkühlung, da diese bei vergleichbarer Leistung die geringsten Abmessungen ermöglicht.
Die neu entwickelten Frässpindeleinheiten für Roboter gibt es aktuell in fünf Varianten – von der kleinen RS1 (6,6 kW, HSK-A32, 25,7 kg) bis zur den großen RS4 und RS5 (16,5 kW, HSK-A63, 58 kg). Letztere unterscheiden sich lediglich durch die erreichbare Drehzahl. Während die RS4 für bis zu 16.000 min-1 ausgelegt ist, erreicht die RS5 bis zu 21.000 min-1.
Stephan Hansen, Projektleiter am Fraunhofer IFAM in Stade und Georg Sauer, Projektleiter Weiss Spindeltechnologie, waren maßgeblich an der Entwicklung der Roboter-Frässpindel beteiligt. Sie sind sich einig: Im Gegensatz zu stationären Werkzeugmaschinen spielt bei Roboteranwendungen jedes Kilogramm eine entscheidende Rolle.
Abgestimmte Fräsroboterlösung
Optional lassen sich alle Weiss-Spindeln mit der nach ISO 9409-1 genormten Schnittstelle zum Roboter ausstatten. Damit können die Weiss-Frässpindel grundsätzlich an verschiedenen Robotersystemen eingesetzt werden. Ihr volles Potenzial entfalten sie jedoch vor allem in einer abgestimmten Fräsroboterlösung: In dieser kommen die Kinematik von Autonox Robotics, die CNC-Antriebs- und Steuerungstechnik von Siemens und die Weiss-Frässpindeltechnologie zum Einsatz.
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