Kompensation der Werkzeugabdrängung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern

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1 Kompensation der Werkzeugabdrängung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern Dem Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Matthias Weigold aus Weinheim Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. E. Abele Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Darmstadt 2008 D 17

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3 Menschen mit einer neuen Idee gelten so lange als Spinner, bis sich die Sache durchgesetzt hat. Mark Twain

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5 Vorwort des Herausgebers Industrieroboter werden heute in vielen Anwendungsbereichen wirtschaftlich eingesetzt. Über die klassischen Anwendungsfelder der Handhabungs- und Montagetätigkeiten hinaus, haben Industrieroboter auch für Bearbeitungsaufgaben wie beispielsweise das Lackieren und das Laserschweißen industrielle Reife gefunden. Im Bereich der spanenden Bearbeitung ist bisher ein Einsatz aufgrund der geforderten Bauteilqualitäten und der prozessbedingten Reaktionskräfte auf die Struktur oftmals an der noch relativ großen Nachgiebigkeit der Industrieroboter gescheitert. Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung hat die letzten Jahre die Möglichkeit eröffnet relativ hohe Abtragsraten mit kleinen Reaktionskräften auf die Frässpindel und somit ebenfalls auf die Maschinenstruktur zu erreichen. Damit könnte sich zukünftig der Industrieroboter für Anwendungen wie das Entgraten, das Gussputzen und das Vorbearbeiten von A- luminium- und Eisenwerkstücken sowie die Konturbearbeitung von faserverstärken Kunststoff-Verbund-Werkstoffen ein wesentlich größeres Einsatzgebiet erschließen. In dieser Dissertation werden die Anforderungen für einen industriellen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsgebieten der heutigen Leistungsfähigkeit standardisierter Industrieroboter gegenübergestellt. Weiterhin werden die Entwicklungspotenziale des Robotersystems zur Erreichung der geforderten Bauteilgenauigkeit und Prozesszuverlässigkeit aufgezeigt. Basierend auf den analysierten Potenzialen wird innerhalb der vorliegenden Dissertation eine Methode zur Steigerung der Bearbeitungsqualität bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern entwickelt. Die umfangreichen Zerspanversuche zeigen, dass die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode zusammen mit dem entwickelten Nachgiebigkeitsmodell der Roboterstruktur eine zuverlässige Vorhersage und Kompensation der Abdrängung des Fräswerkzeugs zulässt. Darmstadt, Januar 2008 Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele

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7 Vorwort des Autors Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Forschungstätigkeiten am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der Technischen Universität Darmstadt. Mein herzlicher Dank gilt Herr Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele für das Ermöglichen der Durchführung meiner Arbeit, seine Unterstützung sowie seine Anregungen. Herrn Prof. Dr.-Ing. Rainer Nordmann möchte ich ebenfalls für die fachlichen Anregungen sowie die Übernahme des Korreferates recht herzlich danken. An dieser Stelle möchte ich auch allen Mitarbeitern am Institut meinen Dank aussprechen, mit denen ich in den letzten Jahren zusammengearbeitet habe. Mein Dank gilt vor allem den Kollegen der Werkzeugmaschinengruppe. Die offene und freundschaftliche Arbeitsatmosphäre in unserer Gruppe hat mir stets Motivation und Arbeitsfreude gegeben und ein Umfeld bereitgestellt, das kreatives und engagiertes Arbeiten ermöglicht hat. Für zahlreiche konstruktive Anregungen und für die Durchsicht des Manuskripts möchte ich mich bei Andreas Schiffler, Stefan Rothenbücher und Michael Roth bedanken. Mein Dank gilt auch allen im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten sowie als studentische Hilfskräfte beteiligten Studenten für ihre aktive Mitarbeit und hilfreiche Unterstützung. Besonders bedanken möchte ich mich bei Stefan Feickert und Michael Kreis, die weit mehr als nur Kollegen am Institut waren und mich immer wieder motivierten und hilfreich zur Seite standen. Mein größter Dank gilt meinen Eltern Jutta und Volker Weigold, die meinen gesamten Ausbildungsweg unterstützt haben und durch ihre uneingeschränkte Unterstützung und den familiären Zusammenhalt wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein abschließender Dank geht an meine Freundin Sabrina Keller, die für mich ein starker Rückhalt ist. Ich danke Dir für deine vielen aufmunternden Worte, für Liebe und Geborgenheit. Darmstadt, November 2007 Matthias Weigold

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9 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Wirtschaftliche Ausgangssituation Themenfeld Problemstellung und Zielsetzung Stand der Forschung und Praxis Genauigkeit von Industrierobotern Genauigkeitskenngrößen Posekenngrößen Bahnkenngrößen Vergleich zu Genauigkeitskenngrößen bei Werkzeugmaschinen Fazit Einflussfaktoren auf die Genauigkeit von Industrierobotern Steigerung der Genauigkeit von Industrierobotern Komponentenoptimierung in der Entwicklungsphase Genauigkeitssteigerung durch Justage während der Montage Kalibrierung bei Inbetriebnahme Kompensation während des Betriebs Fazit Spanende Bearbeitung mit Industrierobotern Anwendungsgebiete von Industrierobotern zur spanenden Bearbeitung Aufbau und Grenzen heutiger Industrieroboter zur spanenden Bearbeitung Lösungsansätze zur Kompensation der unzureichenden Genauigkeit für Zerspanaufgaben Sensorlose Ansätze zur Genauigkeitssteigerung Ansätze mit systeminternen Sensoren zur Genauigkeitssteigerung Ansätze mit zusätzlicher Sensorik zur Genauigkeitssteigerung Ansätze für anverwandte Bearbeitungsaufgaben mit Industrierobotern Fazit der Lösungsansätze Fazit zum Stand der Forschung und Praxis...47

10 II Inhaltsverzeichnis 3 Systemanalyse Untersuchungsrahmen Statische Analyse Analyse der Nachgiebigkeit an der Werkzeugspitze Konzeption Versuchsdurchführung Ergebnisse Analyse der Nachgiebigkeit der Komponenten Dynamische Analyse Modale Analyse der mechanischen Struktur Grundlagen zur experimentellen Modalanalyse Versuchsdurchführung Ergebnisse Bahnverhalten Vorbetrachtung Versuchsdurchführung Ergebnisse Prozessanalyse und Systemwechselwirkung Vorbetrachtung Hochgeschwindigkeitsfräsbearbeitung Versuchsdurchführung Bearbeitungsergebnis und Prozessstörungen Systembewertung und Anforderungen Bewertung der Systemanalyse Anforderungen an die Kompensationsmethode Kompensation der Werkzeugabdrängung Methoden zur Abdrängungskompensation Modellbildung der Roboterstruktur Allgemeine Modellbildung Modellreduktion Experimentell basiertes Nachgiebigkeitsmodell des Industrieroboters Modellbildung Berechnungsalgorithmus Parameterermittlung... 96

11 Inhaltsverzeichnis III Ergebnis Optimierung Analytisch basiertes Nachgiebigkeitsmodell des Industrieroboters Modellbildung Entwicklungsstufen und Parameteridentifikation Berechnungsalgorithmus Ergebnis Gegenüberstellung und Fazit Regelkreis zur Kompensation der Werkzeugabdrängung Validierung Umsetzung des Systems zur Kompensation der Werkzeugabdrängung Passive Validierungsversuche - Variierende Werkzeugabdrängung Variation der Bearbeitungsrichtung und Roboterposition Variation der Prozesskräfte Aktive Validierungsversuche - Kompensation der Werkzeugabdrängung während des Fräsprozesses Fazit Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literatur Anhang Eigenformen aus experimenteller Modalanalyse des Industrieroboters Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe des Industrieroboters in X- und Y-Richtung (v=konst.) Positioniereigenschaften des Industrieroboters in X- und Y-Richtung Grenzfrequenz der Messkette Kraftmessplattform Kinematische Modellparameter (DHP) Roboterkinematik mit realen Gelenken: 5-achs Modell Roboterkinematik mit realen und virtuellen Gelenken: 18-achs Modell Nachgiebigkeitsparameter (analytisches Nachgiebigkeitsmodell)...158

12 IV Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1-1: Operierender Bestand an Industrierobotern in Deutschland bis 2006 [Quelle: VDMA-07]... 1 Abb. 1-2: Kinematischer Aufbau von Industrierobotern... 2 Abb. 1-3: Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit... 4 Abb. 1-4: Vorgehensweise zur Kompensation der TCP-Abdrängung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern... 6 Abb. 2-1: Genauigkeitskenngrößen von Industrierobotern... 7 Abb. 2-2: Pose-Absolutgenauigkeit (AP) und Pose-Wiederholgenauigkeit (RP) [nach ISO-9283]... 8 Abb. 2-3: Unterscheidung zwischen Absolut- und Wiederholgenauigkeit [Quelle: Beye-04]... 9 Abb. 2-4: Bahn-Absolutgenauigkeit (AT) und Bahn-Wiederholgenauigkeit (RT) [nach ISO-9283] Abb. 2-5: Arbeits- und Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen [nach VDI-3441] Abb. 2-6: Einflussfaktoren auf die Genauigkeit von Industrierobotern Abb. 2-7: Geeignete Komponenten des Automobils für die Roboterbearbeitung Abb. 2-8: Komponenten von Roboterbearbeitungszellen Abb. 2-9: Lösungsansätze zur Kompensation bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern Abb. 3-1: Industrieroboter RV130HSC mit Hochfrequenzmotorspindel im primären Arbeitsraum Abb. 3-2: Messaufbau zur statischen Nachgiebigkeitsmessung am TCP Abb. 3-3: Erfassung der Verschiebungen und Verdrehungen am TCP Abb. 3-4: Experimentelle Nachgiebigkeitsanalyse an 27 Messpunkten im primären Arbeitsraum Abb. 3-5: Charakteristische Kraft-Verformungs-Kennlinie aus Nachgiebigkeitsmessung am TCP Abb. 3-6: Direkte Translationsnachgiebigkeiten des TCP an 27 Messpunkten Abb. 3-7: Direkte Translationsnachgiebigkeiten des TCP Veränderung entlang der Hauptrichtungen Abb. 3-8: Einfluss der Werkzeugorientierung auf die Nachgiebigkeit des TCP... 60

13 Abbildungsverzeichnis V Abb. 3-9: Direkte und gekreuzte Translationsachgiebigkeiten am TCP (Mittel über 27 Messpunkte)...61 Abb. 3-10: Direkte und gekreuzte Neigungsnachgiebigkeiten am TCP (Mittel über 27 Messpunkte)...62 Abb. 3-11: Teilsysteme der Roboterstruktur für die Analyse der Komponentennachgiebigkeit...63 Abb. 3-12: Verschiebungen der Komponenten bei Belastung von 1200N am TCP (Achsestellung [0;0;0;0;90;0])...64 Abb. 3-13: Stellungs- und Richtungsabhängigkeit der Komponentennachgiebigkeit...65 Abb. 3-14: Messmittel zur experimentellen Modalanalyse der Roboterstruktur...67 Abb. 3-15: Aufbau und Modell der experimentellen Modalanalyse am RV130HSC...68 Abb. 3-16: Vergleich der beiden ersten Eigenschwingungen der Roboterstruktur des RV130HSC...69 Abb. 3-17: Prüfwerkstück zur Beurteilung der Steuerungseigenschaften des Industrieroboters...72 Abb. 3-18: Charakteristische Bahnfehler beim Fahren um die Ecke...73 Abb. 3-19: Versuchsaufbau für die Fräsbearbeitung in X-Richtung...76 Abb. 3-20: Vorschub- und Vorschubnormalkraft im Zeitbereich bei und /min (Z=6)...77 Abb. 3-21: Vorschub- und Vorschubnormalkraft im Frequenzbereich bei und /min (Z=6)...78 Abb. 3-22: Vorschub- und Vorschubnormalkraft im Zeitbereich mit Zwei- und Sechsschneider ( /min)...79 Abb. 3-23: Einfluss der Werkzeug- und Wellennachgiebigkeit...80 Abb. 3-24: Statische Werkzeugabdrängung beim Fräsen mit IR...81 Abb. 3-25: Niederfrequente Schwingungen beim Fräsen mit IR...81 Abb. 4-1: Methoden und Ansätze zur Abdrängungskompensation...87 Abb. 4-2: Modellreduktion zur Betrachtung des Roboterverhaltens...90 Abb. 4-3: Zwei- und dreidimensionaler Ansatz für die Formfunktionen...93 Abb. 4-4: Arbeitsraums mit Quaderelementen und lokalem Koordinatensystem...94 Abb. 4-5: Ablauf der Berechnungen des experimentell basierten Nachgiebigkeitsmodells.95 Abb. 4-6: 3D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach experimentellem Ansatz im Arbeitsraum...96 Abb. 4-7: 2D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach experimentellem Ansatz im Arbeitsraum...97

14 VI Abbildungsverzeichnis Abb. 4-8: Prinzip der virtuellen Gelenke Abb. 4-9: Erweiterung der Gelenkanzahl durch Einführung der virtuellen Gelenke Abb. 4-10: Aufbau der ursprünglichen und erweiterten Roboterkinematik Abb. 4-11: Ablauf der Berechnungen des analytisch basierten Nachgiebigkeitsmodell Abb. 4-12: 3D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach analytischem Ansatz im Arbeitsraum (Parameter nach Herstellerangabe) Abb. 4-13: 2D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach analytischem Ansatz im Arbeitsraum (Parameter nach Herstellerangabe) Abb. 4-14: 3D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach optimiertem analytischem Ansatz im AR (Parameter nach experimenteller Ermittlung) Abb. 4-15: 2D-Darstellung der Nachgiebigkeiten nach optimiertem analytischem Ansatz im AR (Parameter nach experimenteller Ermittlung) Abb. 4-16: Erklärung zum asymmetrischen Nachgiebigkeitsverhalten Abb. 4-17: 2D-Darstellung der Nachgiebigkeiten in XY-Ebene bei z=0m: experimentell - analytisch v1 und experimentell - analytisch v4 (optimiert) Abb. 4-18: 2D-Darstellung der Nachgiebigkeitsdifferenzen in XY-Ebene bei z=0m: experimentell - analytisch v1 und experimentell - analytisch v4 (optimiert) Abb. 4-19: Schema des Regelkreises zur Abdrängungskompensation Abb. 5-1: Gesamtstruktur des Diagnose- und Regelungssystems Abb. 5-2: Oberfläche der Benutzerschnittstelle Host-Applikation Abb. 5-3: Oberfläche der Benutzerschnittstelle ControlDesk - Hauptbildschirm (oben) und Nebenbildschirm (unten) Abb. 5-4: Versuchsaufbau zur Versuchsreihe Variation der Bearbeitungsrichtung und Roboterposition Abb. 5-5: Messausstattung und Messaufnahme zur Auswertung der Werkzeugabdrängung Abb. 5-6: Ergebnis der Fräsbahn in X-Richtung bei innerer Aufspannung Abb. 5-7: Skizze der gestuften Werkstücke für Versuchsreihe Variation der Prozesslast Abb. 5-8: Ergebnis der Fräsbahn in X-Richtung bei innerer Aufspannung Variation der Prozesslast Abb. 5-9: Ergebnis der Fräsbahn in X-Richtung bei äußere Aufspannung Variation der Prozesslast Abb. 5-10: Ergebnis der Fräsbahn in X-Richtung und äußerer Aufspannung bei aktivem Validierungsversuch

15 Tabellenverzeichnis VII Tabellenverzeichnis Tab. 2-1: Gegenüberstellung der Genauigkeitskenngrößen...14 Tab. 2-2: Methoden und Ansätze zur Genauigkeitssteigerung von der Entwicklung bis zum Betrieb...21 Tab. 2-3: Unterteilung der Kalibriermethoden...26 Tab. 2-4: Anwendungsgebiete spanend eingesetzter Industrieroboter...34 Tab. 2-5: Charakteristische Bearbeitungsaufgaben in der Automobilindustrie...37 Tab. 2-6: Marktübersicht Vertikalknickarmroboter mit 130 kg Traglast [eigene Darstellung unter Verwendung von Herstellerangaben]...38 Tab. 3-1: Vergleich der direkten Translationsnachgiebigkeiten am TCP...59 Tab. 3-2: Erste Eigenschwingungen der Roboterstruktur des RV130HSC...68 Tab. 3-3: Kenngrößen der Positionsgenauigkeit nach [VDI-3441] entlang der X- und Y-Richtung...73 Tab. 3-4: Technologieparameter der Zerspanversuche...76 Tab. 4-1: Bewertung der Methoden und Ansätze zur Abdrängungskompensation Tab. 5-1: Prozessparameter der Validierungsversuche Tab. 5-2: Technologieparameter der Validierungsversuche Tab. 5-3: Zusammenfassung der Ergebnisse Variation der Fräsrichtung und Roboterposition Tab. 5-4: Zusammenfassung der Ergebnisse der aktiven Validierungsversuche...131

16 VIII Abkürzungen Abkürzungen ABNM Analytisch basiertes Nachgiebigkeitsmodell ACCOMAT Projektakronoym des Forschungsprojekts Die Genauigkeitsgeregelte Maschine ADVOCUT Projektakronoym des Forschungsprojekts Adaptive, vollserielle Werkzeugmaschine mit hochintegriertem mechatronischen Fräsmodul zur HSC-Bearbeitung AP Pose-Absolutgenauigkeit AT Bahn-Absolutgenauigkeit BASE Roboterbasiskoordinatensystem BKS Basiskoordinatensystem CAN Control Area Network (Feldbussystem) CCD Charge Coupled Device (lichtempfindlicher Chip) CFK Kohlefaserverstärkte Kunststoff-Verbunde CLIB C-Bibliotheken zur Kommunikation zwischen PC und Echtzeitprozessor CO Überschwingfehler CR Verrundungsfehler dap Drift der Pose-Genauigkeit DHK Denavit-Hartenberg-Konvention DHP Denavit-Hartenberg-Parameter drp Drift der Pose-Wiederholgenauigkeit DRS Diagnose- und Regelungssystem EBNM Experimentell basiertes Nachgiebigkeitsmodell Frame Koordinatensystem der Robotermatrizen FT-Sensoren Force Torque Sensoren (Kraft-Momenten-Sensoren) G Mittelwert der Istposen, bzw. Schwerpunkt einer Gruppe von Istpose g Erdbeschleunigung GB Gigabyte GFK Glasfaserverstärkte Kunststoff-Verbunde GHz Gigahertz GMT Glasmattenverstärkte Thermoplaste GPS Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem) Grad Winkelmaß HSC High-Speed-Cutting (Hochgeschwindigkeitszerspanung) HF Hauptfunktion Hz Hertz I/0 Input / Output (Ein- und Ausgabe) IR Industrieroboter ISO Internationale Organisation für Normung kg Kilogramm khz Kilohertz

17 Abkürzungen IX KOS Koordinatensystem kw Kilowatt mm Millimeter mv Millivolt N Newton Nm Newtonmeter O c Sollpose PPC-CPU Zentrale Rechnereinheit des Power PC rad Bogenmaß RAM Random Access Memory RDS Realistische Dynamiksimulation ROBOTstarV Steuerung der Firma Reis Robotics RP Pose-Wiederholgenauigkeit RRS Realistische Roboter Simulation RT Bahn-Wiederholgenauigkeit s Sekunden S1 Elektrische Betriebsart - Dauerbetrieb SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm (Horizontaler Knickarmroboter) SMC Sheet Mould Compound SN Seriennummer TCP Tool-Center-Point (Werkzeugspitze) TCP/IP Transport Control Protocol (TCP) / Internet Protokoll (IP) VDI Verein Deutscher Ingenieure VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. WZM Werkzeugmaschine XML Extensible Markup Language (Erweiterbare Auszeichnungssprache) m Mikrometer AP Mehrfachrichtungsposegenauigkeit infolge Streuung 1D Eindimensional 2D Zweidimensional 3D Dreidimensional

18 X Formelzeichen Formelzeichen i A Rotationsmatrix der Euler-Winkel zwischen Frame K j i und K [-] j i T Transformationsmatrix zwischen Frame K j i und K [-] j a, b, c Halbe Kantenlänge des Quaderelements [m] a e Eingriffsbreite [mm] a i 1. Translationsparameter bezogen auf Gelenk n (DHP) [m] a i Koeffizient der Ausgleichsfunktion [-] a p Eingriffstiefe [mm] D Modaler Dämpfungsgrad [%] d i 2. Translationsparameter bezogen auf Gelenk n (DHP) [m] F arith Arithmetisches Mittel der Fräskraft (Vektor) [N] F i Kraftkomponente [N] F v,vn,p Kraftvektor in Vorschub-, Vorschubnormalen- und Passivrichtung [N] F quad Quadratisches Mittel der Fräskraft (Vektor) [N] f z Zahnvorschub [mm/z] H ik feste Nachgiebigkeitskomponenten (skalare Größe) [ m/n] H ik allg. Nachgiebigkeitskomponenten / Verschiebungseinflusszahlen [ m/n] H ik allg. Nachgiebigkeitsmatrix [ m/n] i, j Indize [-] J Jacobimatrix [-] k ik Steifigkeitskomponenten / Krafteinflusszahlen [N/ m] l Abstand zwischen zwei Stützstellen [m] m Anzahl der Wiederholungen zur Genauigkeitsmessung [-] M i Momentenkomponente [Nm] n Drehzahl [1/min] n Gelenkanzahl [-] N i Formfunktionen [-] p i Ortsvektor [m] q i Gelenkkoordinate [rad] T0 Transformationsmatrix bezogen auf das Basis-Frame [-] u, v, w Wegkomponente [m] u i Stützstellen [-] v c Schnittgeschwindigkeit [m/min] v f Vorschubgeschwindigkeit [mm/min] x i, y i, z i, Wegkomponente [m] x i, y i, z i, Basisvektor [m] x, y, z X-, Y-, Z-Koordinaten des Schwerpunkts des Quaderelements [m] X, Y, Z Kartesische Koordinatenrichtungen [-] Z Zähnezahl [-]

19 Formelzeichen XI i 2. Rotationsparameter bezogen auf Gelenk i (DHP) [rad] i 1. Rotationsparameter bezogen auf Gelenk i (DHP) [rad] x,y,z Antriebsseitige Gelenkwinkel [rad],, Lokale X-, Y- und Z-Koordinate [m] i Verdrehung / Verkippung [rad] Inneres Moment [Nm] i Frequenzkomponente [Hz] n Resonanzfrequenz [Hz] F Laständerung [N] u Verlagerung [mm] x, y, z Auslenkungsdifferenz [mm]