μRoboForm - Hochgenaue Umformteile durch messdatenbasierte Echtzeit-Reglung der volumetrischen Kompensation robotergestützter Umformprozesse

Die meisten Umformprozesse unterliegen dem Zielkonflikt zwischen Flexibilität und Präzision. Eine hohe Bauteilpräzision wird mit teuren Werkzeugen in hohen Stückzahlen erreicht, wohingegen in flexiblen Prozessen die Prozesskräfte oft zu Verformungen des Werkzeugs führen und damit Geometrieabweichungen hervorrufen. Kleine und mittel-ständische Fertigungsunternehmen bieten ihre Dienstleistungen vorwiegend für die Herstellung kleiner und mittlerer Losgrößen an, wobei die Investition in teure Spezialmaschinen und Werkzeuge oft nicht wirtschaftlich ist.

Knickarm-Industrieroboter bieten die erforderliche Flexibilität für KMU. Sie weisen jedoch erhöhte Positionierabweichungen auf und können die hohen Umformkräfte aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit nicht ohne signifikante Verformungen aufbringen, was zu Abweichungen der Werkzeugposition von bis zu einigen Millimetern führt. Voraussetzung für die Nutzung von Robotern in Umformprozessen oder anderen Bearbeitungsaufgaben ist daher eine Reduzierung der absoluten Positionsunsicherheit des Tool Center Points (TCP).

Daher wird im Projekt ein kostengünstiges, präzise absolut messendes Multi-Sensor-System zur echtzeitfähigen Erfassung der TCP- bzw. Werkzeugposition und -orientierung des Roboters innerhalb des Arbeitsraums entwickelt. Dieses Multi-Sensor-System ist von der Roboterkinematik unabhängig und erfasst die Verformungen und Werkzeugablenkungen mit einer Messunsicherheit von weniger als 50 μm, was eine Reduzierung der Abweichung der Werkzeugposition um eine Größenordnung ermöglicht. Technologisch basiert dieses Sensor-System auf der Auswertung von Schatten, die durch eine Maske auf einen Kamerachip geworfen werden, wobei eine Kombination mehrerer Sensoren die präzise Positionsbestimmung robust ggü. Verdeckungen realisiert. Das Multi-Sensor-System wird echtzeitfähig über die CNC-Steuerung die absolute Positionierunsicherheit auch unter einwirkenden Prozesskräften erheblich reduzieren.

Im Projekt wird ein Multi-Sensor-System entwickelt, das die Genauigkeit von Industrierobotern deutlich steigern kann, um so den Robotern neue Anwendungsfelder zu erschließen. Zugleich werden Roboter damit dazu befähigt, präzisere Bauteile durch inkrementelle Umformung zu erzeugen. Als Beispiel dienen hier Blechteile in Kleinserien, die bislang nur schwer kosteneffizient herstellbar sind. Das Multi-Sensor-System basiert auf hochgenauen Schattensensoren, die die Position des Tool-Center-Points vom Roboter in Echtzeit bestimmen und durch Soll-Ist-Abgleich in der NC-Steuerung korrigieren.

Die einzelnen Teilziele sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Das Anwendungspotenzial ist enorm: Allein in Deutschland wurden in den letzten zehn Jahren jährlich Industrieroboter im Wert von ca. 1 Mrd. € hergestellt. Ebenso ist in Deutschland der Einsatz von Industrierobotern in der Produktion mit ca. 370 Robotern je 10.000 Mitarbeitern stark verbreitet, wobei über 50 % davon auf Großunternehmen entfallen.

Nach Abschluss des Forschungsvorhabens werden Handlungsempfehlungen zu Sensordesign, Sensorintegration und Entwurf des Regelkreises für die gewählten Fertigungsverfahren zusammengestellt, auf denen die industriellen Partner bei der Umsetzung der Projektergebnisse aufbauen können. Mit den Projektergebnissen als Grundlage wird der Zeithorizont für die industrielle Weiterentwicklung zum marktfähigen Produkt nach Projektende auf 1-2 Jahre geschätzt.

Die Kosten für ein marktreifes Multi-Sensor-System für den flexiblen Einsatz in Kombination mit verschiedenen Robotersystemen (inkl. kalibrierter Sensoren und Messoftware) werden auf ca. 40 - 60 T€ geschätzt. Der Platzbedarf für das Messsystem ist gering. Es müssen lediglich ca. 20 Sensoren in der Größe einer Streichholzschachtel um den Fertigungsraum herum installiert werden. Die initiale Einrichtung des Mess-Systems und die Integration in die Robotersteuerung erfolgt anhand dokumentierter Prozeduren durch den Anwender selbst oder durch Anwendungstechniker des Messgeräte-Herstellers.

Nach erfolgter Umsetzung der F&E-Ergebnisse sind die KMU der blechverarbeitenden Industrie unmittelbar in die Lage versetzt, komplexe, herausfordernde Blechbauteile in bisher nicht erreichten Qualitäten in Serie zu produzieren und prozessbedingten Abweichungen entgegenzuwirken. Dies bietet die Möglichkeit, neue Kunden zu erreichen und neue Märkte zu erschließen. Zusätzlich stellt die onlinefähige sensorische Positionskorrektur bei der Blechumformung einen idealen Ausgangspunkt für den Transfer in andere Technologien und Anwendungen dar, z.B. robotergestützte Zerspanung oder Handling-Aufgaben mit hohen Präzisionsanforderungen. 

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)

Reichenhainer Straße 88, 09126 Chemnitz

Projektfokus: Automatisierung und Blechumformung

BIMAQ - Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft

Linzer Straße 13, 28359 Bremen

Projektfokus: Schattensensorik und Bildverarbeitung

DFMRS - Deutsche Forschungsvereinigung für Meß-, Regelungs- und Systemtechnik e.V.

Linzer Straße 13. 28359 Bremen

Marina Terlau, Axel von Freyberg, Dirk Stöbener, Andreas Fischer (2024):

Optical tool deflection measurement approach using shadow imaging.

In: Measurement: Sensors 33:101162,

https://doi.org/10.1016/j.measen.2024.101162

Marina Terlau, Axel von Freyberg, Andreas Fischer (2024):

In-process tool pose measurement in incremental sheet forming.

Esaform 2024, Toulouse, 8.-11.5.2023, pp. 1353-1362,

https://doi.org/10.21741/9781644903131-150

Die Projektpartner danken der Bundesrepublik Deutschland für die finanzielle Unterstützung.