Cobot-basiertes Messsystem Automatisierte Verschleißmessung ohne Umspannen des Werkzeugs

Von Andrea Alboni*

Am IfW Stuttgart sorgen Cobots kombiniert mit einem 3D Messsensor dafür, dass die Verschleißmessung von Werkzeugen bei Zerspannungsprozessen automatisch und ohne Umspannen des Werkzeugs erfolgen kann.

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Das am IfW Stuttgart eingesetzte cobot-basierte System verkürzt, vereinfacht und verbessert den gesamten Messprozess an Werkzeugen signifikant und arbeitet dabei hochpräzise.
Das am IfW Stuttgart eingesetzte cobot-basierte System verkürzt, vereinfacht und verbessert den gesamten Messprozess an Werkzeugen signifikant und arbeitet dabei hochpräzise.
(Bild: Universal Robots)

Auch in Lehr- und Forschungseinrichtungen gewinnen Automatisierungstechnologien zunehmend an Bedeutung: Für das IfW Stuttgart jedenfalls hängt das Zeitalter der Industrie 4.0 eng mit Innovationen aus den Bereichen der Robotik und Messtechnik zusammen. Ob Maschinenkonstruktion und -untersuchung, Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung oder Zerspanungstechnologie: Mehr als 30 wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter forschen hier in den Bereichen Konstruktion und Optimierung von Werkzeugmaschinen, spanende Fertigungstechniken und additive Fertigung.

Qualitätsmerkmal Werkzeugverschleiß

Dazu gehören Untersuchungen des Einsatzes von Werkzeugen bei Zerspanungsprozessen und der damit zusammenhängende Verschleiß, aber auch Auswirkungen auf die bearbeitenden Werkstücke. „Die Qualitätsanforderungen an Bauteile nehmen stetig zu“, kommt der Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen, Universitätsprofessor Dr. Ing. Hans Christian Möhring, gleich zum Punkt. Einen wesentlichen Einfluss darauf haben Möhring zufolge spanabhebende Prozesse. „Der Werkzeugverschleiß spielt eine entscheidende Rolle, weil er sich einerseits auf die Werkzeugkosten auswirkt, andererseits aber auch einen unmittelbaren Einfluss auf die Oberflächen und Randzoneneigenschaften hat.“

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Um Branchen wie dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Maschinenbau und der Medizintechnik valide Forschungsergebnisse liefern zu können, werden beim IfW Stuttgart Bauteile und Werkzeuge an stationären Messeinheiten vermessen. Dabei geht es in erster Linie darum, den tatsächlichen Werkzeugverschleiß bei Zerspanungsvorgängen exakt nachvollziehen zu können – ein bis vor kurzem aufwändiges Unterfangen: Das Werkzeug musste aus der Maschine ausgespannt, zum Messgerät transportiert und dort eingespannt werden, bevor schließlich eine Messung erfolgen konnte. Ein Vorgehen, das sehr viel Zeit in Anspruch genommen hatte, erinnert Möhring. Hinzu kam, dass Umspannvorgänge nicht selten zu Ungenauigkeiten bei Messungen geführt hatten.

Verkürzte, vereinfachte und verbesserte Messprozesse

Aufgrund dieser Umstände machte sich das renommierte Forschungsinstitut auf die Suche nach einem alternativen Prozess. Seit Sommer 2020 verfügt das IfW Stuttgart nun über ein Cobot-basiertes Messsystem. Es ermöglicht den Forscherinnen und Forschern in der baden-württembergischen Landeshauptstadt, automatisiert und vor allem direkt in der Maschine zu arbeiten. Darüber hinaus können mit dem Cobot, anders als bisher, auch sehr große Bauteile und Werkzeuge vermessen werden.

„Der vom IfW verwendete Compact Cobot besteht aus einem UR10e von Universal Robots, einem hochauflösenden optischen 3D-Messsensor und einem stabilen Unterbau inklusive einer richtlinienkonformen Steuerung“, sagt Daniel List-Kaul, Projekt Manager Customized Solutions beim Implementierungspartner Bruker Alicona. Bruker Alicona ist ein globaler Anbieter von optischer, industrieller Messtechnik zur Qualitätssicherung von komplexen Bauteilen unterschiedlicher Formen, Größen und Materialien. Die berührungslosen Messsysteme werden in allen Sparten der Präzisionsfertigung eingesetzt.

Äußerst präzises System

Das Prinzip der bei IfW eingesetzten Lösung: Der Sensor wird in einem ersten Schritt an die gewünschte Messposition geführt. Die in den Griffen integrierten Joysticks ermöglichen zusätzlich eine hochpräzise Positionierung. „Ein Ein- und Ausspannen ist jetzt nicht mehr nötig. Vielmehr verkürzt, vereinfacht und verbessert sich nun der gesamte Messprozess signifikant“, so List-Kaul weiter. „Das absolut Besondere ist die Präzision des Systems.“

Durch die Kombination der stabilen UR-Robotik mit dem Bruker-Alicona-Messsensor und der Fokus-Variation-Messtechnologie lassen sich hochauflösende 3-D-Datensätze generieren. Dies ermöglicht dem Anwender Messungen im Mikro- und Nanometerbereich. List-Kaul: „Diese können dann für weiterführende Analysen verwendet werden. Es ist möglich, eine detaillierte Verschleißkurve aufzunehmen. Der Kunde erzielt damit eine Beschleunigung im wirtschaftlichen Prozess.“

Vollautomatisierung geplant

Sarah Eschelbacher, Gruppenleiterin Prozessüberwachung und -regelung beim IfW fasst ihre Erfahrungen der vergangenen Monate zusammen: „Die Bedienung des Cobots ist sehr intuitiv. Mittlerweile arbeiten viele Kollegen und Studenten damit. Hat man einmal die Messpunkte und den Ablauf einprogrammiert, dann übernimmt der Cobot den Messprozess von ganz allein.“ Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter könnten sich damit voll und ganz auf die Auswertung und Interpretation von Daten konzentrieren. Gründe, weshalb die Forschungseinrichtung der Universität Stuttgart schon die nächsten Schritte für die Zukunft plant: eine Implementierung weiterer Cobot-Systeme sowie die Vollautomatisierung der Mess- und Auswertungsprozesse.

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Zusatzinfo

Forschungseinrichtung für Produktionstechnik

Institut für Werkzeugmaschinen (IfW)

Was Anno 1858 mit der Einführung des Lehrfachs „Mechanische Technologie“ an der Polytechnischen Schule begann, zählt heute zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Produktionstechnik in Deutschland – das Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart. Dort werden mit über 30 wissenschaftlichen Mitarbeitern Forschungsvorhaben aus dem Bereich der Konstruktion und Optimierung von Werkzeugmaschinen und der spanenden Fertigungstechnik bearbeitet. Die Schwerpunkte der Forschung im IfW liegen auf den Gebieten der Werkzeugmaschinenkonstruktion und -untersuchung, der spanenden Metall- und Holzbearbeitung sowie in der Automatisierungstechnik und der umweltverträglichen Fertigungstechnik. Dabei erhalten additiv-subtraktive Prozessketten, die Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen und die Prozessüberwachung zunehmende Bedeutung. Gemeinsame, auch interdisziplinäre Forschungsvorhaben werden mit Industriepartnern sowie mit den konstruktions- und fertigungstechnisch orientierten Instituten der Universität Stuttgart und anderer Hochschulen im In- und Ausland durchgeführt.

* Andrea Alboni ist General Manager Western Europe bei Universal Robots

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