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CAD-Software

Greifer und Fahrachsen von Robotern richtig auslegen

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Ralf Steck* / Juliana Pfeiffer

Automatisierung ist das Megathema in der Fertigungstechnik, Roboter sind die Zukunft und ein unverzichtbarer Baustein der Industrie 4.0. IPR aus Eppingen fertigt Greifer und Fahrachsen für Roboter. Bei der Produktentwicklung hilft die Konstruktionssoftware PTC Creo, bei der Auslegung der hochdynamischen Komponenten Simsolid.

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Simsolid ist eine speziell für Konstrukteure entwickelte strukturmechanische Analysesoftware für die konstruktionsbegleitende Berechnung.
Simsolid ist eine speziell für Konstrukteure entwickelte strukturmechanische Analysesoftware für die konstruktionsbegleitende Berechnung.
(Bild: Altair)

Das Produktportfolio der IPR, die Abkürzung steht für Intelligente Peripherien für Roboter, umfasst „Hände und Füße für Roboter“, wie Marketing- und Vertriebsleiter Markus Wadulla erklärt. Am vorderen Ende des Roboters – also als Hand – sind dies Greifer und Werkzeugwechsler, mit deren Hilfe der Greifer automatisch gewechselt werden kann. Eine weitere Produktgruppe sind sogenannte Ausgleichselemente, das sind einfach gesagt Zwischenelemente zwischen Greifer und Roboter, die dem Greifer eine gewisse Nachgiebigkeit verleihen, mit deren Hilfe Positionierungsfehler aufgefangen werden können.

Fahrachsen ermöglichen Roboter Fortbewegung

Als „Füße“ des Roboters entwickelt und baut IPR sogenannte Fahrachsen, die es ermöglichen, dass sich der Roboter fortbewegen kann; die Achsen können auf dem Boden, an der Wand oder als Deckenachse angebracht werden. Die längste Fahrachse, die IPR bis heute hergestellt hat, ist 72 m lang und trägt Lackierroboter, die Rotorblätter von Windkraftanlagen automatisiert lackieren.

Ein wichtiger Einsatzbereich der IPR-Produkte ist die Hohlraumversiegelung von Fahrzeugkarosserien zum Korrosionsschutz. Dafür muss der Roboter mit Applikationsdüsen in sehr enge Hohlräume eintauchen und dort das Konservierungsmittel verteilen. Dazu hat das Unternehmen unter anderem eine elektrisch drehbare Düse entwickelt, die sehr gezielt nebelt und dabei extrem wenig Material verbraucht. Neben der Automobilindustrie sind die IPR-Kunden vor allem in den Bereichen Werkzeugmaschinen- und Anlagenbau sowie Retail zu finden.

Bewegungen bei Robotern werden dynamischer

Da die Spanne der Anforderungen an die Produkte sehr groß ist, müssen die Greifer sehr unterschiedlich schwere Teile sicher greifen und transportieren (das Gewicht reicht von wenigen Gramm bis zu mehreren hundert Kilo). Die Fahrachsen müssen immer schwereren und dynamischeren Robotern ein sicheres Fundament bieten und gleichzeitig ein genaues und feinfühliges Positionieren zulassen. „Die Anforderungen wachsen“, sagt Konstruktionsleiter Marc Engelhart. „Die Roboter können bei gleicher Größe immer schwerere Bauteile handhaben, gleichzeitig werden die Bewegungen immer dynamischer. Das müssen wir in unseren Produkten abfangen.“ Nachdem man viele Jahre mit einem Midrange-CAD-System gearbeitet hatte, wurde 1999 nach einem neuen CAD-System gesucht. Die Wahl fiel auf Creo, damals noch unter dem Namen Pro/Engineer. Zu den Gründen zählten die im Vergleich zu anderen Kandidaten einfachere Bedienung und die bessere Volumenmodellierung. Inzwischen nutzt IPR auf 14 Arbeitsplätzen Creo, zwei weitere Lizenzen stehen zur Abdeckung von Spitzenbelastungen zur Verfügung.

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Praktische Funktionen zur Kollisionsuntersuchung

Die Arbeit beginnt meist mit einem Standardteil. Fragt ein Kunde einen neuen Greifer an, wird ein den Anforderungen entsprechendes Modell aus dem Standardprogramm ausgewählt. Der Konstrukteur lädt die Teilegeometrie, die der Kunde meist im STEP-Format liefert, und konstruiert die Greiferbacken. Am anderen Ende der Skala – wenn es um die Komplexität der Konstruktion geht – stehen komplette Roboterzellen, in denen ein oder mehrere Roboter Werkstücke von einer Station zur nächsten transportieren. Dann beginnt die Konstruktion mit einem Grundlayout, das nach der Zustimmung des Kunden zum Grobplan detailliert wird. „Sehr praktisch sind hierbei die Funktionen zur Kollisionsuntersuchung in Creo“, wirft Engelhart ein. „Zudem dient das Modell dann auch als Grundlage für die Robotersimulation, die wir zum Teil durch externe Dienstleister durchführen lassen.“

Ein wertvolles Hilfsmittel bei der Konstruktion der kundenspezifischen Anpassungen sind die Familientabellen in Creo. Diese Funktion ermöglicht es, alle Varianten eines Produkts in einem einzigen Modell vorzuhalten und beim Aufruf die gewünschte Variante auszuwählen. So lassen sich beispielsweise Fahrachsen sehr schnell auf die benötigte Länge konfigurieren. „Das spart viel Zeit beim Modellieren“, fasst Konstruktionsleiter Achim Haberkern zusammen, „und sorgt dafür, dass die Metadaten im PLM-System und damit auch im ERP richtig sind. Wir haben eine Reihe von Teilen, die bei gleicher Geometrie aus Stahl, Alu oder Messing sein können. Das lässt sich für jedes neue Teil in der Familientabelle einstellen, so dass Gewichte und Teilestamm im ERP-System stimmen.“ Teils sind die Familientabellen sehr komplex und bilden in einer verschachtelten Hierarchie ganze Sondergreifer oder -Fahrachsen ab.

Direktes Editieren im parametrischen System

Die Flexible Modeling Extension in Creo ermöglicht direktes Editieren im parametrischen System. „Das ist sehr praktisch“, erläutert Haberkern, „vor allem wenn man an einem CAD-Modell des Kunden etwas geändert haben möchte. Sollte zum Beispiel eine Bohrung verschoben werden, war das oft nicht einfach zu kommunizieren. Heute verschiebe ich die Bohrung in der vom Kunden gelieferten STEP-Datei und sende diese zurück. Dann sieht der Kunde genau, was ich ändern möchte.“

Mit Creo sind die Konstruktionsleiter sehr zufrieden, wie Engelhart sagt: „Wir stehen im Augenblick noch auf Creo 2, wollen aber in naher Zukunft auf Version 4 aktualisieren. In der Zwischenzeit haben wir einige Arbeitsplätze auf Creo 3 umgestellt, um von den verbesserten Importfunktionen profitieren zu können. Seitdem kenne ich kein Importmodell mehr, das Creo nicht als Volumenmodell importieren könnte. Der Import ist schon sehr gut geworden.“ Auch bei riesigen Daten – Karosseriedaten eines Autos, wie sie IPR für manche Handlingsanlagen bekommt, können weit über fünf Gigabyte groß sein – bricht die Performance nicht massiv ein, Creo kann mit solchen Daten umgehen.

Kunden verlangen öfter nach Nachweisen

„Roboter werden immer leichter, aber auch immer leistungsfähiger“, sagt Haberkern. „Das bedeutet, dass die dynamischen Kräfte in Greifern wie in Fahrachsen immer höher werden. Die Anforderungen an die Berechnung werden nicht nur deshalb immer höher, sondern auch weil die Kunden immer öfter nach Nachweisen verlangen. Früher haben wir dann einen Dienstleister beauftragt, das dauerte aber viel zu lange. Oft dauerte alleine das Bestellen einer Simulation zwei bis drei Wochen und die Berechnung noch einmal so lange. Das ist heute viel zu lang, wir benötigten die Berechnungsergebnisse möglichst schnell.“ Deshalb suchten die IPR-Verantwortlichen im Jahr 2017 gemeinsam mit Inneo nach einem geeigneten FEM-System und zogen unter anderem die von Creo-Hersteller PTC angebotene Lösung, aber auch das von Inneo vertriebene Simsolid in die nähere Auswahl. Dass letztere Lösung schließlich das Rennen machte, liegt nach Aussage Engelharts an der einfachen Bedienung und dem schnellen Aufsetzen von Simulationen. „Simsolid arbeitet ohne Rechengitter, es muss also nicht zunächst einmal aufwändig die Geometrie vereinfacht und dann das Modell vernetzt werden. Man definiert einfach die gewünschten Gleichungen und die Geometrie und das System beginnt zu rechnen.“ Haberkern fügt an: „Ein großer Vorteil ist, dass das System, wenn man ein geändertes 3D-Modell lädt, nur die Bereiche rechnet, die betroffen sind. So bekommt man bei Iterationen in wenigen Minuten ein aktualisiertes Simulationsergebnis. Das beschleunigt den Konstruktionsprozess massiv.“

Festigkeitsberechnung eines Roboterarms

Ein gutes Beispiel für eine solche Änderungssimulation ist die Festigkeitsberechnung eines Roboterarms auf einer Fahrachse oder einem Fahrportal. Dort sind oft Analysen an verschiedenen Positionen des Roboters notwendig. Bei Simsolid berechnet man den Aufbau einmal, verschiebt dann den Roboter auf der Fahrachse und startet eine zweite Berechnung, die dann wesentlich kürzer dauert. Unter anderem werden auch die Laufachsen der Fahrachsen mit Simsolid ausgelegt, beispielsweise die Größe der Rollen, auf denen der Roboter läuft.

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Strukturanalyse-Software
Bahnbrechende Simulationstechnologie für Konstrukteure

Simsolid ist eine speziell für Konstrukteure entwickelte strukturmechanische Analysesoftware für die konstruktionsbegleitende Berechnung. Simsolid ist die neue Generation von Simulations-Software für strukturmechanische Analysen. Das Programm macht die Geometrievereinfachung und Vernetzung überflüssig, die beiden Zeit- und Know-how-intensivsten Aufgaben im traditionellen FEM-Prozess. Die Gründung des Unternehmens Simsolid ist aus einer einfachen Frage hervorgegangen: „Warum müssen die in der Konstruktion und Struktursimulation verwendeten Geometrien so unterschiedlich sein?“ Die Software arbeitet auf Grundlage detailgetreuer CAD-Baugruppen und bietet schnelle, genaue und robuste Struktursimulationen, die ohne Geometrievereinfachung, Bereinigung und Vernetzung auskommen. Die zugrundeliegende Technologie basiert weitestgehend auf der Arbeit von Dr. Victor Apanovitch, einem früheren Professor an der Belarussische Nationale Technische Universität und Mitbegründer der Simsolid Corporation.

Ermöglicht Analysen von komplexen Bauteilen

Der Berechnungskern von Simsolid ist eine kommerzielle Implementierung neuartiger und unveröffentlichter mathematischer Methoden, die auf Erweiterungen der externen Approximationstheorie basieren. Simsolid steuert die Lösungsgenauigkeit mittels adaptiver Multipfad-Analyse und wird dadurch enorm schnell und speichereffizient. Große und komplexe Baugruppen können sogar auf Laptop-Computern in kürzester Zeit gelöst werden.

Im Oktober 2018 hat Altair Simsolid übernommen. Der Vertrieb erfolgt über Inneo Solutions. (jup)

Simsolid besitzt eine Eigenschaft, die der Entwicklung der IPR-Produkte entgegenkommt: Konventionelle FEM-Systeme erfordern viel Nacharbeit bei Schweißkonstruktionen, da die Schweißraupe im 3D-Modell praktisch nie modelliert wird. Stattdessen klafft eine Lücke im 3D-Modell, wo die Schweißraupe platziert ist. Dies bedeutet, dass der Anwender bei der Vorbereitung der Geometrie für die FEM-Simulation diese Lücken manuell schließen muss. SimSolid hingegen erkennt Schweißnähte selbständig und berechnet Schweißkonstruktionen ohne weitere Vorarbeiten richtig. „Und Schweißkonstruktionen werden immer wichtiger bei IPR“, erläutert Engelhart, „weil wir immer stärker aufs Gewicht achten und deshalb schwere, massive Frästeile oft durch eine leichtere, aber ebenso steife Schweißkonstruktion ersetzen. Das ist natürlich mit SimSolid viel einfacher geworden, weil wir sehr schnell die Festigkeit der Schweißkonstruktionen durchrechnen können. Statt sechs Wochen auf eine Analyse zu warten, integrieren wir heute die Simulation direkt in den Konstruktionsprozess.“

Renderingmodul Keyshot sorgt für Visualisierung

„Wir gehen immer weiter an die Grenzen des Machbaren“, sagt Ha- berkern. „Waren früher die Greifer oft zwei- bis dreimal schwerer als das zu greifende Teil, kommen wir heute immer näher an ein 1:1-Verhältnis. Zudem verlangen die Kunden immer öfter schriftliche Nachweise. Simsolid liefert uns die Sicherheit, dass wir die Grenzen nicht überschreiten und liefert gleichzeitig die benötigten Nachweise. Und das alles in einer Geschwindigkeit, die die Simulation zu einer willkommenen Unterstützung macht statt zu einem notwendigen Übel, das viel Zeit beansprucht.“

Ein weiteres wichtiges Zusatzprogramm, das auf Basis der Creo-Daten arbeitet, ist das Renderingmodul Keyshot, das ebenfalls von Inneo vertrieben wird. Wadulla erläutert das Einsatzszenario der Software: „Wir benötigen Darstellungen unserer Produkte für Messen, Broschüren und andere Marketingzwecke. Früher gab es dabei zwei Optionen: Entweder einen Fotografen zu beauftragen oder ein 3D-Bild aus der Konstruktion zu nutzen. Der Fotograf bedeutete großen Aufwand und hohe Kosten, zudem haben wir oft die Objekte noch gar nicht real vorliegen, wenn wir das Bildmaterial benötigen. Dann nutzten wir auch schon einmal Darstellungen aus Creo, die waren aber nicht gerade ästhetisch ansprechend.“

Keyshot kann zum einen direkt auf Basis der CAD-Daten arbeiten und ist zum anderen sehr einfach zu bedienen. Inzwischen haben die Mitarbeiter im Marketing das Programm im Griff und erstellen selbständig die Visualisierungen. (jup)

BUCHTIPPDas Buch „Industrieroboter“ ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Es werden die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik vermittelt und Methoden erläutert, wie bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotereinsatz automatisieren lässt

* *Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen.

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