Revolutionierung robotergestütztem Schleifen & Polieren: Kraftsensor-Materialabtragstechnik für Präzision

Ohne Kraftsensortechnik lassen sich Schleif- und Polieranwendungen nicht entwickeln. Die Fertigungslandschaft wandelt sich, getrieben vom Bedarf an innovativer, effizienter, präziser Technologie, die teure manuelle Arbeit ersetzt. Dieser Artikel untersucht Fortschritte in Flexivs Materialabtragstechnik – speziell Schleifen und Polieren – und den Nutzen von Kraftregelungstechnologie.

Der unsichtbare Held: Präzise und langlebige Kraftsensoren

Kennzeichnendes Merkmal für automatisierten Materialabtrag sind Kraftsensoren. Typischerweise in End-of-Arm-Schleifwerkzeugen an kollaborativen Robotern integriert, geben sie dem Roboter die Fähigkeit, die bearbeitete Oberfläche zu „fühlen“ und die einwirkende Kraft entsprechend anzupassen.

Adaptive Roboter nutzen dieselbe Grundtechnologie, aber statt nur einem End-of-Arm-Kraftsensor verwenden sie präzise Drehmomentsensoren in jedem der sieben Freiheitsgrade plus einen Kraftsensor am Armende. Diese Konfiguration verarbeitet Kraftdaten aus mehreren Eingängen und bietet detaillierteres Verständnis der Werkzeug-Werkstück-Interaktion.

Nur möglich durch proprietäre Verschiebungssensortechnik mit zwei entscheidenden Vorteilen:

• Stabilität & Genauigkeit: Resistenz gegen thermischen Drift verbessert Präzision.
• Langlebigkeit: Ausgelegt für Millionen Überlastzyklen – industrietauglich.

Im Vergleich zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen gewährleisten diese Eigenschaften zuverlässige Leistung auch bei thermischer Kontraktion/Expansion, die traditionelle Messstreifen herausfordert.

Flexibilität entfesselt: Sieben-Gelenk-Design

Menschlicher Arm hat sieben Artikulationspunkte – daher sieben Freiheitsgrade (DOF) bei adaptiven Robotern. Gegenüber traditionellen Cobots mit sechs DOF bietet die zusätzliche Dimension verbesserte Flexibilität und Manövrierfähigkeit in komplexen Umgebungen.

Jedes Gelenk mit eigenem Drehmomentsensor → präzise Kontrolle über jeden DOF → höhere Gesamtgenauigkeit. Vital besonders beim Schleifen.

Kraftregelung durch Optimierung Gelenkkonfigurationen weiter verbesserbar. Zusätzlicher DOF ermöglicht effizienteste „Gelenk“-Konfiguration für beste Kraftregelungsantwort und -genauigkeit.

Analogie: Handschleifen eines Holzstücks – koordinierte Bewegungen von Handgelenk, Ellbogen, Schulter plus taktiles Feedback sind fundamental. Mit dicken Handschuhen oder immobilisiertem Ellbogen wird Aufgabe extrem schwierig und zeitaufwendig.

Omnidirektionale Compliance entscheidend, besonders bei Bandschleifern wo Roboter Werkstück an Bandschleifer hält. Um kontinuierlichen Kontakt zu halten, muss Roboter Kraftrichtung während Abtragsprozess ständig ändern.

Präzision durch direkte Kraftregelung

Zentral: Implementierung direkter Kraftregelung. Transformiert Kraftbefehle instant in Gelenkdrehmomentbefehle → deutlich schnellere Reaktionszeiten auf Kraftänderungen. Ersetzt indirekte Kraftregelung (Kraft → Gelenkgeschwindigkeitsbefehle → Gelenkdrehmoment/Strombefehle).

Durch Weglassen Zwischenschritte verringert adaptiver Roboter Steifigkeit in Kraftrichtung erheblich → stark verbesserte Kraftregelungsgenauigkeit. Entscheidend für Feinschleifen/Polieren, wo penible Kraftkontrolle für überlegene Oberflächengüte unerlässlich.

Keine zusätzlichen passiven/aktiven Compliance-Geräte zwischen Roboteflansch und Schleifern nötig → gesamte Schleiflösung leichter, zuverlässiger, kompakter, kosteneffizienter.

Vorteil omnidirektionaler Compliance

Ausstattung adaptiver Roboter mit Fähigkeit, Kräfte in alle Richtungen im kartesischen Raum zu kontrollieren. Verbesserung gegenüber traditionellen Lösungen, die nur axiale/radiale Richtungen managen konnten.

Traditionelle Lösungen limitiert durch Abhängigkeit von Compliance-Geräten. Inhärente Designbeschränkungen auf lineare/rotatorische Bewegungen entlang/um spezifische Achsen. Für reale Fertigung oft multidirektionale Kraftkontrolle nötig.

Omnidirektionale Compliance vital für komplexe Abtragsaufgaben mit simultaner Kraftkontrolle in mehreren Richtungen. Roboter mit komplexen Kurven/unebenen Oberflächen braucht mehr als axiale/radiale Kontrolle – braucht Dexterity in 3D kartesischem Raum.

Roboter können Kraftadaptivität in jedem Tool Center Point (TCP) Frame präzise definieren. Ermöglicht dynamische Anpassung der ausgeübten Kraft relativ zum Endeffektor – erhöht Vielseitigkeit bei komplexen Aufgaben.

Schwingungsreduktion essenziell für Materialabtrag. Übermäßige Schwingungen beschädigen Werkstücke und verkürzen Lebensdauer mechanischer Systeme – besonders bei hochschwingenden Anwendungen wie Schleifen.

Omnidirektionale Compliance auch entscheidend bei Bandschleifern: Roboter hält Werkstück an Bandschleifer, muss Kraftrichtung ständig wechseln. Externer TCP bezüglich Schleifer einstellbar → konsistente Compliance-Richtung auch bei Pose-Änderung während Betrieb.

Mächtiges Werkzeug, das Aufgabenspektrum erweitert. Integration fortschrittlicher Kraftregelung mit omnidirektionaler Compliance nicht nur erhöht Flexibilität, sondern strafft Kalibrierung und Feintuning – reduziert Zeit/Aufwand bei Inbetriebnahme.

Kontaktwinkel & Konturverfolgung

Programmierbare Kontaktwinkel lassen Operatoren durchschnittliche auf Oberfläche ausgeübte Kraft direkt definieren – Verbesserung gegenüber konventionellen Methoden, wo Kontaktwinkel die Kraft beeinflusst. Signifikant für industrielles Schleifen: Operatoren können Kontaktwinkel entlang Schleifpfad variieren ohne Kraftregelungseinstellungen zu ändern → konstanter Druck.

Konturverfolgung nutzt omnidirektionale Compliance – im Gegensatz zu traditionellen Systemen, die bei unregelmäßigen Formen konstanten Kraftaufwand schwer halten. Konturverfolgung erlaubt Echtzeit-automatische Anpassung der Kraftrichtung → konsistente Ausübung unabhängig von Oberflächenkonturen oder Roboterbewegungen.

Beide Features erhöhen Ausgabqualität und reduzieren Trajektorien-Tuningzeit. Einfach: Kontaktwinkel und Konturverfolgung reduzieren Inbetriebnahmezeit von Stunden auf Minuten. Erleichtert Deployment, minimiert ständige Anpassungen → Werkstücke schneller und in höherer Qualität.

Erhöhte Langlebigkeit durch Schwingungsreduktion

Flexiv reduziert Schwingungen um ca. 25–50 % durch Gelenkdrehmomentregelung. Verlängert Betriebslebensdauer der vom Roboter genutzten Ausrüstung und verbessert Gesamtwerkstückqualität durch Beseitigung von „Wirbeln und Schlieren“ auf Oberflächen, die Schwingungen beim Materialabtrag verursachen.

Zukunftsausblick

Robotik schreitet rasant voran. Aktuelle Entwicklungen in adaptiver Robotik ermöglichen bahnbrechende Lösungen, die mit traditioneller Cobot-Technik unmöglich waren.

Roboter-Materialabtrag stellt weiterhin große Herausforderungen; direkte Kraftregelung, omnidirektionale Compliance, Schwingungsreduktion machen effektive Lösungen machbar und praktisch.

Präziseres Spüren als je zuvor eröffnet neue Automatisierungsmöglichkeiten. Gekoppelt mit Plattformen wie NOEMA KI-System praktisch keine Grenzen für automatisierbare Prozesse.

Materialabtragsautomatisierung entwickelt sich parallel zu Hardware- und intelligenter Software-Fortschritten – Wandel von traditionellen arbeitsintensiven Ansätzen, die noch vor wenigen Jahren üblich waren.

Ausblick: Automatisierter Materialabtrag könnte so alltäglich werden wie automatisiertes Schrauben oder Pick-and-Place.

Artikel von Ran Xu, Robotics Engineering Manager, Flexiv Robotics (Santa Clara, CA). Weitere Informationen: Webseite.