Robotik

Schnell sauber

Verfahren zum automatisierten Gussputzen
Verfahrensaufbau beim automatischen Gussputzen: Drehtisch, zu bearbeitendes Gussteil, Roboter und Werkzeug.
Viele Putzereien arbeiten noch mit geringem Automatisierungsgrad. Dabei verbirgt sich in der Optimierung manueller Arbeitsvorgänge großes Einsparpotenzial. Theilinger hat hierfür ein Robotersystem entwickelt.

Schweres Gerät, Arbeiten über Kopf und staubige Arbeitsumgebung – in Stahl- und Eisengießereien geht es rau zu. Auch an den Putzerei-Arbeitsplätzen lauert Gefahr für die Gesundheit der Werker: Atemwegserkrankungen, Gelenkschäden oder Bandscheibenvorfälle sind unter diesen Bedingungen nicht selten und kosten viel Geld. Die lange Bearbeitungsdauer für die Gussteile ist an sich schon kostenintensiv – eine Automatisierung in diesem Bereich würde also in mehrfacher Hinsicht Kosten vermeiden. Man müsste einen Roboter haben, der mit verschiedenen Werkzeugen das Gussteil bearbeitet, dachten sich die Ingenieure bei Theilinger in Nürnberg. Außerdem wäre eine Software nötig, die durch Gusstoleranzen entstehende Formabweichungen erfasst. Abschließend müsste man die tatsächliche Gratausprägung bestimmen sowie Bearbeitungsparameter und Bearbeitungsbahn an die individuelle Gratausprägung des Gussteils anpassen können.

Die Idee entsprach durchaus den realen Anforderungen. Gießereien hatten längst Interesse am automatisierten Gussputzen signalisiert, deshalb nahm sich Theilinger dieser Problematik an. Innerhalb von zwei Jahren entstand ein marktreifes Verfahren. Das Projekt fand in Zusammenarbeit mit der Gießerei Silbitz Guss statt – die Eisen- und Stahlgießerei wollte mit einer neuen Lösung die variablen Kosten ihrer Putzerei senken und zugleich die Qualität steigern und kontrollieren.

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Die Gussteile bestimmen den Aufbau

Der Aufbau der Anlage ist abhängig von Form und Gewicht des zu bearbeitenden Gussteils. Soll beispielsweise ein Planetensteg – also ein Bauteil eines Planetengetriebes – mit einem Gewicht von drei Tonnen und einem Durchmesser von zwei Meter bearbeitet werden, besteht die Anlage unter anderem aus einem Sechs-Achs-Roboter, an dem eine Spindel montiert ist. Außerdem gehört ein 3D-Scanner zum Equipment, der die Teile-Form präzise erfasst und Teile erkennt, die Fertigungstoleranzen überschreiten. Mittels Werkzeugwechselsystem kann der Roboter je nach Prozessphase entweder den Scanner im Raum bewegen oder eins der Werkzeuge aus der Werkzeugwechselstation. Zur Anlage gehört weiterhin ein Drehtisch, der vor dem Roboter positioniert ist. Dieser wird so konfiguriert, dass er vom Roboter als siebte Achse – mathematisch mit den restlichen sechs Achsen gekoppelt – angesteuert werden kann. Werden Gussteile bearbeitet, die beispielsweise zehn Meter lang sind, entfällt der Drehtisch, und das Gussteil wird direkt auf den Hallenboden gelegt. Dafür sitzt der Roboter nicht mehr an einer festen Stelle, sondern auf einer Linearachse und verfährt flexibel an die zu bearbeitende Stelle.

Komplexes Entgraten jetzt automatisch

Der Ablauf des zum Patent angemeldeten Entgrat-Verfahrens gliedert sich in mehrere Phasen: Zuerst wird das Gussteil mit einem Kran auf den Drehtisch platziert. Ein ausgerichtetes Platzieren ist nicht nötig, da der Scanner die exakte Position erfasst und die Software diese bei der Bahnberechnung berücksichtigt. Im nächsten Schritt entnimmt der Roboter den Scanner aus der Werkzeugwechselstation und steuert abwechselnd Scanner und Drehtisch an. Aus diesem Prozess resultiert ein dreidimensionales Flächenmodell des zu bearbeitenden Gussteils und der Umgebung, die zum Referenzieren nötig ist. Eine Software errechnet nun die Lage des Bauteils und bestimmt durch einen Vergleich des idealen CAD-Modells und des 3D-Scans die Formabweichung, die das Gussteil bedingt durch Fertigungstoleranzen aufweist. Nun folgt eine Analyse des Grates, und es wird entsprechend seiner Ausprägung eine passende Bearbeitungsstrategie gewählt. Ist die Bearbeitungsbahn ermittelt, wird sie mit einem Post-Prozessor in die entsprechende Robotersprache übersetzt und auf die Robotersteuerung übertragen. Gleichzeitig wird übermittelt, welcher Bahn welche Werkzeuge und Bearbeitungsparameter zugeordnet sind. Nun arbeitet der Roboter das Programm ab und entfernt Grate und Anschnittreste. Die Prozesszeit lässt sich weiter verringern, wenn zwei Roboter im Einsatz sind. Der erste Roboter ist allein für das Scannen zuständig, deshalb darf es ein kleines Modell sein; seine Tragfähigkeit muss lediglich zum Gewicht des 3D-Scanners passen. Die dem Verfahren zugrunde liegende Software TheiCAM lässt sich bei einer Umstellung der Anlage auf neue Gussteile anpassen.

Fast dreimal schneller geputzt

Soll mit der Anlage zum Beispiel ein Planetensteg mit eineinhalb Meter Durchmesser und einem Gewicht von dreieinhalb Tonnen bearbeitet werden, so veranschlagt das Unternehmen Silbitz Guss, das die Entwicklung des Verfahrens mit Gießerei-Fachwissen und Gussteilen unterstützt, etwa 40 Minuten Vorbereitungszeit. Hierin wird das Werkstück auf den Drehtisch gesetzt, das Bauteil gescannt sowie die Roboterbahnen berechnet. Die effektive Putzzeit dauert 45 Minuten, für Kontrolle und Nacharbeit sind 20 Minuten nötig – in Summe also 105 Minuten. Ein Mitarbeiter benötigt beim manuellen Putzen hingegen 285 Minuten. Das roboterbasierte Entgraten senkt die Prozesszeit in der Putzerei in diesem Fall um 63 Prozent. Zum Vorteil der Kosteneinsparung kommt die integrierte Qualitätskontrolle hinzu. pb

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