Roboter als CNC

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Roboter als CNC

Dr.-Ing. Dieter Scheifele
ISG-Industrielle Steuerungstechnik GmbH
www.isg-stuttgart.de
Wiener Produktionstechnik Kongress 2012
KUKA.CNC – Roboter als Werkzeugmaschine © ISG 2012
KUKA.CNC - Roboter als
Werkzeugmaschine
1. Unterschiede zwischen Roboter und Werkzeugmaschine
aus Sicht der Steuerungstechnik
2. Unterschiede zwischen Roboter- und WerkzeugmaschinenSteuerung aus technologischer Sicht
3. Integration von NC und RC in einer Steuerung
4. Tool Chain für CNC-Roboterlösungen
5. Virtueller Roboter zur Optimierung von Steuerungsalgorithmen
6. Realisierungen, Ergebnisse
7. Praxisrelevante Kriterien für die Roboter-Bahnführung
2
Übliche Anwendungsfelder:
• JARA (Japan Robot Association):
Üblicher Einsatz als „Fixed Sequence Robot“
• VDI-Richtline 2860: universell einsetzbarer
Bewegungsautomat
 Handhabungsaufgaben, Positionieren (z.B. Schweißzangen)
Übliche Auswahlkriterien:
• Traglast, Arbeitsraum, Anzahl Freiheitsgrade,
• Anforderung an Umgebungsbedingungen und Beweglichkeit
Übliche Anwendungsfelder:
• an der Technologie orientierte Spezialmaschine
(Fräs-, Dreh-, Schleifmaschine)
 Werkzeug (und damit Bearbeitung) steht immer im Vordergrund
Übliche Auswahlkriterien:
• Produktivität, Genauigkeit,
wie viele Teile kann ich mit der geforderten Qualität erhalten?
• Teilevarianz, Raumbedarf für Maschine,
Verhältnis Arbeitraum/Maschinenvolumen
Unterschiede Roboter und WZM 1/3
3
Auslegung Antriebstechnik:
• meistens indirekte Positionsmessung
• dynamische Eigenschaften der Roboterkonstruktion werden
durch große Getriebe für die Achsregelung ausgeblendet
• typischerweise für wesentlichen Arbeitsraum überdimensioniert
Auslegung Konstruktion:
• überwiegend sequentielle Achsanordnung
• Konstruktion aus der Mitte des Arbeitsraumes
• dadurch Belastung der Konstruktion durch Biegemomente
Auslegung Antriebstechnik:
• fast immer direkte Positionsmessung
• durch direkte Messung ist dynamisches Verhalten in
den Reglern sichtbar
• für gesamten Arbeitsraum eher gleichdimensioniert
Auslegung Konstruktion:
• Nachteile langer kinematischer Ketten werden durch Aufteilung
auf zweite Kette möglichst vermieden
• Konstruktion um den Arbeitsraumes herum
• dadurch wenig Belastung durch Biegemomente
• aber auch Vielzahl möglicher Kinematiken (Kinematikzoo)
4
Arbeitsraumabhängige Dynamik eines Roboters
5
Motivation für den Einsatz des Roboters zur Bearbeitung:
preiswerte 5/6-Achsmaschine
zur Handhabung in vielen Fällen ohnehin schon benötigt
Standfläche im Verhältnis zum Arbeitsraum klein
hohe Raumbeweglichkeit
Konstruktion eher zum Zeigen (Teachen) geeignet
bei Ausfall schnell austauschbar
•
•
•
•
•
•
Einschränkungen beim Einsatz des Roboters zur Bearbeitung:
• hinsichtlich Bearbeitungsgenauigkeit, Bearbeitungskräfte,
Bearbeitungsvorschübe
• Vorteil kartesischer Werkstückkonstruktion nicht nutzbar
• Kapselung von Lärm, Staub, Wasser aufwändig
• Schmierung aufwändig und jeweils individuell zu lösen
• sichere Maschine i.S.d. Maschinenrichtlinie ist nicht
Liefergegenstand
6
2. Unterschiede typischer Steuerungen aus technologischer Sicht
7
SPS
Kanal 1 ... n
Logik
Dekoder
Werkzeugkorrektur
Bahnplanung
DiskordanzenReduktion
RC/CNC
Motion mit PLCopen
MCFBs
Interpolation
Großer
Look-Ahead
HSC-Slope
Nutzung der
Steuerungsmodule
EKO
Transformation
Transformationsbibliothek
SPS
SAI 1 ... n
EinzelachsInterpolator
Kompensationen
Achsfilter
Überwachungen
gemeinsam
RC-spezifisch
CNC-spezifisch
Antriebs-Schnittstelle
Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Roboter- und CNC-Steuerungen
I/O
8
Hauptaufgabe einer CNC:
CNC: Die CNC-Werkzeugmaschine soll verschiedene Werkstücke
herstellen können. Das „CNC-Programm“
(Anwendungsprogramm) orientiert sich daran, wie die
Werkstückkontur nach dem Bearbeitungsschritt aussehen soll.
Ein „CNC-Programm“ ist stark maschinenunabhängig.
N05 T1
(Werkzeuganwahl)
N10 G41
(WRK-Anwahl)
N20 G01 G90 X5
N30 G01 X10
N40 G02 X17 Y5 I5 J0
N50 G01 X20 Y0
N60 G01 X15 Y-5
N70 G03 X20 Y-10 I2.5 J-2.5
N80 G01 X10
N90 G01 X5 Y0
Gegenüberstellung RC-CNC 1/4
9
Geschw.Anpassung
3D
WerkzeugGeometrieKompensation
Werkzeugspezifische
Spindel-Geschw.und Beschl.-Daten
2D
C-Achs-Nachführen
Konturausblenden
zu Gegenüberstellung RC-CNC 2/4
10
SPS
Kanal 1 ... n
Logik
Dekoder
Werkzeugkorrektur
Bahnplanung
RC/CNC
Motion mit PLCopen
MCFBs
Interpolation
Großer
Look-Ahead
HSC-Slope
Nutzung der
Steuerungsmodule
EKO
Transformation
SPS
SAI 1 ... n
Kompensationen
Achsfilter
Überwachungen
gemeinsam
RC-spezifisch
CNC-spezifisch
I/O
11
Programmierung von RC und CNC:
RC:
Die vorgesehenen Bewegung und Aktionen des Roboters
werden im Rahmen der Erstinbetriebnahme festgelegt.
ca. 10 verschiedene Synchronisationsarten
NC
CNC: Die Anpassung der CNC an Maschine und Peripherie findet über
ein maschinenabhängiges SPS-Programm statt, das dem CNCProgramm normierte Aktionen, wie z.B. „Werkzeugwechsel“
anbietet. Das CNC-Programm wird werkstückorientiert häufig
über die sogenannte CAD/CAM-Kette automatisch und
weitgehend maschinenunabhängig erzeugt.
Kühlwasser ein
Kühlwasser ist ein
SPS
Kühlwasser aus
Kühlwasser ist aus
Gegenüberstellung RC-CNC 3/4
12
SPS
Kanal 1 ... n
Logik
Dekoder
Werkzeugkorrektur
Bahnplanung
RC/CNC
Motion mit PLCopen
MCFBs
Interpolation
Großer
Look-Ahead
HSC-Slope
Nutzung der
Steuerungsmodule
EKO
Transformation
SPS
SAI 1 ... n
Kompensationen
Achsfilter
Überwachungen
gemeinsam
RC-spezifisch
CNC-spezifisch
I/O
13
„Lot size 1 difficulty“
Over 10,000 NC blocks,
Automatically generated from
CAD data
 NC has to automatically correct
supporting points!
CNC functionality: discordance correction
14
Real part of a clients program
4
4
Schlichten_Delcam.nc (s2.nc)
x 10
1.5
1
Bahngeschw.
Ziel-WKS[1]
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
4
Ziel-WKS[0]
CAD/CAM-Sollkontur
x 10
Geschwindigkeitsverlauf
x 10
Stützpunktvorgabe durch
das CAD/CAM-System
mit resultierendem
Geschwindigkeitsverlauf
schlichten_deltcam.nc
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
4
Takte
x 10
15
Neue Berechnung weil neue Sätze
verfügbar
Horizont
Grenzprofil
Bewegungsprofil
T2
T4
T1
Vorschub in [m/s]
T3
T1
T2
T3
T4
Pfad in [m]
Planung über einige hundert Sätze in jedem NC-Zyklus (typ. 1ms) möglich
Planung komplett ruckbegrenzt
zu Gegenüberstellung RC-CNC 4/4: Funktionalität einer CNC
16
Einfluss der Steuerungsalgorithmen auf die Oberflächenqualität
17
18
CAD
Teachen
CAM
Interpreter
RC-Code
Interpreter
NC-Code
WRK
Bewegungsplanung
„Positionieren“
Bewegungsplanung
„Bahnfahren“
Transformation
Bahninterpolation im
statischen Zustandsraum
Kontur-orientiert
Zeit-orientiert
Bahninterpolation im
dynamischen Zustandsraum
Roboter-Transformation, Kompensationen, Filter
Sicherheit
1
2
Roboter-Achsen
3
RC-CNC am Beispiel Kuka.CNC
4
5
6
19
1.
Gleicher Funktionsumfang wie normale CNC HMI
2.
Gleicher „Look and feel“ wie normale CNC HMI
Beispiele für Funktionen der Roboter-CNC HMI
Ziel:
20
 Roboterhandhabung „wie gewohnt“ + CNC-Funktionalität komplett zugänglich
 Keine zusätzliche Hardware nötig
CNC als Betriebsart der Robotersteuerung
21
22
Standard CAM-Tool zur Generierung der Fräsbahnen
CAM-Tool PlugIn zur Planung der Roboterbewegungen
5. Virtueller Roboter zur Optimierung von
Steuerungsalgorithmen
25
virtuos
Ingenieurgerechte Steuerungsentwicklung am virtuellen Roboter (ISG-virtuos)
26
27
KUKA.CNC bei der Schrupp-Bearbeitung von Aluminium mit KR 500 MT und 37 kW-Spindel
Videos sind im YouTube-Kanal "ROBAutomation" der Fa. A² zu sehen
KUKA.CNC bei der 5-Achs-Bearbeitung von Holz mit KR 60 HA und 18 kW Spindel
Videos sind im YouTube-Kanal
"isgstuttgart" zu sehen
KR 500 MT Roboter mit
Lineareinheit und
Armverlängerung
Videos sind im YouTubeKanal
"isgstuttgart" zu sehen
KUKA.CNC bei der Freiformflächen-Bearbeitung von Holz für den Schiffsbau
Die Lineareinheit kann in
der Robotertransformation
mitgerechnet werden
Videos sind im YouTube-Kanal
"isgstuttgart" und
"unicamRobotmaster" zu sehen
KUKA.CNC bei der Freiformflächen-Bearbeitung von Kunststoff mit KR 60 HA
Programmierung der CNC
mit dem CAM-Tool
Mastercam/Robotmaster
Beispiel
• Fräsen
• Bohren
• Reinigen
• Kontrolle
> 10
Jahre
• Handling
a
www. -quadrat.eu
Angaben der Fa. A2 zur Genauigkeit
32
•
Gewindeschneiden
Probefräsung mit KUKA Quantec KR300 R2500
Die Werkstücke liegen im Abstand von 1600mm bis 2150mm von
der Grundachse des Roboters entfernt. Die Genauigkeiten
beziehen sich jeweils auf die Erstellung einer Bohrung, also ohne
Zerspankraft quer zur Werkzeugrichtung.
300kg Tragkraft, Armlänge 2500mm
Kein(!) Typ HA (high accuracy)
Bearbeitung von oben
Konkretes Messergebnis
Abweichungen von programmierter Position jeweils als Mittelwert von 8 Messergebnissen:
(4 Bohrungen jeweils in X- und Y-Richtung)
Abweichung bei kurze Entfernung:
0,08mm
Abweichung bei mittlerer Entfernung:
0,16mm
Abweichung bei großer Entfernung:
1,08mm
Durchschnitt:
0,44mm
33
Detailansicht aus Frästest
34
0.6 mm  relative Genauigkeit < 0,06 mm
Kompensation statischer Fehler
35
36
Kriterien für die Roboterbahnführung mit dem Ziel: Vermeidung von
Anregung der Eigenfrequenzen in den Achs-Sollwerten, dabei kürzeste
Bearbeitungszeit und höchste Konturtreue:
Qualität der Diskordanzenreduktion;
Qualität der Bewegungsgrenzprofilberechnung;
Größe des Vorausbetrachtungsbereiches der Konturbeschreibung;
Mathematischer Grad des Bewegungsprofilrechners (s,v,a,r,…);
Berücksichtigung der tatsächlichen Roboterkinematik;
Berücksichtigung der Roboterdynamik (statisch/ zustandsabhängig);
Fähigkeit zur Erzeugung eines konstanten Bearbeitungsvorschubes;
Richtungs-(UN)Abhängigkeit der Bahnplanung (AB = BA);
Auflösung (Format) der Rechengrößen.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Weitere Qualitätskriterien
• Qualität der Transformation
• Qualität der Kompensationen
• Quantisierungsrauschen der Sollwerte
Qualitätskriterien einer Steuerung für Robobter-Fräsbearbeitung
37
Einsatz des Roboters als Werkzeugmaschine
Fazit
• CNC-Steuerung alleine ersetzt nicht Robotersteuerung;
• überraschend gute Bearbeitungsqualität bei Fräsen/Bohren in
Stahlguss, Aluminium, Kunststoff und Holz;
• Nutzung der klassischen CAD-CAM-Kette sofort verfügbar;
• Bearbeitungsqualität muss nicht mühsam „eingeübt“ werden, sondern
wird nahezu unmittelbar erreicht; damit wird „Stückzahl-1-Anforderung“
schon gut erfüllt;
• sehr interessantes Verhältnis von Arbeitsraum und Preis.
38

Roboter als CNC

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