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Zerspanung mit Robotik: Fräsen von Batterie-Gehäusen

Für manche Oberflächen und Toleranzen ist ein BAZ überdimensioniert
Zerspanung mit Robotik: Drei Roboter fräsen Batterie-Gehäuse

Zerspanung mit Robotik: Drei Roboter fräsen Batterie-Gehäuse
In der Zerspanungszelle sind drei Industrieroboter zur Bearbeitung von Batterie-Gehäusewannen für E-Fahrzeuge im Einsatz. Ihre Aufgabe: Fräsen der Trennflächen mit anschließendem Bürstentgraten. Bild: KADIA
Wie Roboter bei der Zerspanung neben dem Entgraten auch das Fräsen, Bohren oder Gewindeschneiden übernehmen können, zeigt ein Blick in die Praxis bei Kadia.

Seit vielen Jahren konzipiert Kadia auf der Basis von 6-Achs-Industrierobotern Entgrat-Roboter-Zellen. Das Nürtinger Unternehmen verfolgt dabei zwei Konzepte:

  • Entweder der Roboter greift sich das Werkstück und bewegt es an fest stehende Werkzeuge
  • oder der Roboter führt selbst die Werkzeuge, etwa Fräser. Das ist der anspruchsvollere Fall.

Ein Beispiel ist das Entgraten von großen Zahnrädern – genauer gesagt die Kantengestaltung. Die Zahnräder erhalten bis zu 5 mm große Fasen. Als Werkzeug kommt dafür ein VHM-Schaftfräser zum Einsatz. Die Programmierung ist komplex, da die Fräser der Evolventenkontur der Zahnflanken folgen.

Eine Weiterentwicklung sind Entgrat-Automations-Zellen, in denen der Roboter neben dem Entgraten auch Handlingaufgaben am Bearbeitungszentrum übernimmt. Er legt die Bauteile auf, entnimmt sie wieder und ist bei Bedarf auch Schnittstelle für benachbarte Anlagenteile wie Qualitäts- oder Waschstationen. Das Entgraten ist also nur eine von mehreren Aufgaben.

Bearbeitung mit Robotern

Darüber hinaus entwickelt Kadia noch eine dritte Kategorie: Bearbeitungs-Roboter-Zellen. „Denn immer mehr Kunden fragen nach, ob es mit dem Roboter beispielsweise auch möglich sei, ein Gewinde oder eine Planfläche anzubringen“, erklärt Jannik Weiss, Vertrieb Entgratmaschinen bei Kadia. Wenn der Entgratroboter, der die Prozesskette häufig nach der mechanischen Bearbeitung fortsetzt, den anderen Bearbeitungsmaschinen Arbeit abnehmen kann, lässt sich unter Umständen viel Zeit sparen.

„Wir positionieren uns dadurch ein Stück weit neu“, erklärt Henning Klein, Geschäftsführer bei Kadia. „Da wir mit unseren Entgrat-Roboter-Zellen über viele Jahre hinweg Know-how gesammelt haben, ist der Schritt zur robotergestützten mechanischen Bearbeitung nicht mehr groß.“

Grundsätzlich eignet sich ein 6-Achs-Industrieroboter für unterschiedliche Zerspanungstechnologien: Bohren, Fräsen und Gewindeschneiden. Vorteil des Roboters: Im Vergleich zu einem BAZ ist er eine flexible und kostengünstige Bearbeitungslösung. Allerdings ist der Roboter durch seine vergleichsweise geringere Steifigkeit in Sachen Genauigkeit limitiert. Daher ist der Robotereinsatz meist auf Anwendungen mit großen Toleranzen und geringen Spantiefen beschränkt.

Fräsen von Batterie-Gehäusen

Eine Anwendung, für die sich ein Roboter bestens eignet, ist die Bearbeitung der Trennflächen an Aluminium-Gehäusewannen für die Aufnahme von Fahrzeug-Batterien. Diese Gehäuse aus Strangpressprofilen mit Crashschutzstrukturen sind quasi die Nachfolger der Treibstofftanks. Die benötigten Stückzahlen steigen rasant an. Aufgrund der geforderten Oberflächenanforderungen und Toleranzen wäre ein BAZ überdimensioniert. Ein Roboter hingegen genügt den Anforderungen an die Maßhaltigkeit und spielt dabei seine Kostenvorteile sowie seine Flexibilität voll aus.

Kadia entwickelte daher für einen Automobilhersteller ein entsprechendes Bearbeitungskonzept. Die Aufgabe im Detail: Fräsen der Trennflächen mit anschließendem Bürstentgraten, sodass die Rahmen später mit einem Deckel aus Stahl verschraubt und abgedichtet werden können.

Zum Einsatz kommt eine Zelle mit drei Robotern: Um die Taktzeit einzuhalten, sind auf einer Werkstückseite zwei Roboter notwendig, da hier der Bearbeitungsumfang größer ist. Auf der anderen Seite ist einer ausreichend. Die Roboter-Zelle benötigt weniger als 80 s für die Komplettbearbeitung, d.h. Fräsen inklusive Bürstentgraten. Und für den Fall, dass eine künftige Werkstückvariante mit weiteren Details zu bearbeiten wäre, bietet die Zelle noch Platz für einen vierten Roboter.

Versuche, die im Vorfeld mit Fräswerkzeugen durchgeführt wurden, zeigten, dass die Minimierung von Schwingungen das große Thema bei der Festlegung fast aller Bearbeitungsparameter in der Roboterzerspanung ist. Die Schneidengeometrie, Makro- und -Mikrogeometrie, sind z.B. wichtige Stellschrauben, da sie die Schnittkräfte maßgebend beeinflussen. Unter anderem ist die Spantiefe ein zentrales Kriterium, die Anwendungstechniker begrenzten diese auf 2 mm um die Schwingungen zu reduzieren. Daneben optimierten sie die Schnittgeschwindigkeiten und Zahnvorschübe, so dass Rattermarken vermieden werden.

Die Kühlung der Schneiden erfolgt bei der Bearbeitung mittels Minimalmengenschmierung. Für die Realisierung der Schnittdaten sind auf dem Roboterarm montierte, programmierbare Spindeleinheiten verantwortlich. Sie bilden eine 7. Achse. Die so beschriebene Lösung erreicht Rz = 10 µm / Ra = 2 µm für die Oberflächen. Die vom Anwender geforderten Werte werden also um den Faktor 2 unterschritten.

Einfache Bedienung

Eine Zelle mit drei Robotern ist auf den ersten Blick eine komplexe Anlage. Ihre Bedienung ist aber einfacher als gedacht. Kadia konzipiert die Zellen so, dass der Bediener weder CNC-Programmierer noch Roboterspezialist sein muss. Weiss: „Jeder Metallfacharbeiter, der eine technische Zeichnung versteht, ist in der Lage, unsere Roboterzellen zu bedienen.“

Für jedes Bearbeitungsdetail wird nur ein Masterpunkt definiert. Dieser ist leicht zu korrigieren. Die Anfahrtswege und Übergangsbewegungen zum nächsten Merkmal sind vorgegeben. Jedes prozessrelevante Maß am Werkstück kann im Klartext aus der Zeichnung abgelesen werden.“ Daraus folgt: Sollte ein Werkstück außerhalb der Toleranz liegen, kann der Bediener die entsprechenden Werkstück- und Werkzeugkoordinaten schnell und einfach selbstständig korrigieren.

Kadia Produktion GmbH + Co.

www.kadia.de

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