Das Entgraten von Verzahnungsbauteilen ist eine komplexe Aufgabe, doch mit der roboterbasierten Lösung RZE des rheinland-pfälzischen Sondermaschinenbauers Klaaßen Technologie GmbH wird es jetzt möglich, diese automatisiert durchzuführen. Neben technisch ausgeklügelten Verfahren und Prozessen sorgen auch die eingesetzten Motoman-Roboter von Yaskawa für Schnelligkeit, reproduzierbare Präzision und einfache Bedienbarkeit.
Verzahnungsteile werden noch häufig von Hand entgratet
Ob Stirn-, Kegel- oder tonnenschwere Planetenräder für Windkraftgetriebe, mit ihren komplexen Geometrien stellen Zahnräder bei der Fertigung hohe Anforderungen. Das gilt in besonderem Maße auch für das Entgraten und Anfasen der Zahn- und Werkstückkanten. Dieser Prozessschritt ist deshalb nur schwierig und aufwändig zu automatisieren, beispielsweise durch CNC-Bearbeitungsmaschinen. Im Umkehrschuss bedeutet das: In den allermeisten Fällen werden Verzahnungsbauteile noch immer von Hand entgratet. Dieses Verfahren ist naturgemäß personal-, zeit- und kostenintensiv sowie mit einer hohen körperlichen Arbeitsplatzbelastung verbunden. Aber nicht nur das: Eine rein händische Bearbeitung ist ein stochastischer Prozess, das heißt die Ergebnisse unterliegen immer einer gewissen Streuung. Werkstückkanten lassen sich somit nicht dauerhaft genau und reproduzierbar definieren. Zudem ist das Werkstück für den Bearbeiter nie von allen Seiten aus gleich gut zugänglich.
Roboter sorgt für gleichbleibende Entgratqualität
Eine wirtschaftliche und effiziente Alternative zum Entgraten per Hand oder CNC-Maschine bietet der Einsatz von Industrierobotern. Mit der RZE (Roboter Zelle Entgraten) hat Klaaßen Technologie 2020 nach dreijähriger Entwicklungszeit eine solche Lösung vorgestellt. Die Anlage kombiniert eine intelligente Software mit einem taktilen Messverfahren und einem Roboter. Zusatzfunktionen wie ein Doppeltischkonzept oder ein automatischer Werkzeugwechsel runden das Anwendungsspektrum ab.
Im Ergebnis gewährleistet die RZE als deterministisches Verfahren eine ausgezeichnete, gleichbleibende Entgratqualität bei kurzen Taktzeiten und damit eine hohe Produktivität. Gleichzeitig bietet die Zelle eine breit gefächerte Variabilität in Bezug auf Werkstückgrößen und -formen. Sowohl festgelegte als auch individuell programmierbare Suchmuster zum Erfassen der jeweiligen Entgratgeometrie sind verfügbar, beispielsweise für Stirnräder, Innen- oder Palloidverzahnungen. Als weitere Besonderheit ist die Zelle dank einer einfachen Variablensteuerung leicht zu bedienen und zu programmieren. Spezielle CAM- oder Teach-In-Prozesse sind nicht notwendig, sodass die Bedienung nur geringe Anforderungen an das ausführende Personal stellt. Die bisher mit der Entgratung betrauten Mitarbeiter können also problemlos auch die neue Zelle bedienen.
Die Intelligenz sitzt in der Steuerung
Die Intelligenz der Zelle sitzt in der grafisch gestützten HMI-Steuerung, wobei diese auf die Robotersteuerung zurückgreift. Der Roboter vermisst zuerst das Bauteil, teacht sich dann selbstständig ein und startet automatisch den Entgrat- oder Polierprozess. Er sucht sich also selbstständig die relevante Kontur und entscheidet auch eigenständig über die Kurvenführung am Werkzeug. Oder wie es Thomas Damm, Geschäftsführer von Klaaßen Technologie, ausdrückt: „Der Roboter schreibt sich selbst sein Programm.“
Was sich so einfach anhört, ist sowohl steuerungs- als auch robotertechnisch alles andere als trivial. Vor diesem Hintergrund entschieden sich die Verantwortlichen von Klaaßen für Motoman-Roboter von Yaskawa. Dafür sprach zunächst einmal die Robotersteuerung Motoman YRC1000, wie Damm erklärt: „Dieser vielseitige und leistungsstarke Steuerungstyp bietet viele Möglichkeiten, die uns bei der Realisierung unseres Konzepts sehr entgegenkommen – insbesondere eine große Anzahl an Variablen, die wir auch fast vollständig ausschöpfen. Gleichzeitig ist die YRC1000 auf eine hohe Bahngenauigkeit und eine schnelle und präzise Beschleunigung des Roboterarms ausgelegt.“ Außerdem ist die Steuerung ausgesprochen kompakt und benötigt deshalb nur wenig Platz innerhalb der Zelle.
Erste Praxisanwendung bei Windkraftkomponenten
Aber auch die Hardware der Roboter hat Damm überzeugt. Neben ihrer Positioniergenauigkeit und der Flexibilität nennt er noch einen weiteren Grund: „Aus meiner langjährigen Erfahrung im Umgang mit Robotern kann ich mit Überzeugung behaupten, dass Motoman-Roboter zu den widerstandsfähigsten und mechanisch verlässlichsten Systemen am Markt zählen. Das ist einfach gute japanische Maschinenbau-Qualität.“
Der Durchmesser der zu entgratenden Zahnräder entscheidet nicht nur über die Abmessungen der Zelle, sondern auch über die Spezifikation des Roboters. Weil die Potenziale der RZE bei großen Werkstücken besonders signifikant sind, wurden in diesem Bereich auch die ersten Praxisanwendungen realisiert. So arbeitet beispielsweise eine RZE 15, ausgelegt für Durchmesser bis 1,5 m, bereits erfolgreich bei einem großen Lohnfertigungsbetrieb für Windkraftkomponenten. Bei solchen Anlagen setzt Klaaßen Technologie einen Handlingroboter Motoman MH50 mit 50 kg Tragkraft ein. Die 6-Achsroboter bieten eine Wiederholgenauigkeit ≤ 0,2 mm und kurze Zykluszeiten. Dank eines neuartigen Vibrationskontrollsystems können die Achsgeschwindigkeit und die Eigensteifigkeit ihrer Getriebe dazu genutzt werden, eine besonders hohe Beschleunigung bei kurzen Bewegungen zu erzielen.
Kleine Entgratzelle arbeitet mit kompaktem Roboter
Aber auch für kleinere Werkstücke bietet die Roboterzelle interessante Perspektiven, wie dieses Beispiel zeigt: Die F.J. Derichs Maschinenbau GmbH & Co. KG in Erkelenz fertigt seit 1967 Zahnräder für sämtliche Industriebereiche vom Messritzel bis hin zu Schwerstantrieben. Dabei nutzt das Traditionsunternehmen als erster Kunde überhaupt eine kleinere Ausführung der RZE. Dort übernimmt ein kompakter Motoman GP8 mit 8 kg Tragkraft das Entgraten. „Dieser Roboter ist der mit Abstand genauste seiner Klasse und damit auch für filigrane Konturen sehr gut geeignet“, begründet Damm diese Entscheidung. Außerdem ist er sehr schnell und komplett in der Schutzklasse IP67 ausgeführt. Und nicht zuletzt ist der GP8 so kompakt, dass die gesamte Zelle nur rund 2 m x 1,4 m Fläche beansprucht. Sein schlankes und kurviges Design ermöglicht es dem Manipulator dabei, tief in Arbeitsbereiche einzutauchen und die glatten Oberflächen erleichtern die Reinigung. Für die Verbindung zwischen Roboter und Steuerung ist nur noch ein Kabel notwendig. Die Vorteile dieser Lösung liegen in einem geringeren Verschleiß und in einem reduzierten Platzbedarf. Auch der Aufwand für Wartung und Ersatzteilhaltung sinkt.
Mit der RZE setzt Klaaßen Technologie neue Standards beim automatisierten Entgraten und Anfasen von Verzahnungsbauteilen. Gegenüber einer manuellen Bearbeitung ist dabei eine Zeitersparnis von bis zu 95 % realisierbar. Gleichzeitig steigen Produktivität und Qualität. Auch eine Entgratung nach Zeichnungsvorgabe ist problemlos möglich. Die Voraussetzung für diese Neuentwicklung schaffen Motoman-Roboter von Yaskawa. Nach ersten erfolgreich realisierten Praxisprojekten hat Geschäftsführer Thomas Damm die nächsten Innovationsschritte schon im Blick. So soll als Nächstes ein 3D-Sensor das Leistungsspektrum der RZE zusätzlich erweitern.
Autor: Frederic Oberle, Yaskawa Europe GmbH – Robotics Division
