Institut automatisiert Messungen mit Robotern von Universal Robots Für die Industrie 4.0: IfW Stuttgart forscht mit Cobots

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Auch in Lehr- und Forschungseinrichtungen gewinnen Automatisierungstechnologien zunehmend an Bedeutung. Für das IfW Stuttgart jedenfalls hängt das Zeitalter der Industrie 4.0 eng mit Innovationen aus den Bereichen der Robotik und Messtechnik zusammen. Cobots kombiniert mit einem 3D-Messsensor sorgen dafür, dass die Verschleissmessung nunmehr automatisch und ohne Umspannen des Werkzeugs erfolgen kann.

Was anno 1858 mit der Einführung des Lehrfachs «Mechanische Technologie» an der Poly­technischen Schule begann, zählt heute zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Produktionstechnik in Deutschland – das Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart. Ob Maschinenkonstruktion und -untersuchung, Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung oder Zerspanungstechnologie: Mehr als 30 wissenschaftliche Mitarbeiter forschen hier in den Bereichen Konstruktion und Optimierung von Werkzeugmaschinen, spanende Fertigungstechniken und additive Fertigung.

Qualitätsmerkmal Werkzeugverschleiss

Dazu gehören Untersuchungen des Einsatzes von Werkzeugen bei Zerspanungsprozessen und des damit zusammenhängenden Verschleisses, aber auch der Auswirkungen auf die bearbeiteten Werkstücke. «Die Qualitätsanforderungen an Bauteile nehmen stetig zu», kommt der Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen, Universitätsprofessor Dr. Ing. Hans Christian Möhring, gleich zum Punkt. Einen wesentlichen Einfluss darauf haben Möhring zufolge spanabhebende Prozesse. «Der Werkzeugverschleiss spielt eine entscheidende Rolle, weil er sich einerseits auf die Werkzeugkosten auswirkt, andererseits aber auch einen unmittelbaren Einfluss auf die Oberflächen und Randzoneneigenschaften hat.»

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Um Branchen wie dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Maschinenbau und der Medizintechnik valide Forschungsergebnisse liefern zu können, werden beim IfW Stuttgart Bauteile und Werkzeuge an stationären Messeinheiten vermessen. Dabei geht es in erster Linie darum, den tatsächlichen Werkzeugverschleiss bei Zerspanungsvorgängen exakt nachvollziehen zu können – ein bis vor kurzem aufwändiges Unterfangen: Das Werkzeug musste aus der Maschine ausgespannt, zum Messgerät transportiert und dort eingespannt werden, bevor schliesslich eine Messung erfolgen konnte. Ein Vorgehen, das sehr viel Zeit in Anspruch genommen hatte, erinnert Möhring. Hinzu kam, dass Umspannvorgänge nicht selten zu Ungenauigkeiten bei Messungen geführt hatten.

Verkürzte, vereinfachte und verbesserte Messprozesse

Zustände, aufgrund derer sich das renommierte Forschungsinstitut im vergangenen Jahr auf die Suche nach einem alternativen Prozess gemacht hatte. Seit Sommer 2020 verfügt das IfW Stuttgart nun über ein Cobot-basiertes Messsystem. Es ermöglicht den Forschern in der baden-württembergischen Landeshauptstadt, automatisiert und vor allem direkt in der Maschine zu arbeiten. Darüber hinaus können mit dem Cobot, anders als bisher, auch sehr grosse Bauteile und Werkzeuge vermessen werden. Daniel List-Kaul, Projekt-Manager Customized Solutions beim Implementierungspartner Bruker Alicona, geht ins Detail: «Der vom IfW verwendete CompactCobot besteht aus einem UR10e von Universal Robots, einem hochauflösenden optischen 3D-Messsensor und einem stabilen Unterbau inklusive einer richtlinienkonformen Steuerung», sagt List-Kaul. Das Prinzip: Der Sensor wird in einem ersten Schritt an die gewünschte Messposition geführt. Die in den Griffen integrierten Joy­sticks ermöglichen zusätzlich eine hochpräzise Positionierung. «Ein Ein- und Ausspannen ist jetzt nicht mehr nötig. Vielmehr verkürzt, vereinfacht und verbessert sich nun der gesamte Messprozess signifikant», so List-Kaul weiter. «Das absolut Besondere ist die Präzision des Systems.» Durch die Kombination der stabilen UR-Robotik mit dem Bruker-Alicona-Messsensor und der Fokus-Variation-Messtechnologie lassen sich hochauflösende 3D-Datensätze generieren und ermöglichen dem Anwender Messungen im Mikro- und Nanometerbereich. List-Kaul: «Diese können dann für weiterführende Analysen verwendet werden. Es ist möglich, eine detaillierte Verschleisskurve aufzunehmen. Der Kunde erzielt damit eine Beschleunigung im wirtschaftlichen Prozess.»

Nächster Schritt: Vollautomatisierung

Sarah Eschelbacher, Gruppenleiterin Prozess­überwachung und -regelung beim IfW, fasst ihre Erfahrungen der vergangenen Monate zusammen: «Die Bedienung des Cobots ist sehr intuitiv. Mittlerweile arbeiten viele Kollegen und Studenten damit. Hat man einmal die Messpunkte und den Ablauf einprogrammiert, dann übernimmt der Cobot den Mess­prozess von ganz allein.» Mitarbeiter könnten sich damit voll und ganz auf die Auswertung und Interpretation von Daten konzentrieren. Gründe, weshalb die Forschungseinrichtung der Universität Stuttgart schon die nächsten Schritte für die Zukunft plant: eine Implementierung weiterer Cobot-Systeme sowie die Vollautomatisierung der Mess- und Auswertungsprozesse.

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