Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Piezoaktoren machen Industrieroboter zum präzisen Bearbeitungssystem

06.05.2010
Dreidimensionale Ausgleichskinematik mit Piezoaktoren macht`s möglich: Industrieroboter wird zum präzisen Bearbeitungssystem

Zur genauen spanenden Bearbeitung werden normalerweise Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren eingesetzt. Hohe Kosten und die von ihrer Geometrie begrenzten Werkstückgrößen muss man dabei in Kauf nehmen.


Dreidimensionale Ausgleichskinematik für den Fräskopf. Die treibende Kraft sind Piezoaktoren (Foto: Fraunhofer IPA)

Deutlich günstiger und flexibler würde es, wenn man stattdessen mit Industrierobotern arbeiten könnte. Dies scheiterte bisher jedoch an deren Ungenauigkeit. Sie wird verursacht durch die lange serielle kinematische Kette mit nur geringer Steifigkeit. Jetzt gibt es einen anderen Ansatz. Dazu wurden keineswegs Roboter neu entwickelt, sondern serienmäßige Ausführungen mit einer externen Aktorik kombiniert und damit die absolute Genauigkeit erhöht.

Um mit einem Industrieroboter die für die spanende Bearbeitung notwendige Genauigkeit zur erreichen, wurde am Fraunhofer IPA eine separate Ausgleichsaktorik für den Fräskopf (Bild 1) entwickelt. Die an den Roboterfräsanlagen auftretenden Ungenauigkeiten werden online während der Bearbeitung gemessen und direkt dort wo sie auftreten durch die Ausgleichsaktorik in Echtzeit kompensiert (Bild 2). Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand: Das Bauteil wird nicht wie beim Bearbeiten mit CNC-Maschinen fest auf einem Tisch verspannt. Der Roboter greift es stattdessen und führt es während der Bearbeitung durch den Fräskopf. Für Handling und Bearbeitung ist damit nur eine Maschine erforderlich; die Investitionskosten sinken, die Flexibilität steigt und außerdem lässt sich eine solche Roboterlösung gut innerhalb von vollautomatischen Produktionsstraßen einsetzen.

Piezoaktoren und Festkörpergelenke
Die Ausgleichskinematik, die einschließlich der Aktorik und Mechanik am Fraunhofer IPA in Stuttgart entwickelt wurde, basiert auf Piezoaktoren (vgl. Kastentext 1) der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI). Für diese Wahl sprachen gleich mehrere Gründe. Die Piezoaktoren (Bild 3) arbeiten verschleiß- und reibungsfrei sowie ohne Schlupf. Außerdem können sie mit bis zu 10 g beschleunigt werden und eignen sich für die hohen Frequenzen, die beim Kompensieren der Ungenauigkeiten in der Roboterbahn erforderlich sind.

Da Piezoaktoren prinzipbedingt nur mit kleinen Hüben arbeiten, wurden sie vom IPA mit Festkörpergelenken kombiniert. Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen Anwendung Wege bis zu 690 µm realisieren. Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik in allen drei Achsen liegt dabei im Nanometerbereich. Die Festkörpergelenke zur Kraft- und Bewegungsübertragung arbeiten ebenfalls verschleißfrei und wartungsarm. Außerdem sind sie leichter, leiser, steifer, dynamischer und genauer als konventionelle Ausgleichsmechanismen. Piezoaktoren haben damit einmal mehr beweisen, dass sie die technische Weiterentwicklung vorantreiben. Durch die geregelte Roboterlösung erschließen sich der Fräsbearbeitung von Metallen und Kunststoffen neue Möglichkeiten.

Kastentext 1: Der Piezo-Effekt
Bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen „Piezoeffekt“ nach dem griechischen Wort „Piezo“ für „Druck“ oder „Pressen“. Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können. Man bezeichnet dies als den „inversen Piezoeffekt“. Während sich der direkte Piezoeffekt für Sensorikanwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt speziell für die Realisierung von Aktoren an. Piezoaktoren erreichen Stellwege bis zu etwa einem Millimeter bei Auflösungen bis hinunter in den Nanometerbereich bei hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Kilohertz. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch wartungs- und verschleißfrei, und da keine Schmierung notwendig ist, auch für Vakuum geeignet. Sie können große Lasten bewegen und bauen sehr kompakt.
Kastentext 2: Über PI
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich PI mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Nanopositioniertechnik entwickelt. Als privat geführtes Unternehmen mit gesundem Wachstum, über 500 Angestellten weltweit und einer flexiblen, vertikal integrierten Organisation, kann PI fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik und die Piezokeramiken bzw. -aktoren. Letztere werden bei der Tochterfirma PI Ceramic gefertigt. In allen wichtigen Märkten ist PI mit eigenen Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten. Außerdem unterhält das Unternehmen Testausrüstungen für Nanometrologie auf drei Kontinenten. PI Shanghai und USA haben darüber hinaus Entwicklungs- und Fertigungsressourcen, die vor Ort eine schnelle Reaktion auf kundenspezifische Anforderungen ermöglichen.
Kastentext 3: Über Fraunhofer IPA
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) wurde 1959 gegründet und 1971 in die Fraunhofer-Gesellschaft aufgenommen. Innerhalb der aus 57 Instituten bestehenden Forschungsgesellschaft gehört es zu den größten Einzelinstituten und beschäftigt rund 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Organisatorische und technologische Aufgabenstellungen insbesondere aus dem Produktionsbereich von Industrieunternehmen sind die Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte des Fraunhofer IPA). Dadurch soll die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen gestärkt und die Arbeitsplatzsituation verbessert werden.

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI), Arnold Puzik, Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart

und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee
Verwendung honorarfrei, Leseranfragen bitte direkt an Physik Instrumente (PI)
Text (pi1056) und Bilder im Internet: http://pool.rbsonline.de

Sandra Ebler | pool.rbsonline.de
Weitere Informationen:
http://www.pi.ws

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Strömungssonden aus dem 3D-Drucker
25.05.2018 | Technische Universität München

nachricht Nutzfahrzeuge: Neuer Professor entwickelt effizientere und leichtere Bauteile mit 3D-Metall-Drucker
03.05.2018 | Technische Universität Kaiserslautern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics