Im ersten Teil unseres Schleif-Blogs zeigten wir die Vorteile des automatisierten Schleifens auf und beschrieben den generellen Aufbau bei einem Schleifroboter. Jetzt wollen wir das Thema der Schleifbahnen genauer erklären.


Die Generierung der Fahrpunkte eines Roboters kann prinzipiell auf zwei Arten gemacht werden:

  • Teach-In Verfahren
  • Offline Technik

Beim Teach-In Verfahren wird der Roboter manuell an jeden Bahnpunkt bewegt und die Positionen werden gespeichert. Dieses Vorgehen ist aber nur für ganz einfache Oberflächen mit wenigen Fahrpunkten sinnvoll. Bei komplexeren Bearbeitungen ist die Methode viel zu aufwändig und ungenau. Insbesondere beim Schleifen ist eine wesentliche Voraussetzung für eine glatte Oberfläche, dass die Roboterbewegungen möglichst gleichmässig sind und dies kann nur softwaretechnisch erreicht werden. Deshalb ist eine geeignete Aufbereitungssoftware ein Kernpunkt für die erfolgreiche Automatisierung des Schleifprozesses.

Offline hingegen bedeutet, dass die Bahnpunkte des Roboters basierend auf das 3D-CAD-Modell des Bauteils am Computer berechnet werden und daraus mittels eines Postprozessors ein lauffähiges Roboterprogramm erstellt wird. Die Voraussetzung dafür ist logischerweise ein genaues CAD-Modell der zu bearbeitenden Flächen, was aber heutzutage meistens kein grösseres Problem darstellt. Die Schwierigkeit bei dieser Methode liegt im Unterschied zwischen der idealen Welt des CAD und der realen Welt des Roboters, welche manchmal erheblich voneinander abweichen können.

Dies ist eine unserer Kernkompetenzen, mehr Informationen dazu finden Sie auf der Seite Offline Roboterprogrammierung.


Das Schleifen ist im Regelfall eine Flächenbearbeitung. Das heisst, die Bewegung ist nicht einfach entlang einer Linie im Raum (wie zum Beispiel beim Verbundschweissen), sondern auf einer möglicherweise unregelmässig geformten Fläche, welche möglichst gleichmässig bearbeitet werden soll. Dazu muss die Fläche in geeignete Linien aufgelöst werden und sobald die Fläche nicht rechteckig ist, ergeben sich die ersten Herausforderungen an die Programmierung. Während rechteckige Bereiche relativ einfach zu handhaben sind, wird es bei trapezförmigen etwas schwieriger, vor allem wenn ein konstanter Abtrag erreicht werden soll. Bei freien Formen wird das Finden der optimalen Bahnen anspruchsvoll.

Einfach / Knifflig / Komplex

 

Die Wahl der Bahnen, der Schleifrichtung und der Bahnabstände sind stark vom Schleifmittel und vom Werkstück abhängig. Daher ist die allgemeinste Variante, die zu bearbeitenden Flächen des Bauteils in geeignete Freiformflächen (sogenannte NURBS) aufzulösen und die Berechnung der Fahrpunkte darauf zu machen. Solche Teilflächen nennen wir Patches. Mit dieser Technik kann eine komplizierte Oberfläche in einfachere Teilbereiche heruntergebrochen werden, welche dann mit einer ähnlichen Strategie bearbeitet werden können.

Kleiner Exkurs: Bei allen komplexen Problemen im Ingenieursbereich lohnt es sich, das Ganze in kleinere und überschaubarere Problemstellungen aufzuteilen. Danach löst man diese möglichst allgemein und setzt dann die einzelnen Bausteine wieder zusammen. Genau dies erreichen wir mit dem oben beschriebenen Ansatz.

Der Vorteil beim Schleifen im Gegensatz zu anderen robotergestützen Fertigungsverfahren – wie zum Beispiel dem Beschichten – ist, dass man die Übergänge an den Patchgrenzen relativ gut in den Griff bekommen kann. Das heisst, es ist kein Nachteil, mehrere kleinere Patches zu haben. Zudem kann es durchaus interessant sein, den gleichen Patch in unterschiedlichen Richtungen zu schleifen, um eine optimale Oberflächenstruktur zu erreichen.

Komplexe Freiformfläche, aufgeteilt in Patches

 

Es zeigt sich also, dass nur schon die Wahl der Schleifbahnen (beziehungsweise der Fahrpunkte des Roboters) für jedes Werkstück individuell und abhängig von den Rahmenbedingungen erfolgen muss. Dabei ist dies noch der einfachere Teil der Arbeitsvorbereitung, denn Punkte alleine genügen dem Roboter noch nicht. Man muss ihm auch in jedem Punkt die Richtung des Werkzeugs (Tool) vorgeben, damit die Bewegung komplett ist. Und jetzt wird’s spannend…

Für die Bestimmung der Toolrichtung gibt es mehrere Freiheitsgrade, welche man sinnvoll wählen muss. Ausgehend vom Schleifpunkt, also dem Ort, wo die Schleifscheibe das Werkstück berührt, kann der Elongationswinkel (Winkel der Schleifscheibe zur Oberfläche) und der Azimutwinkel (Winkel des Tools zur Schleifrichtung) gewählt werden. Dazu hat man noch die Freiheit, die Halterstange um die Drehachse der Schleifscheibe zu drehen (Halterwinkel). Mit der Geometrie des Schleifwerkzeugs und diesen drei Winkeln kann dann ausgehend vom Schleifpunkt die komplette Roboterposition inklusive Orientierung festgelegt werden.

Die Winkel der Toolrichtung.

 

In der Ebene kann man nun relativ einfach die drei Winkel bestimmen und die Bahn fahren. Wenn allerdings eine konkave Kante bearbeitet werden muss, ergeben sich bereits höhere Anforderungen an den Schleifpunkt, was die Anzahl der Freiheitsgrade einschränkt. Und falls eine Tasche oder Ähnliches geschliffen werden soll, muss auch eine Kollisionsbetrachtung gemacht werden. Zudem ist es durchaus möglich, dass die Erreichbarkeit der zu bearbeitenden Flächen eingeschränkt ist, was in der Bahngenerierung natürlich berücksichtigt werden muss.

Bearbeitung in der Ebene / von Kanten / von Taschen.

 

Als wären diese Herausforderungen nicht gross genug, soll die Änderung der Orientierung in den einzelnen Punkten einer Bahn nicht zu stark variieren, damit die Roboterbewegung möglichst gleichmässig wird und ein sauberes Schleifbild entsteht.


Es zeigt sich also, dass es für die Bahngenerierung eine intelligente Software braucht, die den Programmierer mit den richtigen Algorithmen und Eingabemöglichkeiten unterstützt. So können auch für geometrisch schwierige Oberflächen die geeigneten Roboterpositionen gefunden werden. Wir von SoftART verfügen über eine leistungsfähige Geometrie-Bibliothek, welche es uns erlaubt, solche geometrischen Problemstellungen effizient zu lösen.

Weitere Informationen zu unseren Kompetenzbereichen Fabrikationsprozess-Automatisierung und Offline Roboterprogrammierung, sowie weiteren Projekten finden Sie auf unserer Homepage.