EFB-Forschungsbericht Nr. 579

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Roboter gestützter Werkzeugbau für modellgetreue Oberflächen

efb-579

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, M. Sc. Peter Sticht, M. Sc. Philipp Gehringer, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt - Prof. Dr.-Ing. Matthias Weigold, M. Sc. Stephan Bay, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen, Technische Universität Darmstadt

178 Seiten - 105,00 EUR (sw, 134 teils farbige Abb., 27 Tab.)
ISBN 978-3-86776-637-1


Zusammenfassung

Im Projekt „Robotergestützter Werkzeugbau für modellgetreue Oberflächen", kurz Ro-boWeB, sollte der Einsatz von Industrierobotik im Bereich des Werkzeugbaus für eine automatisierte Prozesskette untersucht werden. Es wurden dafür für Demonstratorgeometrien Matrize, Stempel und Niederhalter von Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses konventionell gefertigt und mit dem neuartigen Ansatz der Komplettbearbeitung durch einen Industrieroboter verglichen.

Hierbei wurden sowohl die spanende Bearbeitung als auch das maschinelle Oberflächenhämmern mit dem Industrieroboter durchgeführt. Die Validierung der unterschiedlichen Fertigungsarten an einem Umformwerkzeug fand auf einer Servopresse statt.
Zunächst zeigten Vorversuche an geometrisch einfachen Probekörpern den Einfluss verschiedener Strategien zur Fräsbearbeitung und zum maschinellen Oberflächenhämmern mit Industrierobotern auf.

Diese Ergebnisse ermöglichten ein tiefergehendes Verständnis der robotergestützten Fräs- und Hämmerprozesse und dessen Abhängigkeiten. Damit abgeleitete Verbesserungen der Bahnplanungen führten zu einer geringeren Formabweichung und eröffnen damit die Perspektive zur Erfüllung von aktuellen Anforderungen an einen modernen Werkzeugbau. Simulationen legten den Kontaktzustand zwischen Werkzeug und Werkstück offen.

Dieser konnte anhand von Tuschierversuchen validiert werden. In Simulationen und Versuchen erkannte Zusammenhänge lassen sich in den automatisierten Tryout zurückführen. Die gewonnenen Erkenntnisse zur roboterbasierten Fertigung dienten bei der Fertigung der Werkzeuge für den Demonstrator der Identifikation der Parameter für ein bestmögliches Bearbeitungsergebnis.

Abschließend wurden die mit unterschiedlichen Fertigungsarten erzeugten Demonstratorwerkzeuge in Realversuchen getestet und untereinander verglichen. Die Ergebnisse hieraus zeigen ein vielversprechendes Anwendungspotenzial automatisierter Prozessrouten im Werkzeugbau durch eine schnellere und reproduzierbare Fertigung bei vergleichbaren Werkzeugeigenschaften.


Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Roboter gestützter Werkzeugbau für modellgetreue Oberflächen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20520N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 579 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.


Summary

In the project "Robot-supported toolmaking for surfaces true to the model", RoboWeB for short, the use of industrial robotics in the field of toolmaking for an automated process chain was to be investigated. For this purpose, members of the project committee produced dies, punches and blank holders conventionally for demonstrator geometries and compared them with the novel approach of complete machining by an industrial robot. Here, both machining and mechanical surface hammering were carried out using the industrial robot. The validation of the different manufacturing methods on a forming die took place on a servo press.

First, preliminary tests on geometrically simple test specimens showed the influence of different strategies for milling and machine surface hammering with industrial robots. These results enabled a deeper understanding of the robot-assisted milling and hammer-ing processes and its dependencies. Improvements in path planning derived from this led to reduced mold deviation and thus opened up the prospect of meeting current requirements for modern mold making.

Simulations revealed the contact condition between tool and workpiece. This could be validated by spotting tests. Relationships identified in simulations and tests can be fed back into the automated tryout. The knowledge gained about robot-based manufacturing was used to identify the parameters for the best possible machining result when manufacturing the tools for the demonstrator.

Finally, the demonstrator tools produced with different manufacturing methods were tested in real trials and compared with each other. The results from this show a promising application potential of automated process routes in toolmaking through faster and reproducible manufacturing with comparable tool properties.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1. Einleitung
2. Stand der Technik
2.1. Einarbeitung von Presswerkzeugen
2.2. Robotereinsatz zum spanenden Bearbeiten und maschinellen Oberflächenhämmern
2.3. Zerspanung mit Industrierobotern
2.4. Maschinelles Oberflächenhämmern
2.5. Numerische Simulation
2.5.1. Allgemeine Grundlagen
2.5.2. FEM in der Blechumformung
2.6. Tiefziehen und Tiefziehwerkzeug
2.6.1. Prinzip des Tiefziehens
2.6.2. Spannungszustand
3. Forschungsziel des Projekts
3.1. Übersicht der Bearbeitungsschritte
3.2. Arbeitspaket 1 - Charakterisierung und Modalanalyse
3.3. Arbeitspaket 2 - Fertigungsvorbereitung
3.4. Arbeitspaket 3 - Optimierung Zerspanung und Fertigungsvorbereitung
3.5. Arbeitspaket 4 - Automatisierter Tryout
3.6. Arbeitspaket 5 - Untersuchung Werkzeugverhalten
3.7. Arbeitspaket 6 - Ergebnisübertragung
3.8. Arbeitsdiagramm
4. Werkstoffe
4.1. Werkzeugwerkstoff
4.2. Darstellung der Probegeometrien
4.3. Blechwerkstoff für Umformversuche
5. Versuchsanlagen und Werkzeuge
5.1. Industrieroboter
5.1.1. KUKA KR 300 R2500 ultra
5.1.2. Kenngrößen
5.1.3. Koordinatensysteme
5.1.4. Roboteranstellung
5.2. Presse
6. Umfrage zur Oberflächenbehandlung von Werkzeugen in der Blechumformung
7. Modalanalyse Robotersystem
7.1. Eigenfrequenzen bei Änderung der X-Position
7.2. Eigenfrequenzen bei Änderung der Y-Position
7.3. Eigenfrequenzen bei Änderung des Anstellwinkels
7.4. Eigenformen
7.5. Fazit
8. Werkzeugkonstruktion/Simulation
8.1. Konstruktion des Umformwerkzeugs
8.1.1. Anforderungsliste
8.1.2. Gesamtwerkzeug
8.1.3. Konstruktion der am Umformprozess beteiligten Komponenten
8.2. Simulation der Blechumformung
8.2.1. Probegeometrien
8.2.2. Umformwerkzeug
9. Prozessoptimierung Industrieroboter
9.1. Arbeitsraumuntersuchung
9.2. Abhängigkeit von der Bearbeitungsrichtung
9.3. Bestimmung der Querzustellung
10. Bahnplanung und Analyse Hämmern
11. Bahnplanung und Analyse Fräsen
11.1. Ergebnisse der Probegeometrie Eben
11.2. Ergebnisse der Probegeometrie Rundung
11.2.1. Stempel
11.2.2. Matrize
11.3. Ergebnisse der Probegeometrie Kugel
11.3.1. Stempel
11.3.2. Matrize
11.4. Bewertung der Ergebnisse
12. Tuschieren und Datenabgleich
13. Digitalisierung und Rückführung der Bearbeitungsdaten
13.1. Mehrstufige Fräsbearbeitung
13.2. Kompensationsstrategie
13.3. Bahnplanungsanalyse
13.3.1. Probekörper
13.3.2. Fräsparameter
13.3.3. Kombination radialer und paralleler Schnitte
13.3.4. Parallele Schnitte zur Vermeidung von Achsumkehr
13.3.5. Dynamische Werkzeuganstellung
13.3.6. Gegenlauffräsen im Vergleich zum Gleichlauffräsen
14. Bearbeitung eines Realwerkzeugs
14.1. Prozessvorbereitung
14.1.1. Halbzeuge
14.1.2. Werkzeugauswahl
14.1.3. Fräsparameter
14.1.4. Frässtrategie der Schruppbearbeitung
14.1.5. Frässtrategie der Schlicht- und Hämmerprozesse
14.2. Ausführung
14.2.1. Niederhalter
14.2.2. Matrize
14.2.3. Stempel
14.3. Auswertung
14.3.1. Niederhalter
14.3.2. Matrize
14.3.3. Stempel
15. Einsatz der Werkzeuge
15.1. Versuchsaufbau
15.2. Prozesskräfte
15.3. Oberflächeneigenschaften
15.4. Umformergebnisse
15.5. Vergleich der Bearbeitungsstrategien
16. Abgeleitete Handlungsempfehlungen
16.1. Zerspanen mit Industrierobotern
16.2. Maschinelles Oberflächenhämmern mit Industrierobotern
17. Ergebnisse und Ausblick
17.1. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
17.2. Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
18. Literaturverzeichnis
19. Anhang

 


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