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maschine+werkzeug 01/2019

Roboter mit Hand und Fuß

Extra Fertigungslösungen

Simulation – Roboter werden immer dynamischer. Aber auch deren Greifer und Fahrachsen müssen mithalten können. Mit Unterstützung von Inneo entwickelt und baut IPR mit Sitz in Eppingen Peripheriemodule für Roboter.

Robotergreifer wie die von IPR müssen bei geringer Masse sehr hohe Haltekräfte entwickeln. Bild: IPR

Die Firma IPR – kurz für Intelligente Peripherien für Roboter – wurde 1989 von Petra Söhner-Doll gegründet. Im selben Jahr stieg ihr Ehemann Dr. Theo Doll in das Unternehmen ein. 1993 erweiterte Fredy Doll die Führungsebene.
2015 zog sich das Ehepaar Söhner-Doll aus dem operativen Geschäft zurück. Gleichzeitig stieg ein neuer Mehrheitsgesellschafter ein, der das Wachstum vorantreibt. Seit 2017 führen Fredy Doll und Thomas Kollmar das Unternehmen. Das Produktportfolio von IPR umfasst »Hände und Füße für Roboter«, wie Marketing- und Vertriebsleiter Markus Wadulla erklärt.

Greifer und Achse

Am vorderen Ende des Roboters – also als Hand – sind das Greifer und Werkzeugwechsler. Als Füße des Roboters entwickelt und baut IPR Fahrachsen, die es ermöglichen, dass sich der Roboter fortbewegen kann; die Achsen können auf dem Boden, an der Wand oder als Deckenachse angebracht werden. Die längste Fahrachse, die IPR bisher hergestellt hat, ist 72 Meter lang und trägt Roboter, die Rotorblätter von Windkraftanlagen lackieren. Die dritte Produktgruppe sind sogenannte Ausgleichselemente: Elemente zwischen Greifer und Roboter, mit deren Hilfe Positionierungsfehler aufgefangen werden können.
Lassen sich die Anforderungen des Kunden mit den Standardkomponenten nicht abdecken, entwickelt und baut IPR Sonderkonstruktionen. Am Standort Eppingen arbeiten 82 Mitarbeiter, in der Niederlassung in den USA 15. Drei weitere Niederlassungen in Frankreich, Mexiko und China sowie weltweite Vertretungen unterstützen die internationalen Kunden von IPR vor Ort.
Die Aufgabe der Greifer ist, unterschiedlich schwere Teile sicher zu greifen und zu transportieren – das Gewicht reicht von wenigen Gramm bis zu mehreren Hundert Kilo. Die Fahrachsen müssen immer schwereren und dynamischeren Robotern ein sicheres Fundament bieten und gleichzeitig ein genaues Positionieren zulassen. »Die Anforderungen wachsen«, sagt Konstruktionsleiter Marc Engelhart. »Die Roboter können bei gleicher Größe immer schwerere Bauteile handhaben, gleichzeitig werden die Bewegungen dynamischer. Das müssen wir in unseren Produkten abfangen.«

Standardisierte Anbaumodule ermöglichen es, Energie- und Sensorenwerte, Fluide und Druckluft über eine Drehkupplung in den Roboterarm zu übertragen. Bild: IPR

Nachdem IPR viele Jahre mit einem Midrange-CAD-System gearbeitet hatte, wurde 1999 ›Creo‹ eingeführt. Inzwischen nutzt IPR Creo auf 14 Arbeitsplätzen; zwei weitere Lizenzen stehen zur Abdeckung von Spitzenbelastungen zur Verfügung.
Die Arbeit beginnt meist mit einem Standardteil. Fragt ein Kunde einen neuen Greifer an, wird ein passendes Modell aus dem Standardprogramm ausgewählt. Der Konstrukteur lädt die Teilegeometrie, die der Kunde meist im Step-Format liefert, und konstruiert die Greiferbacken. Am anderen Ende der Skala stehen komplette Roboterzellen, in denen ein oder mehrere Roboter Werkstücke von einer Station zur nächsten transportieren. Dann beginnt die Konstruktion mit einem Grundlayout, das nach der Zustimmung des Kunden zum Grobplan detailliert wird.
Roboter werden immer leichter, aber auch immer leistungsfähiger. Konstruktionsleiter Achim Haberkern erklärt: »Das bedeutet, dass die dynamischen Kräfte in Greifern wie in Fahrachsen immer höher werden. Und auch weil die Kunden immer öfter Nachweise verlangen, steigen die Anforderungen an die Berechnung. Früher haben wir damit einen Dienstleister beauftragt, oft dauerte aber allein das Bestellen einer Simulation zwei bis drei Wochen und die Berechnung noch mal so lange. Das ist heute viel zu lang.«

Deshalb suchte die IPR 2017 gemeinsam mit Inneo nach einem geeigneten FEM-System und zog unter anderem die von Creo-Hersteller PTC angebotene Lösung in Betracht, eine Alternative war das von Inneo vertriebene ›Simsolid‹. Dass letztere Lösung schließlich das Rennen machte, liegt nach Aussage Engelharts an der einfachen Bedienung und dem schnellen Aufsetzen von Simulationen. »Simsolid arbeitet ohne Rechengitter, es muss also nicht zunächst einmal die Geometrie vereinfacht und dann das Modell vernetzt werden. Man definiert einfach die gewünschte Geometrie und das System beginnt zu rechnen.« Ein großer Vorteil ist, dass das System nur die betroffenen Bereiche rechnet, wenn man ein geändertes 3D-Modell lädt. So bekommt man bei Iterationen in wenigen Minuten ein aktualisiertes Simulationsergebnis. Das beschleunigt den Konstruktionsprozess massiv.

Schneller rechnen

Ein gutes Beispiel für eine solche Änderungssimulation ist die Festigkeitsberechnung eines Roboterarms auf einer Fahrachse. Dort sind oft Analysen an verschiedenen Positionen des Roboters notwendig. Bei Simsolid berechnet man den Aufbau einmal, verschiebt dann den Roboter auf der Fahrachse und startet eine zweite Berechnung, die dann viel schneller geht. Unter anderem werden auch die Laufwagen der Fahrachsen mit Simsolid ausgelegt.

Simsolid hat eine Eigenschaft, die der Entwicklung der IPR-Produkte entgegenkommt: Konventionelle FEM-Systeme erfordern viel Nacharbeit bei Schweißkonstruktionen, da die Schweißraupe im 3D-Modell praktisch nie modelliert wird. Stattdessen klafft eine Lücke im 3D-Modell, wo die Schweißraupe platziert ist. Das bedeutet, dass der Anwender bei der Vorbereitung der Geometrie für die FEM-Simulation diese Lücken manuell schließen muss. Simsolid erkennt Schweißnähte dagegen selbstständig und berechnet Schweißkonstruktionen ohne weitere Vorarbeiten richtig. Und Schweißkonstruktionen werden laut Engelhart immer wichtiger bei IPR, »weil wir immer stärker aufs Gewicht achten und deshalb schwere, massive Frästeile oft durch eine leichtere, aber ebenso steife Schweißkonstruktion ersetzen.« Das ist natürlich mit Simsolid viel einfacher geworden, weil sich die Festigkeit der Schweißkonstruktionen sehr schnell durchrechnen lässt. Statt sechs Wochen auf eine Analyse zu warten, integriert IPR heute die Simulation direkt in den Konstruktionsprozess.

Haberkern lobt auch die einfache Bedienung: »Wir haben sechs Mann auf Schulung geschickt, die dann die weiteren Mitarbeiter unseres Bereichs in die Software einführten. Die Software bereitet die Ergebnisse gut verständlich auf. Und ist man in einem Bereich einmal unsicher, lässt man diesen engen Bereich mit höherer Genauigkeit nachrechnen.«
Waren früher die Greifer oft zwei- bis dreimal schwerer als das zu greifende Teil, kommt IPR heute immer näher an ein 1:1-Verhältnis. Zudem verlangen die Kunden immer öfter schriftliche Nachweise. Simsolid liefert die Sicherheit, dass der Hersteller die Grenzen nicht überschreitet, und liefert gleichzeitig die benötigten Nachweise. Und das alles in einer Geschwindigkeit, die die Simulation zu einer willkommenen Unterstützung macht.
Mit Inneo hat sich eine enge Zusammenarbeit entwickelt. Achim Haberkern fasst zusammen: »Die Inneo-Betreuer kennen unsere Abläufe genau und können uns immer wieder Tools und Vereinfachungen vorschlagen, die sich schnell bezahlt machen. Wir fühlen uns seit vielen Jahren gut aufgehoben und freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit.«

www.inneo.de

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