Die Rolle der Präzisions-CNC-Bearbeitung bei der Weiterentwicklung von Robotiklösungen

Jedes bewegliche Teil in einem Roboter erfüllt eine einfache Anforderung: dieselbe Bewegung tausende Male mit derselben Genauigkeit fehlerfrei auszuführen. Diese Anforderung ist hinfällig, sobald ein Gelenk, ein Zahnrad oder ein Sensorgehäuse seine Toleranz im Mikrometerbereich überschreitet. Präzise CNC-Bearbeitung verhindert genau das.

Von der Bearbeitung komplexer Konturen an Roboterarmen bis hin zur Drehung von Submillimeterwellen für Getriebesysteme – die CNC-Bearbeitung bietet Robotikingenieuren eine Maßgenauigkeit und Materialflexibilität, die kein anderes Fertigungsverfahren in dieser Größenordnung erreicht. Sie bildet die Brücke zwischen einem CAD-Modell und einem funktionsfähigen Roboter, der sich mit wiederholgenauer Präzision bewegt, greift und reagiert.

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von Robotern in industriellen, Dienstleistungs- und KI-gestützten Anwendungen haben sich die Anforderungen an die CNC-Bearbeitung von „genau genug“ zu „genau auf 0,005 mm, über mehrere Achsen, in gehärteten Legierungen“ verschoben.

Folgendes werden wir behandeln:

●   Wie die Präzisions-CNC-Bearbeitung die Struktur- und Funktionsteile formt, auf die sich Roboter verlassen

●   Welche spezifischen Roboterkomponenten sind von CNC-Toleranzen abhängig?

●   Wie mehrachsige CNC-Maschinen komplexe Bauteilgeometrien bewältigen

●   Wo die CNC-Bearbeitung bei verschiedenen Robotertypen zum Einsatz kommt

●   Was unterscheidet herkömmliche CNC-Bearbeitung von der Leistung von Robotern?

Wenn Sie Metallteile für Robotersysteme beschaffen, beginnt der Unterschied zwischen einem funktionierenden und einem zuverlässig funktionierenden Roboter genau hier.

Herstellung eines Roboterskeletts mit CNC-Bearbeitung

Der Körper eines Roboters besteht aus einer Vielzahl von Metallteilen, die auch unter Druck, hoher Geschwindigkeit und wiederholter Nutzung reibungslos zusammenarbeiten müssen. Und erst die präzise CNC-Bearbeitung verwandelt einen Rohmetallstab in diese Teile mit der für Roboter erforderlichen Genauigkeit.

Hier die Bedeutung dessen in einfachen Worten:

●   Das Rückgrat eines Roboters bilden seine Strukturbauteile. Rahmen, Grundplatten und Armglieder fangen die gesamte mechanische Belastung des Robotersystems auf. Kann eine CNC-Maschine diese Flächen nicht waagerecht und präzise ausrichten, verliert der Roboter mit der Zeit die Orientierung und entwickelt Spiel in seinen Bewegungen.

●   Die beweglichen Teile werden von Funktionsbauteilen gesteuert. Zahnräder, Wellen, Kupplungen und Gelenkgehäuse müssen sich mit minimaler Reibung drehen, gleiten oder verriegeln lassen, damit der Roboter reibungslos läuft. CNC-Dreh- und Fräsbearbeitungen verleihen diesen Teilen die nötige Oberflächenglätte und Präzision für die wiederholte Ausführung der Aufgaben.

●   Die Integrationskomponenten verbinden alle Systeme und sorgen für einen reibungslosen Ablauf. Sensorhalterungen, Encoder-Bügel und Steckergehäuse müssen exakt mit der Elektronik ausgerichtet sein. Schon kleinste Positionsfehler verfälschen die Sensormesswerte und bringen den Regelkreis des Roboters zum Erliegen.

Strukturelle vs. funktionale CNC-Teile

Allen drei Kategorien ist gemeinsam, dass die Fertigung von Roboterkomponenten praktisch keinen Spielraum für Abweichungen lässt. Selbst ein Bauteil, das mit einem Messschieber als „ausreichend genau“ gemessen wird, kann nach einigen hundert Zyklen dazu führen, dass ein Roboter seine Positionsgenauigkeit verliert.

Profi-Tipp: Achten Sie bei der Prüfung von CNC-Teilezeichnungen für Roboterbaugruppen besonders auf die GD&T-Angaben zu Lage und Rundlauf. Diese beiden Toleranzen haben den größten Einfluss auf die Funktion eines Teils in einem beweglichen System.

Mehrachsige CNC-Bearbeitung verleiht Robotern ihre komplexe Geometrie

Roboterbauteile weisen selten einfache Formen auf. Ein Gelenkgehäuse benötigt beispielsweise konturierte Innenkanäle, abgewinkelte Montageflächen und Gewinde, die alle in einem einzigen Werkstück gefertigt werden. Herkömmliche 3-Achs-CNC-Maschinen können einige dieser Anforderungen erfüllen, erfordern jedoch ein mehrmaliges Umpositionieren des Werkstücks, wodurch jede Umpositionierung einen kleinen Fehler mit sich bringt.

Hier kommen 5- und 6-Achs-CNC-Maschinen ins Spiel, die die Situation grundlegend verändern.

Warum die Achsenanzahl für die Robotik wichtig ist

Eine 5-Achs-Maschine kann das Werkstück in einer einzigen Aufspannung aus nahezu jedem Winkel bearbeiten. Das bedeutet:

●   Weniger Aufspannungen, weniger Fehler. Durch die Bearbeitung eines Roboterarmglieds oder eines Getriebegehäuses in einer einzigen Aufspannung werden die Toleranzfehler vermieden, die durch das Wenden und erneute Einspannen des Werkstücks entstehen. Für die Präzisions-CNC-Bearbeitung im Bereich von ±0,005 mm ist dies unerlässlich.

●   Hinterschneidungen und Innenstrukturen werden möglich. Viele Roboterbauteile benötigen vertiefte Kanäle, abgewinkelte Taschen oder gekrümmte Innenwände, die eine 3-Achs-Spindel nicht erreichen kann. Mehrachsige Bewegungen ermöglichen die Bearbeitung dieser Strukturen ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte wie EDM oder manuelle Nachbearbeitung.

●   Bessere Oberflächenkontinuität bei konturierten Teilen. Robotergreifer, Armsegmente und kundenspezifische Endeffektoren weisen oft glatte, fließende Oberflächen auf, denen der Werkzeugweg folgen muss, ohne sichtbare Stufen zu hinterlassen. Eine 5-Achs-Maschine hält das Werkzeug während des gesamten Schnitts im optimalen Winkel und erzielt so eine sauberere Oberfläche mit weniger Durchgängen.

Genau deshalb hat sich die CNC-Bearbeitung für Roboter im letzten Jahrzehnt stark in Richtung Mehrachsenplattformen verlagert. Die Geometrie erfordert dies, und die Toleranzvorgaben lassen keinen Spielraum für Notlösungen.

Wie jeder Robotertyp einzigartige CNC-Anforderungen hat.

Nicht alle Roboter sind gleich – sie bewegen sich nicht alle auf dieselbe Weise, heben nicht dieselben Lasten und arbeiten nicht in derselben Umgebung. Daher können die Anforderungen an die CNC-Steuerung sehr unterschiedlich sein, je nachdem, was der Roboter leisten soll.

1. Industrieroboter

Das sind die Schwergewichte. Wir sprechen von Schweißarmen, Pick-and-Place-Systemen und Montagelinienrobotern, die den ganzen Tag unter enormen Drehmomenten und Vibrationen ununterbrochen laufen. Wenn wir Teile für solche Roboter herstellen, müssen wir uns auf Folgendes konzentrieren:

●   Durch die richtige Verstärkung an den richtigen Stellen – wie Zahnrädern, Wellen und Schneckengetrieben, die ständiger Rotationsbelastung ausgesetzt sind – verschleißen sie deutlich weniger.

●   Für Stabilität sorgen Gelenkgehäuse und Montageflansche, die sich auch bei wiederholten mechanischen Belastungen nicht verschieben dürfen.

2. Service- und KI-Roboter

Begrüßungsroboter, Haushaltsassistenten und KI-gesteuerte, zweibeinige Roboter arbeiten im Allgemeinen in einer relativ unproblematischen mechanischen Umgebung. Merkwürdigerweise werden die CNC-Anforderungen in bestimmten Bereichen jedoch deutlich anspruchsvoller, da diese Roboter mit zahlreichen Sensoren ausgestattet sind und auf deren Rückmeldung angewiesen sind.

●   Hochpräzise Montage für Sensorarrays, Kameramodule und LiDAR-Halterungen, die all diese Daten in das Gehirn des Roboters einspeisen.

●   Die Teile werden aus einer leichten Aluminiumlegierung gefertigt, sodass sich das Ganze reibungslos und leicht bewegen lässt, ohne dabei zu groß für die Handhabung zu sein.

3. Landwirtschaftliche Roboter

Feldroboter sind den ganzen Tag Staub, Feuchtigkeit, extremen Temperaturen und unebenem Gelände ausgesetzt. Bei der CNC-Bearbeitung geht es ihnen vor allem um die Grobbearbeitung im Gelände, nicht um feinste Details.

●   Die Herstellung von Teilen, die rauen Bedingungen in Materialien wie Aluminiumlegierungen und behandeltem Edelstahl standhalten und mit Wasser und Chemikalien vertragen.

●   Die Dichtungen müssen so angebracht sein, dass sie an den Außenseiten des Roboters nicht undicht sind .

Die CNC-Fertigung von Roboterteilen ist also grundsätzlich keine Einheitslösung. Wir müssen den Prozess, die Materialien und die Spezifikationen genau auf die tatsächlichen Anforderungen des Roboters im realen Einsatz abstimmen.

Wie Fortuna maßstabsgetreue Roboterteile mit Präzision baut

Fortuna Das Unternehmen hat fast zwei Jahrzehnte damit verbracht, ein Produktionssystem zu entwickeln, das speziell auf hochpräzise Metallteile zugeschnitten ist. Im Bereich der Robotik bedeutet dies eine Anlage, die von Einzelprototypen bis hin zu Großserien alles ohne Kompromisse bei der Präzision bewältigen kann.

Die Art von Roboterteilen, die wir herstellen

Unser Angebot im Bereich Robotik umfasst alle strukturellen, funktionalen und integrationsbezogenen Komponenten, die Roboterhersteller benötigen. Aktuell produzieren wir:

●   Bauteile für Bewegungssysteme: Dazu gehören Planetengetriebe, Drehgelenke, Schneckengetriebe, Kupplungen und Wellen, die dafür sorgen, dass sich Roboterarme äußerst präzise bewegen.

●   Strukturelle Bauteile: Robotergrundplatten, Armglieder, Armmontageglieder, Gelenkgehäuse und Montageflansche, die die mechanische Belastung aufnehmen – all das, was den Roboter am Laufen hält.

●   Kamera- und Elektronikkomponenten: Sensorgehäuse, Encoderhalterungen, Kameramodulhalterungen und Steckergehäuse zum Schutz und zur Positionierung hochempfindlicher Elektronik.

●   Spezialkomponenten: Fingergelenke, kundenspezifische Greifer, Werkzeugwechslerteile, Kühlkörper, Stromschienen und Kontaktfedern, die jeden Roboter einzigartig machen.

Die 3 wichtigsten Wege, wie wir die Arbeit erledigen

Die Grundlage bildet die präzise CNC-Bearbeitung, die wir jedoch durch zwei weitere Verfahren ergänzen, um Herstellern alles aus einer Hand für Roboterteile zu bieten:

●   CNC-Bearbeitung mit einer Vielzahl von Achsen unter Verwendung von 40 5-Achs-Maschinen und 2 6-Achs-Maschinen - alle japanischer Herkunft, die alle Konzentrizitätsfehler von unter 0,005 mm bei Bauteilen wie Robotergelenkmodulen und Sensorbasen liefern.

●   Progressives Stanzverfahren , das alle Arbeitsschritte in einem Arbeitsgang erledigt – Stanzen, Biegen und Umformen in einem einzigen, reibungslosen Arbeitsgang, bei dem dennoch alles innerhalb einer Toleranz von ±0,01 mm bleibt.

●   Das In-Mold-Nieten, bei dem Stanzen und Befestigen in einem Arbeitsgang – innerhalb der Matrize – kombiniert werden, beseitigt sekundäre Fehler und ermöglicht uns, 100 Zyklen pro Minute zu erreichen.

Qualitätskontrolle vom Beginn bis zum Versand

Jedes Roboterbauteil durchläuft einen mehrstufigen Inspektionsprozess, bevor es unser Werk verlässt:

●   DFM-Analyse in der Konstruktionsphase , um Risiken wie Materialverformung und Gratbildung schon vor Beginn der Bearbeitung zu erkennen.

●   Erstmusterprüfung mittels Koordinatenmessmaschine und 2,5D-Messgeräten zur Überprüfung der Abmessungen anhand der Zeichnungsvorgaben.

●   Während der Produktion werden in regelmäßigen Abständen IPQC-Stichproben durchgeführt, um Abweichungen bei kritischen Abmessungen zu erkennen.

●   CCD-Bildverarbeitung und 3D-optische Messung sind zur automatisierten Überprüfung in die Linie integriert.

●   Vollständige Datenrückverfolgbarkeit für jedes Bauteil, von der Rohmaterialcharge bis zur Endabnahme.

Dieser mehrstufige Ansatz unterscheidet die Fertigung von Roboterkomponenten bei Fortuna von der Fertigung in allgemeinen CNC-Werkstätten. Wenn die Leistung Ihres Roboters davon abhängt, dass jedes Teil seine Spezifikationen über Tausende von Betriebszyklen hinweg einhält, muss der Prozess hinter diesen Teilen absolut lückenlos sein.

Das Fazit zu CNC und Robotik

Roboter werden mit jeder neuen Generation intelligenter, schneller und leistungsfähiger. Doch all diese gesteigerte Leistungsfähigkeit nützt nichts, wenn die Bauteile im Inneren der geforderten Hitze – im wahrsten Sinne des Wortes – nicht standhalten. Präzisions-CNC-Bearbeitung ist der Schlüssel, um die Lücke zwischen den Vorstellungen der Konstrukteure und der tatsächlichen Leistung der Bauteile im Alltag zu schließen.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus diesem Artikel sind recht einfach:

●   Die Roboterteile umfassen strukturelle, funktionale und Integrationsbereiche – und jeder einzelne von ihnen unterliegt äußerst strengen CNC-Anforderungen, die erfüllt werden müssen.

●   Die Bearbeitung mehrerer Achsen ist in der Robotik quasi zum Standard geworden, denn seien wir ehrlich: Komplexe Teile vertragen keine Positionsfehler.

●   Verschiedene Robotertypen stellen völlig unterschiedliche Anforderungen an den CNC-Prozess, sei es die Verschleißfestigkeit von Fabrikarmen oder die präzise Ausrichtung auf Mikroebene in KI-gesteuerten Systemen.

Die Robotikbranche wird immer engere Toleranzen, immer leichtere Materialien und immer komplexere Konstruktionen fordern – und Hersteller, die ihr Geschäft auf CNC-Partnern aufbauen, die bereits auf diesem Niveau sind, werden es viel leichter haben, die Produktion auszuweiten und reibungsloser im Einsatz zu arbeiten.

Die Leistungsgrenze Ihres Roboters beginnt mit der kleinen Maschine, die die Teile herstellt.