Acht-Achs-Manipulator für die Forschungsindustrie

Manipulator zur Röntgenprüfung für die Forschungsindustrie


Für die Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH entwickelte die JAT einen Ach-Achs-Manipulator mit dem zukünftig typische Anwendungsgebiete für die Röntgenprüfung am Standort Salzgitter als stationäre Prüfung im Labor durchgeführt werden. Hierzu zählen die Untersuchung von geschweißten Rohren und Konstruktionen auf Schweißnahtfehler, die Prüfung von Musterstücken im Rahmen der betrieblichen Aus- und Weiterbildung sowie die Untersuchung neuartiger Fügeverbindungen auf Fehlerfreiheit.

Konzept und Konstruktion des Manipulators


Im Rahmen der Umstellung von konventioneller Röntgentechnik (RT) auf die digitale Radiografie (DR) sollte ein flexibles und automatisierbares Prüfsystem entwickelt werden, das es erlaubt, verschiedenste Bauteile bzw. Proben wie Rohre, Bleche und Schweißkonstruktionen mit bis zu 60 kg aufzunehmen. Für Serienuntersuchungen ist außerdem eine hohe Wiederholgenauigkeit der Probenposition erforderlich. Die Winkellage der zu prüfenden Bauteile gegenüber der Strahlenachse muss ebenso leicht variierbar sein, wie der Abstand zwischen Strahlenquelle und Bauteil sowie zwischen Bauteil und Detektor.

Mit diesem Anforderungsprofil wandte sich die SZMF an die Jenaer Antriebstechnik JAT. Im ersten Schritt wurden in Jena verschiedene Achskonzepte und Ausbaustufen untersucht, verglichen und diskutiert. Im weiteren Verlauf erarbeitete man gemeinsam in einem Workshop das finale Konzept eines sehr flexiblen Manipulators mit fünf linearen und drei rotativen Achsen: In der Mitte nimmt ein X-Y-Achssystem die Drehachse für den Drehteller auf. An diesem werden die Proben mit einer Masse von bis zu 60 kg fixiert. An einer feststehenden Z-Achse (Bild 1, rechts) befindet sich eine Schwenkachse, an der die Röntgenröhre befestigt wird. Ein X-Z-Achssystem mit applizierter Schwenkachse dient zur Aufnahme des Detektors. Diese Anordnung erlaubt es, Röntgenröhre, Probe und Detektor in nahezu beliebigen Abständen zueinander zu positionieren und gleichzeitig die Winkellage der Probe zur Strahlenrichtung zu variieren, was für das Auffinden und Bewerten von Fehlern im Werkstoff von großer Bedeutung ist

Antriebstechnik aus dem Baukasten


Detektor und Röntgenquelle verfügen über relativ große Massen von gut 60 kg, dazu addieren sich bei den X-Achsen mit rund 800 mm Verfahrweg die Massen der darüber angeordneten Achsen. Wälzlager-Linearführungen und Kugelgewindetriebe sorgen für die nötige Steifigkeit. Als Antriebe kommen JAT-Servomotoren der Baureihen Ecostep® und Ecospeed® mit integrierter Bremse und Encoder zum Einsatz. Spielarme Planetengetriebe reduzieren die Antriebsmomente der Servomotoren ebenso wie die Bremsmomente, die für das Halten der Positionen erforderlich sind.
Die Linearachsen erreichen eine Positioniergenauigkeitiner 100 µm und eine Wiederholgenauigkeit kleiner 10 µm. Da die Schwenkachsen für die Röntgenröhre und den Detektor um lediglich maximal +-25° verstellt werden und stets zu einer Seite geneigt sind, wirkt sich das ohnehin geringe Umkehrspiel der Planetengetriebe nicht auf die Positioniergenauigkeit aus. Als konstruktive Herausforderung stellten sich dagegen die Kabelschlepplösungen für die acht verschachtelten Achsen heraus. Entsprechend der Vorgabe aus Salzgitter wurden alle Kabel des Manipulators zu einem zentralen Anschluss geführt.

Steuerung der Achsen und Bedienung des Manipulators


Die Steuerung der Achsen im Verbund sowie die Entwicklung der Software und der Visualisierung wurde durch Techniker der SZMF realisiert. Direkt am Manipulator können die Achsen zur optimalen Justierung von Probe, Röntgenröhre und Detektor mit einem Joystick gefahren werden, außerhalb vom Röntgenraum von einem PC aus. Eine synchrone Verstellung der Z-Achsen ist ebenso möglich wie eine gegenläufige Verstellung. Letztere wird benutzt, um einen bestimmten Punkt in der Probe in unterschiedlichen Winkeln durchstrahlen zu können. Die Software passt bei der Veränderung der Durchstrahlwinkels die beiden Schwenkachsen von Röntgenröhre und Detektor automatisch an. Mit dem Drehantrieb am Drehteller lassen sich automatisiert Bildsequenzen in definierten Winkelinkrementen ausführen. Maschinenbau-Spezialisten aus Salzgitter realisierten ebenfalls die gesamte Sicherheitstechnik für den Manipulator und den Röntgenraum.

Anforderungen

  • Unabhängige Achssysteme für Röntgenquelle, Detektor und Probe
  • Kundenspezifische Schnittstellenvorgabe
  • Exakte Bauraumvorgabe kundenseitig

 

Umsetzung

  • Drei zueinander ausgerichtete Mehrachssysteme
  • Präzisionsspindeln und -führungen
  • Montage auf Schweißgestell
  • Gesamtabmessungen (HxBxT):  ca. 2,3 m x 2 m x 0,5 m
  • Montage & Inbetriebnahme vor Ort

    Spezifikation Probeachse:

    • Lastmasse: 60 kg
    • Positionierauflösung: 0,1 µm
    • Wiederholgenauigkeit: ±25 µm
    • Absolutgenauigkeit: ±200 µm
    • Ablaufgenauigkeit Höhe / Seite: ±100 µm / ±5 µm
    • Maximale Geschwindigkeit: 0,15 m/s
    • Maximale Beschleunigung: 1 m/s² mit 60 kg Last

     

    X-Achse (Probe):

    • Spindelachse mit Kugelgewindetrieb 15x10
    • Hub: 800 mm

     

    Y-Achse (Probe):

    • Spindelachse mit Kugelgewindetrieb 15x10
    • Hub: 500 mm

     

    Phi-Achse (Probe):

    • Direktantrieb mit Getriebe i=50
    • Drehbereich: nx360°
    • Wiederholgenauigkeit: 10 arcmin
    • Maximale Geschwindigkeit: 90°/ s
    • Maximale Beschleunigung: 180°/s²

     

    Spezifikation Detektorachse:

    • Lastmasse: 55 kg

     

    X-Achse (Detektor):

    • Antrieb: Handverstellung mit Rastung alle 50 mm
    • Hub: 800 mm

     

    Z-Achse (Detektor):

    • Spindelachse mit Kugelgewindetrieb 25x10
    • Hub: 1000 mm
    • Positionierauflösung: 0,125 µm
    • Wiederholgenauigkeit: 50 µm
    • Absolutgenauigkeit: ±200 µm
    • Ablaufgenauigkeit Höhe / Seite: ±150 µm / ±5 µm
    • Maximale Geschwindigkeit: 0,2 m/s
    • Maximale Beschleunigung: 0,5 m/s²

     

    Theta-Achse (Detektor):

    • Direktantrieb mit Getriebe i=50
    • Drehbereich: ±30 °
    • Wiederholgenauigkeit: 10 arcmin
    • Maximale Geschwindigkeit: 90°/s
    • Maximale Beschleunigung: 180 °/s²

     

    Spezifikation Röntgenachse:

    • Lastmasse: 60 kg

     

    Z-Achse (Röntgenquelle):

    • Spindelachse mit Kugelgewindetrieb 25x10
    • Hub: 800 mm
    • Positionierauflösung: 0,125 µm
    • Wiederholgenauigkeit: 50 µm
    • Absolutgenauigkeit: ±200 µm
    • Ablaufgenauigkeit Höhe / Seite: ±150 µm / ±5 µm
    • Maximale Geschwindigkeit: 0,2 m/s
    • Maximale Beschleunigung: 0,5 m/s²

     

    Theta-Achse (Röntgenquelle):

    • Direktantrieb mit Getriebe i=50
    • Drehbereich: ±30 °
    • Wiederholgenauigkeit: 10 arcmin
    • Maximale Geschwindigkeit: 90°/s
    • Maximale Beschleunigung: 180 °/s²

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