anwenderreportage

Next Level im Roboterschweißen

Um den hohen Qualitätsstandard zu sichern und für die steigenden Absätze über die nötigen Kapazitäten zu verfügen, investiert die Winkelbauer GmbH kontinuierlich in den Ausbau des Maschinenparks sowie die Erhöhung des Automatisierungsgrades. Seit Kurzem ist in den Produktionshallen des steirischen Baumaschinenausrüsters daher eine maßgeschneiderte, hochflexible Roboterschweißanlage von ABB im Einsatz, mit der auch kleine Losgrößen nun noch wirtschaftlicher und effizienter gefertigt werden können.

Seit September ist bei Winkelbauer die maßgeschneiderte Roboterschweißanlage von ABB im Einsatz. (Bilder: x-technik)

Seit September ist bei Winkelbauer die maßgeschneiderte Roboterschweißanlage von ABB im Einsatz. (Bilder: x-technik)

Shortcut

Aufgabenstellung:
Roboterschweißen am Stand der Technik, Kapazitätsausbau.

Lösung:
Roboterschweißanlage von ABB.

Nutzen:
Hochflexible und wirtschaftliche Schweißfertigung ab kleiner Losgrößen.

Ausgehend aus einer Huf- und Wagenschmiede, die im Jahr 1945 als Ein-Mann-Betrieb gegründet wurde, entwickelte sich im oststeirischen Anger ein hochinnovativer, familiengeführter Maschinenbaubetrieb. Heute nimmt die Winkelbauer GmbH bei Arbeitswerkzeugen für Baumaschinen bis 150 Tonnen eine führende Position in Mitteleuropa ein und stattet Baumaschinenhändler sowie Endkunden mit hochwertigen Bagger- und Radladerausrüstungen aus.

Rund 150 hochqualifizierte Mitarbeiter verarbeiten auf einer Produktionsfläche von rund 11.000 m2 mit modernsten Maschinen jährlich rund 5.000 Tonnen Stahl. Um für Winkelbauer-Produkte wie etwa Schnellwechsler, Löffel und Schaufeln für Baumaschinen höchstmögliche Langlebigkeit auch unter anspruchsvollsten Einsatzbedingungen zu gewährleisten, setzen die Steirer größtenteils auf die hochverschleißfesten Hardox-Stähle. „Mit jährlich mehr als 3.600 Tonnen sind wir Österreichs größter Hardox-Verarbeiter“, erläutert Geschäftsführer Ing. Michael Winkelbauer.

Die Leidenschaft für den härtesten Stahl ist seit jeher tief in der Winkelbauer-DNA verwurzelt: „Wir arbeiten bereits seit über 20 Jahren mit dem schwedischen Weltmarktführer SSAB zusammen und sind seit 2002 Hardox-Wearparts Partner der ersten Stunde“, so der Firmenchef. Dank der über die Jahre aufgebauten hohen Kompetenz in der sehr herausfordernden Verarbeitung von Verschleißblech konnte das Unternehmen auch seinen Bereich der Komponentenfertigung beispielsweise für die Recyclingbranche deutlich ausbauen.

Für das Vorwärmen von hochfesten Stählen steht dem Roboter ein einwechselbares Vorwärmbrennersystem zur Verfügung.

Für das Vorwärmen von hochfesten Stählen steht dem Roboter ein einwechselbares Vorwärmbrennersystem zur Verfügung.

Ing. Michael Winkelbauer
Geschäftsführer von Winkelbauer

„Dank der hochflexiblen Roboterschweißanlage von ABB, die mit enormen Schweißgeschwindigkeiten und höchster Nahtqualität überzeugt, können wir auch kleine Losgrößen nun noch wirtschaftlicher und effizienter automatisiert fertigen.“

Zukunftssicher mit hochmodernen Produktionsanlagen

Dabei ist es die Strategie des oststeirischen Traditionsunternehmens, alle Kernkompetenzen im Haus zu haben. „Hochverschleißfester Stahl mit extrahoher Zähigkeit trifft in unserer vielseitig aufgestellten Produktion auf maximale Fertigungstiefe“, bringt es Michael Winkelbauer auf den Punkt. Fertigungsprozesse wie Brenn- und Plasmaschneiden, Abkanten, Zerspanen, Schweißen, Härten und Lackieren beherrscht der Stahlverarbeiter allesamt selbst.

Um allerdings die Zukunftsfähigkeit und den hohen Qualitätsstandard des Betriebes zu sichern, ist es laut Michael Winkelbauer trotz herausfordernder Zeiten notwendig, kontinuierlich in den Maschinenpark zu investieren: „Der Qualitätsanspruch an uns selbst und das damit verbundene Qualitätsversprechen an unsere Kunden verlangt mittlerweile ein hohes Maß an Flexibilität. Dies erfordert zum einen die Automatisierung und Standardisierung unserer Fertigungsprozesse und zum anderen einen Ausbau der Kapazitäten.“ Den eingeschlagenen Expansionskurs hält Winkelbauer mit der aktuellen Investitionsetappe, in der unter anderem zwei neue 5-Achs-Bearbeitungszentren für die High-End-Zerspanung, smarte Digitalisierungstools sowie eine Roboterschweißanlage von ABB angeschafft wurden.

Dank der WireSense-Technologie wird automatisch die vorprogrammierte Bahn entsprechend korrigiert und die Schweißung findet zuverlässig in der korrekten Position statt.

Dank der WireSense-Technologie wird automatisch die vorprogrammierte Bahn entsprechend korrigiert und die Schweißung findet zuverlässig in der korrekten Position statt.

Dominik Lai (BSc)
Projektmanagement Arc Welding bei ABB Robotics Österreich

„Die gesamte Roboterschweißanlage ist absolut genau vermessen. Mögliche Toleranzen werden dadurch über einen errechneten Faktor ausgeglichen, sodass ein absolut genaues, reales Abbild auch virtuell zur Verfügung steht. Somit können offline erstellte Positionen auch ohne aufwändiges Nachteachen sehr exakt vom Roboter angefahren werden.“

Gemeinsame Reise bis zur individuellen Lösung

Das Schweißen ist in der Fertigung der Angerer einer der Schlüsselprozesse. Rund 40 hochqualifizierte Handschweißer und insgesamt drei Roboterschweißanlagen erledigen tagtäglich die überaus anspruchsvollen Schweißaufgaben des Baumaschinenausrüsters. „Wir waren schon immer Vorreiter, wenn es um den Einsatz innovativer Technologien geht. Die erste Roboterschweißanlage ging beispielsweise bereits 1987 in Betrieb“, berichtet Winkelbauer von damals.

Warum es beim jüngsten Mitglied des Schweißroboter-Trios bei Winkelbauer letztendlich eine Lösung von ABB geworden ist, begründet der Geschäftsführer so: „Mit ABB haben wir einen flexiblen und überaus kompetenten Partner gefunden, der von Anfang an vollumfänglich auf unsere hohen Anforderungen eingegangen ist und auch sehr wertvolle, innovative Ideen miteingebracht hat.“ Ein weiteres Entscheidungskriterium aufgrund der Platzverhältnisse sei gewesen, dass ABB die geforderte Funktionalität mit dem kompaktesten Anlagenlayout realisieren konnte. „Es war durchaus ein herausforderndes Projekt, in dem in einem gemeinsamen Entwicklungsprozess am Ende eine für Winkelbauer zu 100 % maßgeschneiderte Schweißroboterlösung am Stand der Technik entstanden ist, die mit innovativsten Technologien ausgestattet ist“, bringt sich Martin Moosbacher, Verkaufsspezialist Arc Welding bei ABB Robotics Österreich, mit ein.

Beeindruckend ist die Bahngenauigkeit des Roboters auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten.

Beeindruckend ist die Bahngenauigkeit des Roboters auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten.

Ing. Klaus Portsch-Teufel
Produktionsleiter bei Winkelbauer

„Nach ersten Analysen haben wir gesehen, dass wir im Vergleich mit den älteren Roboteranlagen alleine bei den Schweißzeiten rund 20 % schneller sind. Und das bei höherer Nahtqualität. Die minimierten Nebenzeiten machen allerdings einen noch deutlicheren Unterschied aus.“

Offline-Programmierung vor Inbetriebnahme

Um beim automatisierten Schweißen Nebenzeiten auf ein Minimum zu reduzieren, werden bei Winkelbauer sämtliche Roboteranlagen offline mittels Programmiersystem von Delfoi programmiert. „Dank eines exakten, virtuellen 3D-Modells der Anlage von ABB konnten bereits zahlreiche Bauteile im Vorfeld offline programmiert werden, sodass nach der realen Inbetriebnahme sofort mit der Produktion gestartet werden konnte“, zeigt sich Ing. Klaus Portsch-Teufel, Produktionsleiter bei Winkelbauer, zufrieden.

Konkret in Betrieb genommen wurde die Anlage Anfang September. Herzstück dabei ist ein ABB-Roboter des Typs 2600ID in Hohlwellenausführung. „Sein schlankes Handgelenk sowie die geschützte, integrierte Führung des Kabel- und Schlauchpakets bieten ideale Voraussetzungen für das Schweißen. So ist der Roboter auch in der Lage, in enge Öffnungen einzutauchen oder komplexe Bewegungen auszuführen“, erklärt Dominik Lai (BSc), Projektmanagement Arc Welding bei ABB Robotics Österreich. Hängend auf einer siebten Achse montiert, kann der Roboter zwischen zwei Schweißzellen mit jeweils einem Sonderpositioniertisch hin- und herschwenken. „Der Zwei-Stationen-Betrieb gewährleistet, dass der Roboter auf einer Seite schweißt, während parallel in der zweiten Zelle bereits gerüstet wird“, so Lai weiter. Um in der freien Schweißzelle den Positioniertisch mit Werkstücken bis zu 1.000 kg auch mit dem Kran beladen zu können, wurde eine schwenkbare Absaughaube realisiert, die mit dem Schweißroboter mitfährt.

Damit Winkelbauer die offline erstellten Programme auch in der realen Welt exakt reproduzieren kann, musste die gesamte Roboterschweißanlage zunächst absolut genau vermessen werden. „Wir haben Messroutinen entwickelt, mit denen der Roboter, die Positioniertischachsen und deren Zusammenspiel exakt vermessen werden können. Mögliche Toleranzen werden über einen errechneten Faktor ausgeglichen, sodass ein absolut genaues, reales Abbild auch virtuell zur Verfügung steht. Somit können offline erstellte Positionen auch ohne aufwändiges Nachteachen sehr exakt vom Roboter angefahren werden“, geht der ABB-Experte ins Detail. „Gerade bei kleinen Losgrößen, wie wir sie überwiegend haben, muss eine hohe Präzision ab dem ersten Teil gewährleistet sein. Bei den Nahtquerschnitten und Blechstärken unserer Bauteile hat ABB mit einer Toleranz in der Bahngenauigkeit von 0,5 mm unsere Anforderungen mehr als übertroffen“, ist Portsch-Teufel voll des Lobes.

ABB-Roboter 2600 ID: Sein schlankes Handgelenk sowie die integrierte Führung des Kabel- und Schlauchpakets bieten ideale Voraussetzungen für das Schweißen.

ABB-Roboter 2600 ID: Sein schlankes Handgelenk sowie die integrierte Führung des Kabel- und Schlauchpakets bieten ideale Voraussetzungen für das Schweißen.

Infos zum Anwender

Die Winkelbauer GmbH ist ein familiengeführter Maschinenbaubetrieb, der am Firmensitz im steirischen Anger/Weiz jährlich mehr als 5.000 Tonnen Stahl (davon 3.600 Tonnen Hardox) zu hochwertigen Arbeitswerkzeugen und Ausrüstungen für Baumaschinen verarbeitet. Hochverschleißfester Stahl mit extrahoher Zähigkeit trifft in der vielseitig aufgestellten Produktion auf maximale Fertigungstiefe. Das Ergebnis sind langlebige Produkte wie etwa Schnellwechsler, Löffel und Schaufeln für Baumaschinen sowie hochwertige Komponenten für die Recyclingbranche.

Schnelles Rüsten – automatisiertes Vorwärmen

Auch die geforderten geringen Rüstzeiten konnten von ABB erfüllt werden. „Wir haben für die Positioniertische jeweils einen speziellen Flansch konstruiert, der ein Nullpunktspannsystem integriert hat. Besonders wertvoll bei kleinen Losgrößen, kann dadurch sehr einfach und schnell ein Vorrichtungswechsel vorgenommen werden“, verdeutlicht Dominik Lai. Bei der Sonderkonstruktion sei auch darauf geachtet worden, die Störkontur des Flansches so gering wie möglich zu halten, um die Zugänglichkeit des Schweißroboters zum Werkstück von jeglicher Richtung gewährleisten zu können.

Neben der Reduktion der Nebenzeiten war darüber hinaus die Prozesssicherheit ganz wesentlich: „Das Schweißen von hochfesten Stählen erfordert zuvor in gewissen Bereichen ein Vorwärmen des Materials. Auf den bestehenden Anlagen wurde dies bis dato händisch und somit nicht absolut prozesssicher gelöst“, weiß Portsch-Teufel. Auch dafür konnte ABB mit einer cleveren, automatisierten Lösung aufwarten. Denn dem Roboter steht ein Vorwärmbrennersystem zur Verfügung, der für das Vorwärmen eingewechselt und danach in einem Ablagebahnhof am Ausleger, an dem der Roboter montiert ist, wieder abgelegt werden kann. „Somit verursacht der Brenner auch keine Störkontur, vor allem wenn der Roboter innerhalb des Werkstücks schweißen muss“, erwähnt Lai.

Hängend auf einer siebten Achse montiert, kann der Roboter zwischen den zwei Schweißzellen hin- und herschwenken.

Hängend auf einer siebten Achse montiert, kann der Roboter zwischen den zwei Schweißzellen hin- und herschwenken.

Der Schweißroboter produziert Schweißnähte in konstant hoher Qualität.

Der Schweißroboter produziert Schweißnähte in konstant hoher Qualität.

Innovatives Roboterschweißen realisiert (v.l.n.r.): Dominik Lai (ABB), Stephan Winkelbauer, Vorname Nachname, Vorname Nachname, Michael Winkelbauer, Vorname Nachname, Vorname Nachname, Klaus Portsch-Teufel (alle Winkelbauer), Martin Moosbacher (ABB).

Innovatives Roboterschweißen realisiert (v.l.n.r.): Dominik Lai (ABB), Stephan Winkelbauer, Vorname Nachname, Vorname Nachname, Michael Winkelbauer, Vorname Nachname, Vorname Nachname, Klaus Portsch-Teufel (alle Winkelbauer), Martin Moosbacher (ABB).

Optimale Nahtqualität, minimierte Nebenzeiten und prozesssicher

Als Schweißstromquelle wurde eine TPS/i 500 von Fronius ausgewählt, die dank der patentierten WireSense-Technologie beim Roboterschweißen eine zuverlässige Nahtqualität sicherstellt. „Durch die hochpräzise Steuerung des Schweißdrahts ist es möglich, den Draht nicht nur als Zusatzwerkstoff, sondern auch als Sensor zu verwenden“, erläutert Lai.

Mit der patentierten WireSense-Technologie kann der Roboter im Systemverbund mit dem Schweißgerät die Kantenposition sowie etwaige Spalte zwischen den Blechen erkennen. WireSense schafft somit Abhilfe bei Toleranzschwankungen der zu verschweißenden Bauteile. „Automatisch wird die vorprogrammierte Bahn entsprechend korrigiert und die Schweißung findet zuverlässig in der korrekten Position statt“, bringt es Lai auf den Punkt.

„Dank der dadurch gewährleisteten hohen Qualität der Schweißnaht ist auch die Nacharbeit an den Bauteilen sehr gering, was wiederum eine weitere Reduktion der Nebenzeiten bedeutet“, zeigt sich Portsch-Teufel zufrieden. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Hardware-Lösungen wie etwa Laser, Kameras oder auch taktilen Sensoren keine zusätzlichen Störkonturen existieren. „Somit kommt es zu keinerlei Einschränkungen in der Bauteilzugänglichkeit, was bei unserem Teilespektrum sehr wichtig ist“, so der Produktionsleiter weiter.

Darüber hinaus sorgt ein automatischer Kontaktrohrwechsel (Magazin mit zehn Kontaktrohren), eine automatisierte TCP-Vermessung sowie eine Brennerreinigungsstation für noch mehr Prozesssicherheit und Effizienz der Roboterschweißanlage.

Schnell und präzise

Beeindruckt ist man bei Winkelbauer von der Bahngenauigkeit des Roboters auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten: „Bei unseren Bauteilen, an denen unter anderem Guss- und Schmiedeteile aufgeschweißt werden müssen, ist eine hohe Schweißgeschwindigkeit zwingend erforderlich“, verdeutlicht Portsch-Teufel. Möglich machen dies laut Martin Moosbacher die patentierten ABB-Bewegungsteuerungen TrueMove und QuickMove: „Die beiden Softwarefunktionen der Robotersteuerung optimieren die Roboterleistung hinsichtlich Genauigkeit, Geschwindigkeit und Zykluszeit. TrueMove sorgt für höchste Bahntreue unabhängig von der gewählten Geschwindigkeit. Und QuickMove gewährleistet maximale Beschleunigung und somit kürzeste Zykluszeiten. Sie bilden die Voraussetzung für konstant hohe Prozessqualität.“

Cleveres Anlagenlayout

Trotz des überaus kompakten Anlagenlayouts gibt es in jeder der beiden Schweißzellen für den Bediener einen Arbeitsplatz, unter anderem mit Touch-PC und Werkzeugwagen. „Selbst die Teile können vor und nach dem Schweißen auf vordefinierten Palettenplätzen abgelegt werden. Das bedeutet wiederum kurze Wege beim Rüsten“, sieht Portsch-Teufel einen weiteren Vorteil.

Überdies wird der Anlagenbediener mittels digitaler Arbeitsanweisungen am Touch-PC Schritt für Schritt durch den gesamten Prozess in der Anlage geführt. „Das minimiert das Fehlerpotenzial und erhöht nochmals die Prozesssicherheit“, erwähnt noch der Produktionsleiter.

Wirtschaftliche Fertigung kleiner Losgrößen

Seit Anfang September schweißt die ABB-Roboteranlage nun in den Produktionshallen in Anger. „Nach ersten Analysen haben wir gesehen, dass wir im Vergleich mit den älteren Roboteranlagen alleine bei den Schweißzeiten rund 20 % schneller sind. Und das bei höherer Nahtqualität“, schildert Portsch-Teufel, der fortfährt: „Die minimierten Nebenzeiten machen allerdings einen noch deutlicheren Unterschied aus, sodass wir mit der ABB-Anlage kleine Losgrößen nun auch automatisiert sehr wirtschaftlich fertigen können.“

Zudem gäbe es noch unzählige Schweißbaugruppen, die bis dato noch handgeschweißt werden und dank der neuen Anlage jetzt auch für das automatisierte Schweißen geeignet wären. „So können wir sukzessive unsere hochqualifizierten Schweißfachkräfte entlasten und wesentlich effizienter einsetzen“, weiß Firmenchef Michael Winkelbauer, der abschließend noch versichert: „Wir erzielen mit der neuen, hochflexiblen Roboterschweißanlage eine konstant hohe Qualität sowie überaus kurze Durchlaufzeiten. Um weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben, wird bereits in naher Zukunft eine weitere Anlage folgen. Unser Ziel ist es, auch andere unserer Fertigungsprozesse kontinuierlich zu automatisieren. Dafür sind wir beim sehr breit aufgestellten und kompetenten Robotikspezialisten ABB in besten Händen.“

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