Fronius HTW: Roboterschweißzellen – nachhaltig, sicher und wirtschaftlich

Handling to Welding: Bei der HTW-Roboterschweißzelle bringt der Handling-Roboter die Werkstücke in Position, der zweite Roboter schweißt. (Bilder: Fronius)

Beispiele für Schweißzellen-Module

• Modul Schweißen (Schweißstromquellen, Drahtvorschub, Brenner,…)
• Modul Bauteil positionieren (Positionierer, Handling-Roboter, Fahrbahn, C-Galgen, Stativ,…)
• Modul Roboter positionieren (Linearachse, C-Galgen-Portal,…)
• Modul Bauteil zuführen (Schleuse, Förderband,…)
• Modul Sicherheit (Schutzzaun, Lichtvorhang, Lichtgitter, Rollvorhang,…)
• Modul Brenner positionieren (Roboter)
• Modul System steuern (Schaltschrank, HMI-Systemsteuerung)

Bildtext:
Die Bauteilschleuse ist eines der Module, mit der individuelle Kundenanforderungen erfüllt werden können.

Und trotzdem – die zentralen Aufgaben von Roboterschweißzellen wiederholen sich permanent, unabhängig vom Bauteil. So gehören beispielsweise die Bauteilpositionierung, der Kontaktrohrwechsel oder die Brennerreinigung zum Standardrepertoire. „Es wäre weder wirtschaftlich noch nachhaltig, würden wir das Rad bei jedem Auftrag neu erfinden. Unsere Konstrukteure greifen auf ein Baukastensystem aus standardisierten Modulen zurück, die spezifische Aufgaben wie das Bauteil-Handling, die TCP-Vermessung und natürlich die Steuerung des gesamten Schweißprozesses übernehmen. Individuelle Lösungen realisieren wir durch eine intelligente Kombination der uns zur Verfügung stehenden Komponenten“, erläutert DI (FH) Bernd Huemer, Gruppenleiter Key System Management bei Fronius Welding Automation.

DI (FH) Bernd Huemer, Gruppenleiter Key System Management bei Fronius Welding Automation: „Individuelle Roboterschweißzellen werden durch eine intelligente Kombination von standardisierten Modulen aus unserem Baukastensystem realisiert.“

Wolfgang Scherleitner
Leiter Fronius-Prototypenzentrum

„Der Prototypenbau spielt bei vielen Unternehmen eine sensible Rolle. Nicht nur in der Automobilindustrie, sondern auch in anderen Betrieben. Häufig sind hohe Investitionen in Software-, Hightech-Anlagen, Engineering und Personal notwendig. All das ist mit Risiko verbunden. Dieses Risiko wollen wir unseren Kunden abnehmen. Darüber hinaus können wir auch kleinere Stückzahlen für die Vorserie fertigen.“

Leistungsfähige Engineering-Software

Für das Engineering von Roboterschweißzellen gibt es heutzutage potente Software wie zum Beispiel den Fronius Pathfinder®. Zur Verfügung stehen umfangreiche Bibliotheken mit standardisierten Modulen für die gesamte Schweißzellenperipherie. Standardelemente wie Roboter-Fahrbahnen, Stative oder Drehtische müssen Konstrukteure nicht jedes Mal neu entwerfen. Vielmehr können sie ihr Augenmerk auf das Lösen zentraler Kundenanforderungen richten: Beispiele dafür sind die Entwicklung einer geeigneten Spannvorrichtung oder das Festlegen der richtigen Schweißfolge zur Vermeidung von Bauteilverzug. Ein weiterer Vorteil von Baukastensystemen liegt in ihrer höheren Wirtschaftlichkeit: Denn weniger Engineering-Aufwand spart Kosten, was letztlich die Preise und somit den Finanzierungsbedarf beim Kunden reduziert.

3D-Konstruktion einer Roboterschweißzelle inkl. Bauteil (Schienenfahrzeugbau).

Module und ihre Funktionen

Module erfüllen individuelle Kundenanforderungen und somit wichtige Funktionen eines Roboterschweißsystems. Sie werden in Baugruppen, Unterbaugruppen und Komponenten unterteilt. Im Hinblick auf einen künftigen Bedarf können sie vorgefertigt werden; virtuell für die Bibliothek der Engineering-Software und physisch für den Produktionsbedarf von Roboterschweißzellen. Beispiele für Schweißzellen-Module von Fronius sind etwa die Module Schweißen, Bauteil positionieren, Roboter positionieren, Bauteil zuführen, Sicherheit, Brenner positionieren oder System steuern (Details siehe Box: Schweißzellen-Module). Die Funktionen der Module können zudem durch diverse Optionen wie Sichtfenster, Kabellaufroller für Fernregler, Blendschutz-Varianten und andere erweitert werden.

Je nach Konfiguration der Zelle stehen unter anderem auch unterschiedliche Positionierer zur Verfügung.

Schweißroboter und Dimensionierung

Präzision und Wiederholgenauigkeit sind die typischen Stärken von Schweißrobotern. Möchte man neben hochwertigen Schweißnähten auch eine hohe Flexibilität bei Bauteilen und Schweißprozessen sicherstellen, sollte man in puncto Design, Reichweite und Tragfähigkeit vorausschauend planen. Wenn kleine Standflächen mit schlanken Roboterarmen und langen Reichweiten kombiniert werden, kann auch in engen Räumen geschweißt werden. Typische Bauteil-Beispiele sind Achsen, Halterungen, Sitze, Auspuffanlagen, Chassis-Träger, Kranaufbauten, Tank- und Rohrleitungskomponenten. Verwendet man schwere Brenner, wie beim Widerstandspunktschweißen oder Laser-Hybrid-Schweißen, benötigt man Roboter mit hoher Tragfähigkeit.

Handgelenk-Roboterachsen mit Hohlwellen erlauben es zudem, Steuer-, Sensor- und Versorgungsleitungen im Inneren der Achse zu führen. So wird vermieden, dass sich die in Schläuchen gebündelten Leitungen bei komplexen Bewegungsabläufen um die vorderen Roboterachsen wickeln. Ein weiterer Vorteil der Hohlwellenausführung: Potenzielle Kabelstörungen können softwaretechnisch simuliert werden.

Alles unter Kontrolle

Sowohl für perfekte Schweißergebnisse als auch für die Sicherheit der Anlagenbediener müssen alle Module der Roboterschweißzelle präzise interagieren. Dafür sorgt in der Regel eine zentrale Systemsteuerung. Diese steuert und überwacht sämtliche Peripheriekomponenten wie Roboter, Schweißstromquelle, Positionierer, Regalsysteme, Brennerreinigung oder Lichtschranken. „Bei Fronius haben wir die intuitiv bedienbare HMI T21-RS entwickelt, eine Hightech-Systemsteuerung, die bei Funktionsumfang und Bedienkomfort einen neuen Standard setzt“, so Huemer.

Moderne Hightech-Systemsteuerungen brillieren mit intuitiven Programmeditoren. Hier definieren Schweißtechniker Schritt für Schritt die notwendigen Programmabläufe und speichern sie als Ablaufschrittketten. Diese werden dann den einzelnen Bearbeitungsstationen zugewiesen. Dreidimensionale Real-Time-Anzeigen visualisieren sämtliche Roboterbewegungen und Schweißarbeiten auf dem Monitor. Sie gewähren einen detaillierten Überblick über die Zustände der Peripheriekomponenten und Schutzbereiche – und zwar in Echtzeit. Standardmäßig umfassen viele Systemsteuerungen eine Benutzer- und Programmverwaltung, diverse Störmeldeanzeigen, Takt- und Stückzähler, Anlagenstatusanzeigen und eine Sprachauswahl. Häufig verfügbar sind Schnittstellen zu gängigen ERP-Systemen und eine Web-API für den Datentransfer zu Drittsystemen.

Offline programmieren: weniger Stillstandkosten, mehr Output

Effizienz und Output von Schweißarbeiten sind maßgebliche Indikatoren für die Wirtschaftlichkeit von Fertigungsprozessen. Werden die Schweißabläufe offline – also getrennt von der Roboterschweißzelle – programmiert, können sie bis ins Detail optimiert werden, ohne dass ein Roboterprogrammierer auf das Ende laufender Schweißarbeiten warten muss. Stattdessen kann er den Roboter abseits der Anlage vom PC oder Laptop aus „teachen“ und im Anschluss den gesamten Schweißablauf offline simulieren. Schweißnaht für Schweißnaht. „Wir bei Fronius verwenden dafür die leistungsstarke Offline-Programmier- und Simulations-Software Fronius Pathfinder. Sie erkennt Achslimits, berechnet Startpunkte, Endpunkte sowie Anfahrtswege und setzt selbstständig Positionspunkte. Störkonturen werden visualisiert und Brenneranstellungen korrigiert. All das im Vorfeld und nicht erst während der Schweißarbeiten“, geht Huemer ins Detail.

Autonomie und Sicherheit

Die digitale Vernetzung aller Module mit einer übergeordneten Systemsteuerung gewährleistet voll automatisierte Abläufe und sorgt so für ein hohes Maß an Autonomie im Workflow, sowohl beim Bauteil-Handling als auch beim Schweißen. Manuelle Tätigkeiten werden eingespart, der Bediener kann sich auf das Wesentliche konzentrieren. Ein weiterer Vorteil der Anlagenautonomie liegt in der erhöhten Sicherheit des Operators. Rauchgasabsaugungen, Schutzeinhausung, Lichtschranken oder Not-Aus-Taster verhindern gesundheitliche Schäden und Verletzungen.

Zukunftsweisende Technologie

Fronius hat das Engineering von Roboterschweißzellen standardisiert und setzt dabei auf den Plattformgedanken. Einzelne Module mit spezifischen Aufgaben garantieren ein hohes Maß an Flexibilität bei Material, Größe, Form und Gewicht von Bauteilen. „Die Offline-Programmier- und Simulationssoftware Fronius Pathfinder und die neue Systemsteuerung HMI T21-RS sind in puncto Funktionsumfang und Bedienkomfort wegweisend. Letztere leitet eine völlig neue Generation von Systemsteuerungen ein. Pathfinder wiederum setzt neue Maßstäbe im Bereich der Offline-Programmierung und Schweißsimulation“, bringt es Huemer auf den Punkt.

Roboterschweißzellen kommen auch im neuen Fronius-Prototypenzentrum am Standort Wels (OÖ) zum Einsatz. Auf rund 900 Quadratmetern erarbeiten die Fronius-Experten gemeinsam mit ihren Kunden die ideale Lösung für deren individuelle Herausforderungen in der Schweißtechnik. Das Angebot beginnt mit einer Machbarkeitsstudie und endet beim fertigen Prototyp. Bei Bedarf produziert Fronius auch kleinere Stückzahlen für die Vorserie.