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Hauptkomponenten von Schweißrobotersystemen und industrielle Anwendungsbeispiele
Wesentliche Hardware-Komponenten: Manipulator, Steuerung und Schweißstromquelle
Ein Schweißrobotersystem besteht aus drei zentralen Hardwarekomponenten: dem Manipulator, der Steuerung und der Stromquelle. Manipulatoren können die Form eines Roboterarms annehmen; die am häufigsten verwendete Variante verfügt über sechs Achsen. Diese Komponenten enthalten servogesteuerte Gelenke und hochpräzise Getriebe, um eine hochgenaue Bewegungssteuerung zu ermöglichen. Diese Arme können zudem dreidimensionale Schweißbahnen steuern und sind daher äußerst vielseitig einsetzbar, wenn es darum geht, Schweißaufgaben mit einer breiten Vielfalt an Fügeverbindungen und Größen zu lösen. Die Steuerung übernimmt sämtliche Betriebsabläufe und reagiert sehr schnell auf während des Schweißvorgangs auftretende Veränderungen. Sie empfängt Anweisungen von eingebetteten Programmen (oder Teach-Pendants) und steuert das Robotersystem zur Durchführung der Schweißoperationen. Die Schweißstromquelle erzeugt und erhält den Lichtbogen zum Schweißen, um die Fügeverbindungen herzustellen. Während eines Schweißvorgangs regelt sie die Schutzgasabschirmung, die Zuführgeschwindigkeit des Schweißdrahts sowie den Schweißstrom und die Schweißspannung. Dabei berücksichtigt sie die Art der vorliegenden Fügeverbindung, die Dicke und den Werkstoff des Metalls sowie die für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Schweißtechnik. Die Kombination dieser Komponenten ergibt eine äußerst zuverlässige, automatisierte Schweißlösung. Solche Schweißrobotersysteme werden zur Herstellung von Automobilbaugruppen und Großmaschinen, von Tragwerken und Bauteilen sowie zur Durchführung von Schweißaufgaben eingesetzt, bei denen ein hohes Maß an Qualitätskonsistenz erforderlich ist.
Software- und Peripherieintegration: Visionssysteme, Sensoren und Sicherheitsschnittstellen
Moderne Fabriken bestehen aus einer Reihe von Hardware-Komponenten und intelligenten Software-Lösungen. Visuell gesteuerte Systeme sind beispielsweise in der Lage, schwierig zugängliche Fugen zu erkennen und Nahtlinien zu verfolgen, die sich ständig bewegen, wobei kalibrierte Kameras und Kantenerkennungssysteme eingesetzt werden. Diese Systeme können ihre Bahnen selbstständig neu kalibrieren und entlasten den Anwender dadurch von der Notwendigkeit, dies jedes Mal manuell vorzunehmen. Prozesssensoren können Änderungen der Lichtbogenspannung sowie Messwerte für Wärme und Strom an die zentrale Steuerung übermitteln. Diese Steuerung ist in der Lage, innerhalb von weniger als einer Sekunde Anpassungen am Prozess vorzunehmen. Hersteller integrieren zudem Systeme, die den Normen ISO 10218 und RIA 15.06 entsprechen und die Maschinenbewegung stoppen, um einen Bediener zu schützen, sobald dieser sich innerhalb eines bestimmten Abstands zur Maschine befindet. Zu diesen Komponenten zählen Lichtschranken, speziell zertifizierte SPS-Systeme sowie redundante Schaltkreise für die Not-Aus-Funktion. Eine im vergangenen Jahr im Journal of Manufacturing Systems veröffentlichte Studie berichtete, dass die Integration aller fortschrittlichen Komponenten einer Fabrik zu einem Fertigungsprozess führte, bei dem die Anzahl der Schweißfehler von durchschnittlich 37 auf null reduziert wurde und die Fabrik zudem schneller arbeitete.
Wichtige Aspekte bei der Auswahl eines Schweißrobotersystems
Berücksichtigen Sie die Art der Verbindung, die Materialstärke und die erwartete Produktionsmenge
Die Auswahl des richtigen Systems erfordert ein Verständnis der spezifischen Anforderungen der Schweißanwendung. Für Schweißaufgaben wie Mehrlagenschweißungen oder Nutenschweißungen mit engen Fugen sind Roboter erforderlich, die komplizierte Bewegungen ausführen und präzise Schweißnähte erzeugen können. Für einfache Überlappungsschweißungen hingegen kann eine einfachere Anlage ausreichend sein. Bei Materialstärken unter 3 mm ist zur Vermeidung von Durchbrennen eine Wärme reduzierende Methode erforderlich, beispielsweise der Einsatz eines gepulsten GMA-Schweißverfahrens oder die Kombination eines Schweißlasers mit einem anderen Verfahren. Bei Querschnitten über 25 mm eignen sich Schweißverfahren, die ein schnelles Auftragen und ein Schwingmuster (Weave-Pattern) verwenden, möglicherweise besser. Auch die Produktionsmenge stellt einen entscheidenden Faktor bei der Auswahl dar. Hersteller, die mehr als 10.000 Einheiten pro Monat produzieren, könnten den Erwerb hochgeschwindigkeitsfähiger 6-Achsen-Roboter mit Nahtverfolgung und weiteren Automatisierungsfunktionen kosteneffizient finden. Hersteller mit geringeren Produktionsmengen und einer größeren Produktpalette profitieren dagegen eher von einer modularen und flexiblen Lösung. Laut dem Fabricators Journal war im vergangenen Jahr etwa 30 % der Probleme bei robotergestütztem Schweißen auf eine unvereinbare Fugenform mit den Fähigkeiten des Roboters zurückzuführen. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, die konkreten Anforderungen der Schweißanwendung von Beginn an zu erfassen.
Nutzlastkapazität, Reichweite und Wiederholgenauigkeit für präzises Schweißen
Die Nutzlastkapazität muss alle Geräte, Kabel und angebrachten Werkzeuge berücksichtigen. Je nach Aufgabe können die Nutzlastanforderungen bei Standard-Schweißarbeiten mit Lichtbogen etwa 5 kg betragen. Die Reichweite bestimmt das Volumen des Raums, innerhalb dessen das System arbeiten kann. Schiffbauprojekte erfordern typischerweise eine horizontale Reichweite von 3 Metern oder mehr, während Projekte zur Montage von Komponenten – beispielsweise an Autoteilen – lediglich 1,4 bis 1,8 Meter erfordern. Der bedeutendste Faktor ist die Wiederholgenauigkeit, also die Präzision, mit der der Roboter immer wieder an dieselbe Position mit derselben Genauigkeit zurückkehren kann; die Spezifikationen hierfür können sehr streng sein. Anwendungen im Luft- und Raumfahrtbereich sowie bei medizinischen Geräten zielen auf Fertigungstoleranzen von ± 0,05 mm ab. Systeme, die in der Lage sind, eine thermische Position von 150 Grad Celsius zu halten, vermeiden zudem Nacharbeit aufgrund thermischer Drift. Der IMTS-Manufacturing-Bericht 2023 zeigt, dass bei einer effektiven Auslegung von Reichweite und Wiederholgenauigkeit der Bedarf an komplexen Spannvorrichtungen um 27 % gesenkt und die Anzahl der Fehler um 40 % reduziert wird.
Integration eines Schweißrobotersystems in einen Produktionsablauf
Zellendesign, Spannvorrichtungen und SPS-Integration
Bevor Sie mit der Integration der Schweißzellen beginnen, müssen Sie die Zellen anhand des tatsächlichen Arbeitsablaufs entwerfen. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Anordnung so planen, dass rund um Ihren Schweißarbeitsplatz mindestens das 1,5-Fache der maximalen Reichweite Ihres Roboters frei bleibt. Dadurch werden die Sicherheits- und Wartungsanforderungen nach ANSI/RIA R15.06 erfüllt. Zudem wird der Materialtransport im Arbeitsbereich erleichtert und Ihren Technikern mehr Platz zur Verfügung gestellt. Die thermische Ausdehnung von Spannvorrichtungen stellt ein großes Problem dar: Das Spannen von Aluminium- und Edelstahl-Schweißvorrichtungen ist zu fest und führt laut einer jüngsten Studie der FabTech 2023 zu etwa 15 % aller Schweißprobleme. Damit die Integration erfolgreich verläuft, müssen wir die SPS-Kommunikation berücksichtigen. Der Großteil der Welt arbeitet mit EtherCAT oder Profinet, wodurch eine schnellere Kommunikation zwischen SPS, Bildverarbeitungssystemen und Robotersteuerungen ermöglicht wird. Dies reduziert zudem die Zeit für die Einrichtung einer Integrationsaufgabe um rund 40 % und steigert die Gesamteffizienz der Produktionslinien.
Modulare Spannvorrichtungen verwenden Grundplatten und Positionierhilfen, um eine schnelle Umkonfiguration für verschiedene Teilefamilien zu ermöglichen
Eine Methode der Fehlervermeidung, die bereits Anwendung gefunden hat, ist die Verwendung von Rückkopplungsschleifen mit Sensoren. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von Näherungssensoren, die erkennen können, ob ein Teil vorhanden ist, bevor der nächste Arbeitszyklus gestartet wird
Integriertes Kabelmanagement umfasst verlegte Strom-, Signal- und Gasleitungen mit abgeschirmten, zugentlasteten Führungssystemen, um elektromagnetische Störungen (EMI) auf Steuersignalen zu reduzieren
Mitarbeiterschulung und Planung des erwarteten Zeitraums für die Amortisation ab dem Zeitpunkt, an dem ein Produktwechsel abgeschlossen ist
Damit die Roboterautomatisierung erfolgreich ist, sind sowohl menschliche Fähigkeiten als auch die richtige Ausrüstung gleichermaßen wichtig. Durch die Schulung, die wir dem Instandhaltungsteam und den Schweißern anbieten, können diese anschließend eine der wichtigsten störenden Aufgaben im neuen Prozess ausführen: die Parameter anpassen, um die Aufgabe zu optimieren, und Störungen an der Ausrüstung beheben. Diese Schulung verkürzt die Rüstzeiten um bis zu 30 %. Bei der Anwendung der Schweißautomatisierung hängt die erwartete Kapitalrendite von mehreren Faktoren ab, darunter die erwartete Senkung der Schweiß-Lohnkosten um 75 US-Dollar pro Mannstunde, geringere Ausschussraten, eine konsistente Qualität aller Produkt-Schweißnähte sowie die Möglichkeit, jedes Produkt während der Fertigung nachzuverfolgen. Basierend auf unseren Erfahrungen mit zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen und Unternehmen erwarten wir eine Kapitalrendite innerhalb von 18 bis 24 Monaten nach Projektbeginn – vorausgesetzt, die erforderliche Infrastruktur ist vorhanden und unterstützende Prozesse wurden implementiert.
Kompetenzrahmen mit gestuften Zertifizierungen basierend auf Tätigkeitsfeldern (z. B. von Operator über Programmierer bis hin zu Integrator)
Einsatz von Digital-Twin-Technologie, die digitale Simulationen ermöglicht, um eine Offline-Bahnplanung und kollisionsfreie Programmierung durchzuführen, ohne die Produktionslinie stillzulegen
Einführung von OEE-Dashboards zur Darstellung der tatsächlichen gegenüber der geplanten Produktion hinsichtlich Lichtbogen-Einschaltzeit, Verfügbarkeit, Leistung, Qualität und Verluste
Geplante, proaktive Wartung verbessert die mittlere Zeit zwischen Ausfällen um 35 %. Schweißanalyseplattformen, die Spritzermuster, Spannungsänderungen und Vorschubgeschwindigkeit analysieren, senken die Ausschussrate in der Mischproduktion um 22 %.
Erzielung einer optimalen Leistung und langfristigen Zuverlässigkeit Ihres Schweißrobotersystems
Geplante Wartung und Anpassung der Lichtbogenparameter
Zuverlässige Ergebnisse werden erreicht, indem die erforderliche Wartung durchgeführt wird – und nicht erst dann, wenn Komponenten ausfallen. Dazu gehört beispielsweise die Einhaltung der Schmierspezifikationen für Gelenkachsen sowie die Wartung von Servomotoren und Steuerungskabeln. Laut einer Studie aus dem Jahr 2023 (bevorzugte Quelle) reduziert dies tatsächlich etwa die Hälfte aller unerwarteten Anlagenstillstände. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die gegebenenfalls erforderliche Anpassung der Schweißparameter.
Datengestützte Verbesserungen mithilfe der OEE-Überwachung und der Schweißqualitätsanalyse
Im Kontext der OEE-Überwachung geht es uns um Zuverlässigkeit, die über ihre Darstellung als Wartungskennzahl hinausgeht und das Potenzial für Wachstum durch kontinuierliche Verbesserung einschließt. Das System protokolliert Daten, bei denen Lichtbögen über längere Zeiträume stabil gehalten werden, identifiziert Probleme, bei denen das Endeffektor von der vorgesehenen Bahn abweicht, und erfasst Vorfälle einer thermischen Überlastung. Anhand dieser Daten korreliert das System die Leistung des jeweiligen Prozesses mit der Leistung anderer Anlagen, die dieselbe Aufgabe ausführen, und erkennt potenzielle Probleme, bevor sie sich verschärfen. Im Schweißbereich erweitert die KI ihre Fähigkeiten auf die Analyse von Veränderungen in Form und Verhalten des Schweißspritzers. Sie verknüpft Probleme im Zusammenhang mit Spritzern, Verschleiß und Abnutzung der Düse sowie Erosion der Kontaktspitze und Gasströmung. Produktionsstätten mit unterschiedlichen Erfahrungen in der Fertigung berichten über eine durchschnittliche Reduzierung der Reparaturzeiten um rund 40 %; zudem ist eine Akzeptanzrate von über 98 % für fehlerfreie Erstschweißungen mittlerweile die neue Norm.
Häufig gestellte Fragen
1. Welche sind die Hauptkomponenten eines Schweißrobotersystems?
Ein Schweißrobotersystem besteht aus drei Hauptkomponenten: Manipulator, Steuerung und Schweißstromquelle. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um automatisierte Schweißaufgaben mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit auszuführen.
2. Wie unterstützt Software Schweißrobotersysteme?
Software in Kombination mit Hardware steigert die Leistungsfähigkeit von Schweißrobotersystemen. Bessere Schweißergebnisse, kürzere Rüstzeiten sowie die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen können durch den Einsatz von Sehsystemen, Sensoren und Sicherheitsschnittstellen erreicht werden.
3. Welche Faktoren sind bei der Auswahl eines Roboterschweißsystems wichtig?
Zu berücksichtigende Faktoren bei der Auswahl eines Roboterschweißsystems sind die Art der Schweißverbindungen, die Dicke der zu verbindenden Werkstoffe, die Produktionslosgröße sowie die erforderliche Traglast, Reichweite und Wiederholgenauigkeit.
4. Welche Integrationsvorteile bieten Schweißroboter?
Die Integrationsvorteile von Schweißrobotern liegen in der Möglichkeit, die Zellanordnung, die Spannvorrichtungen und die SPS-Kommunikation zu konzipieren. Eine gute Integration führt zu kürzeren Rüstzeiten, einer gesteigerten Effizienz im Arbeitsablauf und einer termingerechten Erreichung der betrieblichen Ziele.
5. Wie lässt sich die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Schweißrobotern steigern?
Zuverlässigere und leistungsfähigere Schweißroboter lassen sich erreichen, wenn eine geplante Wartung mit der Feinabstimmung der Lichtbogenparameter kombiniert wird. Datenbasierte Verbesserungen – basierend auf der Analyse der Gesamtanlageneffektivität (OEE) und der Bewertung der Schweißnahtqualität – können zu einer kontinuierlichen Verbesserung führen.