Roboterschweiß-Assistenzsysteme Geld sparen, weil der Schweißdraht zum Sensor wird!

Autor / Redakteur: Andreas Hummelbrunner / Peter Königsreuther

Vollkommen autonom und fehlerfrei schweißen? Ohne Spalte, Spanntoleranz-Generv und andere Problme? Fronius-Assistenzsysteme für das Roboterschweißen helfen dabei. Hier vier Beispiele...

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Fronius schafft es mit einem Assistenzsystem für das Roboterschweißen, dass der Draht zum Sensor wird! Die Drahtelektrode erkennt bei Blechen und Rohren die Kantenposition und -höhe.
Fronius schafft es mit einem Assistenzsystem für das Roboterschweißen, dass der Draht zum Sensor wird! Die Drahtelektrode erkennt bei Blechen und Rohren die Kantenposition und -höhe.
(Bild: Fronius)

Es gibt unterschiedliche Systeme, die das automatisierten Roboterschweißen unterstützen können. Vier davon, die Fronius anbieten kann, heißen Wiresense, Seamtracking, Touchsense, sowie dem Teachmode. Sie alle haben das Ziel, Taktzeitverluste zu vermeiden und eine zuverlässig hohe Nahtqualität sicherzustellen. Sensorik spielt dabei eine zentrale Rolle. Laser, Kameras oder auch taktile Sensoren sind die künstlichen Sinne, die dabei erkennen, ob das Bauteil an der richtigen Stelle liegt und ob es Spalte gibt. Auch kann festgelegt werden, wie das System darauf reagieren soll. Diese Extra-Hardware birgt außer den oft hohen Investitionskosten aber sowohl einen großen Aufwand bei der Montage als auch im laufenden Betrieb. Zwar steigern viele dieser Systeme die Nahtqualität, machen aber auch Taktzeitverluste unumgänglich. Und ihre Störkonturen schränken oft die Zugänglichkeit zum Bauteil ein.

Fronius hat sich darüber Gedanken gemacht, und bietet jetzt eine Alternative, die die Anforderungen erfüllen kann, aber einige Probleme nicht mit sich bringt. Das funktioniert so: durch die hochpräzise Steuerung des Schweißdrahts in Kombination mit der schnellen Datenübermittlung der TPS/i-Stromquelle ist es möglich, den Draht nicht nur einfach als Zusatzwerkstoff zu nutzen, sondern auch als Sensor.

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Die Drahtelektrode fungiert als Höhensensor

Das Ganze ist patentiert und heißt Wiresense-Technologie. Mit ihrer Hilfe kann der Roboter im Systemverbund mit dem Schweißgerät die Kantenposition sowie etwaige Spalte zwischen den Blechen erkennen. Dafür wird die Drahtelektrode quasi zum Höhensensor gemacht. Bei der Wiresense-„Suchfahrt“ begibt sich der Roboter zunächst auf die gewünschte Position. Der Schweißdraht, der mit niedriger Sensorspannung beaufschlagt wird, tastet mit reversierenden Drahtbewegungen im Bereich von Hundert Hertz das Bauteil ab. Wenn dabei der Draht das Bauteil berührt, entsteht ein ganz schwacher Kurzschluss, der durch das Abheben des Drahtes wieder unterbrochen wird.

Die TPS/i-Stromquelle kann die im Kurzschlussmoment entstandene Schweißdraht-Positionsänderung interpretieren und stellt das Ergebnis dem Roboter als Höhensignal bereit. In Kombination mit den Positionsdaten der Robotersteuerung und einem anfangs definierten Referenzpunkt, ermöglicht es Wiresense, dass jede Geometrieänderung am Bauteil genau registriert werden kann. Übrigens: würde man den Roboter mit Wiresense in endlos aneinander gereihten Bahnen über das Werkstück fahren lassen und dabei jeden Punkt erfassen, ließe sich theoretisch die komplette Bauteilkontur in 3D abbilden.

Die aber in der Schweißpraxis wichtigsten Anwendungen dieser Sensorik, sind Kanten- und die Höhendetektionen, wie sie zum Beispiel bei Überlappnähten wichtig sind. Im Vorfeld wird ein definierter Schwellwert, festgelegt, der etwas unter der Blechkantehöhe liegt. Erkennt die Stromquelle bei der Suchfahrt Werte, die über dem Schwellwert liegen, ist die Blechkante erkannt und die TPS/i gibt umgehend ein digitales Touch-Signal inklusive den ermittelten Höhenwert aus. So weiß der Roboter nicht nur, wo sich die Blechkante befindet sondern auch wie hoch diese ist.

Kantendetektion und Höhenmessung genauer betrachtet...

Kantendetektion: anhand des oben beschriebenen Zustandekommens des Signals kann die Robotersteuerung ihre aktuellen Positionsdaten speichern und im Abgleich mit Solldaten im weiteren Verlauf die Roboterbahn korrigieren. So werden Bauteilungenauigkeiten erkannt und können ausgeglichen werden. Der Roboter schweißt dann an genau der richtigen Stelle. Die Kantendetektion ist bereits ab einer Materialstärke von 0,5 mm und bis 20 mm Blechstärke möglich.

Höhenmessung: Weil mit dem digitalen Touch-Signal auch die exakt vermessene Blechkantenhöhe übermittelt wird, ist man mit Wiresense in der Lage, Spalte zwischen den Blechen zu errechnen. Wenn das im Vorfeld genau definiert wurde, wird für die unterschiedlichen Spaltmaße auf diverse, in der TPS/i hinterlegte Schweißprogramme – sogenannte Jobs – zurückgegriffen. Der Roboter kann damit adäquat reagieren und die Schweißung mit genau den Schweißparametern ausführen, die dem jeweiligen Spaltmaß ideal entsprechen.

Wiresense-Fazit...

Wiresense schafft also Abhilfe bei Toleranzschwankungen der zu verschweißenden Bauteile und bietet auch Toleranzen in der Spanntechnik paroli. Das Assistenzsystem stellt eine zuverlässige Nahtqualität sicher und reduziert die Nacharbeit sowie den Bauteilausschuss um bis zu 100 % – ohne zusätzliche Sensor-Hardware. Die einzige Voraussetzung ist, man muss das Fronius-Schweißsystem lediglich mit einem CMT-Ready-System ausstatten, damit die hochpräzise Kontrolle des Schweißdrahts funktioniert.

Rund 30 % flottere Roboterprogrammierung

Noch bevor die erste Schweißung gemacht werden kann, muss die Roboterbahn händisch programmiert werden – das nennt man bekanntlich Teachen. Dazu steuert ein Schweißer oder Programmierer den Roboter per Teach-Pendant, fährt so die Bauteilkonturen ab und speichert die entsprechenden Positionsdaten. Essenziell für eine hohe Schweißnahtqualität ist, dass über die ganze Schweißnaht ein konstanter Abstand zwischen Bauteil und Kontaktrohr eingehalten wird – der sogenannte Stickout. Aber keine Angst, auch bei diesem zeitintensiven, manuellen Vorgang können Assistenzsysteme helfen.

Denn die Funktion Teachmode verhindert durch eine reversierende (zurücksetzende) Drahtbewegung, dass beim Abfahren des Bauteils der Schweißdraht verbogen wird. Sobald der voreingestellte Stickout vom Roboter unterschritten wird, startet die reversierende Drahtbewegung. Gleichzeitig wird dem Anwender über ein optisch-akustisches Signal klar gemacht, dass er den Schweißbrenner vom Bauteil weg bewegen muss. Somit spart sich der Anwender das Abtrennen des sonst deformierten Drahts und das neuerliche Abmessen des Stickouts. Der Teach-Vorgang wird so um bis zu 30 % beschleunigt.

Kontinuierliche Nahtverfolgung beim Schweißen

Und das Fronius-Assistenzsystem Seamtracking ist insbesondere für die Fertigung von Schienen- oder Baufahrzeugen relevant. Denn wenn dicke Bleche oder lange Nähte geschweißt werden sollen, kann es wegen der beim Schweißen entstehenden Hitze zu einem Verzug oder einer schlechten Positionierung der Bauteile kommen. Damit der Roboter trotzdem an der richtigen Stelle schweißt, muss die Schweißposition zuverlässig während des Schweißvorgangs erkannt werden können. Und Seamtracking erlaubt das bei Kehlnähten und angearbeiteten Stumpfnähten – und das wieder einmal ohne zusätzliche Sensor-Hardware.

Damit das klappt, pendelt der Roboter während des Schweißens zwischen den beiden Blechen hin und her. Aus den gemessenen Istwerten der einzelnen Schweißparameter erkennt der Roboter die reale Schweißposition respektive Abweichungen davon. Automatisch wird die Vorprogrammierte Bahn entsprechend korrigiert und die Schweißung findet wieder zuverlässig in der korrekten Position statt.

Automatische Kehlnahtkontrolle

Um Bauteil- und Spanntoleranzen auszugleichen, kann der Roboter mithilfe der vierten, und was diesen Beitrag betrifft, letzten, Assistenzfunktion namens Touchsense die Position von Kehlnähten automatisch vor jeder Schweißung kontrollieren. Und das zu erreichen, berührt der Roboter mit der Drahtelektrode oder der Gasdüse, die dann wieder unter niedriger Sensorspannung stehen, die beiden Bleche – und zwar am definierten Beginn sowie am Ende der Schweißnaht. Durch die durch schwachen Kurzschlussstrom ausgelösten Signale kann auch für die Aufgabe der Kehlnahtkontrolle der perfekte Startpunkt festgelegt werden.

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