Schweißen Schweiß-Cobots für kleine Losgrößen

Autor / Redakteur: Johannes Stoll / M.A. Frauke Finus

Der hohe Automatisierungsbedarf beim Schweißen wird zunehmend durch Roboterlösungen abgedeckt. Allerdings ist der Einsatz von Schweißrobotern gerade in „High-Mix-Low-Volume“-Produktionen (HMLV) herausfordernd. Schweiß-Cobots eröffnen neue Chancen. Neu ist der Einsatz eines Laserliniensensors am Schweiß-Cobot: Er ermöglicht eine Bahnadaption während des Schweißens und macht den Programmiervorgang einfacher.

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Ein Laserliniensensor am Schweiß-Cobot macht die Programmierung einfacher und schneller.
Ein Laserliniensensor am Schweiß-Cobot macht die Programmierung einfacher und schneller.
(Bild: Fraunhofer-IPA/Rainer Bez)

Schweißarbeiten zählen zu den zweithäufigsten Aufgaben von Industrierobotern, wie Zahlen der „International Federation of Robotics“ für 2019 belegen. So führte in dem Jahr jeder fünfte verkaufte Roboter diese Tätigkeit aus. Allerdings zeichnen sich herkömmliche Schweißroboter vor allem durch eines aus: das schnelle, genaue Schweißen in standardisierten Prozessen von Großserien. Diese Art von Robotern rechnet sich oft noch nicht für die in vielen Branchen zunehmende personalisierte Produktion im Sinne des „High-Mix-Low-Volume“: Varianten steigen, Losgrößen sinken, sodass Aufwand und Kosten für die Programmierung, Einrichtung und das Nachteachen einer klassischen Automatisierungslösung oft nicht mehr im Verhältnis zum Nutzen stehen.

Hier bestechen kollaborative Roboter, sogenannte Cobots. Sie haben im Vergleich zu Industrierobotern geringere Investitionskosten, benötigen kaum feste Installationen oder Sicherheitsvorkehrungen und lassen sich immer mehr auch ohne umfangreiches Expertenwissen programmieren. Nicht zuletzt erhalten oder steigern sie die Produktionsfähigkeit, sodass Unternehmen auch in Zeiten des Mangels an zertifizierten Schweißern Lastspitzen ausgleichen können. Die Investition in einen Schweiß-Cobot rentiert sich daher erfahrungsgemäß schnell.

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Intuitive und praxisnahe Umsetzung

Allerdings gibt es noch immer ein Nadelöhr für den Einsatz von Schweiß-Cobots: Sie lassen sich zwar intuitiv bedienen und auch deutlich einfacher als klassische Industrieroboter programmieren, gleichwohl ist das Programmieren im Teach-in-Verfahren je nach Bauteil sehr mühsam. Die Alternative wäre eine klassische Offline-Programmierung. Hierfür sind allerdings hohe Lizenzkosten einzuplanen. Zudem muss jeder manuell erzeugte Punkt angefahren und ggf. korrigiert werden. Um Unternehmen hier eine passendere Lösung zu bieten, entwickeln die Schweißexperten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA eine neue Anwendung: Sie integrieren einen Laserliniensensor am Schweiß-Cobot, sodass die Teach-in-Verfahren schneller und intuitiver ablaufen können. Die Entwicklung erfolgt praxisorientiert zusammen mit der Lorch Schweißtechnik GmbH sowie der Haba Hähnle GmbH.

Der Sensor erkennt Kehlnähte in Echtzeit, wodurch der Schweißbrenner vollautomatisch und präzise auf die Schweißnaht ausgerichtet werden kann. Zusätzlich werden Bauteilabweichungen selbstständig ausgeglichen. Neu ist, dass der Sensor ebenso für die Programmierung nutzbar ist. Mit seiner Hilfe kann der Nutzer die Bahn mit den gewünschten Anstell- und Führungswinkeln des Schweißbrenners abfahren, wobei die Steuerung die Kehlnaht automatisch erkennt. Für eine möglichst einfache Bedienung hat das Fraunhofer-IPA eine kleine App entwickelt, ein sogenanntes UR Cap. Damit können die Funktionen des Schweiß-Cobots bequem vom bekannten Teach-Panel des UR 10e bedient werden. Durch die Programmierung als Baustein kann das Programmierverfahren in das bestehende Umfeld des Roboters integriert werden. Somit können Nutzer vorhandene Peripheriegeräte wie gewohnt ansteuern.

Kurvenbahnen präzise und automatisiert schweißen

Zu Beginn positioniert der Roboter den Schweißbrenner. Das bedeutet, die Drahtspitze wird exakt auf die Schnittkurve der erkannten Flächen ausgerichtet. Zuvor hat der Nutzer bereits den Schweißbrennerwinkel zwischen den Bauteilen und den Winkel entlang der Bahn festgelegt. Da der Sensor mittlerweile auch das Schweißnahtende erkennen kann, muss die Schweißnahtlänge nicht mehr angegeben werden. Der Schweißwinkel lässt sich einerseits entlang der Schweißnaht einstellen, also ob schleppend oder stechend geschweißt werden soll. Andererseits kann auch die Ausrichtung des Brenners so gewählt werden, dass primär auf eines der beiden zu verschweißenden Bauteile gezielt wird. Dies ermöglicht insbesondere bei unterschiedlichen Blechdicken eine gezielte Wärmeeinleitung und damit eine optimale Qualität der Naht.

Der Roboter folgt der Kehlnaht, bis er das Endkriterium erreicht bzw. das Nahtende erkennt. Interessant ist, dass auch Kurvenbahnen oder Anpassungen an Bauteile mit Abweichungen möglich sind. Die IPA-Experten haben die Technologie auch bezüglich sogenannter Spline-Geometrien erweitert. Nun können auch bei Freiform-Geometrien wie Lüfterschaufeln die Brennerwinkel nachgeführt werden. Diese Nahtgeometrien konnten mit bisherigen Verfahren nicht programmiert werden.

Das UR Cap kann mit geringem Änderungsaufwand schnell in bestehende Programme integriert werden. Dadurch kann der Cobot auch Bauteile mit Abweichungen autonom und in hoher Schweißqualität bearbeiten. Die Funktionen und Softwarepakete laufen dabei im Hintergrund auf dem frei verfügbaren Robot Operating System (ROS). Mit einem vordefinierten Programm können außerdem einzelne Nähte beliebiger Bauteile innerhalb weniger Sekunden programmiert werden. Dies bedeutet für Unternehmen eine starke Effizienzsteigerung. So könnte es beispielsweise möglich werden, dass Roboter vermehrt zum Ausschweißen von Baugruppen eingesetzt werden und sich der Schweißexperte eher mit dem Heften von Baugruppen und der Programmierung des Cobots befasst.

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