Grundlagenwissen Schweißroboter - Grundlagen, Programmierung, Einsatzbereiche und mehr

Schweißroboter sind aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Wo sie eingesetzt werden, was für Arten es gibt und vieles mehr erfahren Sie in diesem Beitrag!

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Was sind Schweißroboter?

Schweißroboter sind eine Kombination aus Industrieroboter und Schweißgerät. Sie dienen zum wiederholgenauen durchführen von Schweißfügungen in gleich bleibender Qualität. Schweißroboter haben sich vor allem in der Automobilindustrie bewährt. Sie werden dort vorwiegend zum Roboterschweißen von Karosserien eingesetzt. Ein anderes Einsatzgebiet für das Roboterschweißen sind gefährliche oder für Menschen unzugängliche Umgebungen. Schweißroboter sind daher in radioaktiven Umgebungen oder in der Tiefsee die einzige Möglichkeit zum Herstellen von Schweißverbindungen.

Schweißroboter Entstehung und Geschichte

Der Ursprung der Schweißroboter geht auf die Kerntechnik zurück. Das Hantieren mit den radioaktiven Substanzen war zu gefährlich, um sie von einem Menschen durchführen zu lassen. Rein mechanische, mit Seilzügen und Winden ausgestatte Lösungen waren für diesen Zweck zu ungenau. Der für diese Anwendungen im Jahr 1951 entwickelte "Teleoperator-Arm" gilt deshalb als Vorläufer aller Industrieautomaten, einschließlich der Schweißroboter. Das Potential dieses Systems wurde schnell erkannt. Bereits 1956 wurde mit "Unimation" die erste Firma gegründet, die sich nur mit der Entwicklung der industriell einsetzbaren Manipulatoren beschäftigt hat. Sie waren es auch, welche die ersten Roboter mit numerischer Steuerung und nicht mit Endschaltern und Kurvenschiebern programmieren konnte. Schon diese ersten Modelle waren theoretisch in der Lage, Widerstands-Punktschweißen auszuführen.

Ihren Durchbruch in Deutschland hatten die Industrieroboter mit dem "Famulus" von Kuka. Dieses im Jahr 1974 vorgestellte und bei Mercedes-Benz eingeführte Gerät, verfügte über sechs angetriebene Achsen. Dies war nur mit dem Betrieb über elektrische Servomotoren möglich. Bis dahin waren hydraulische, pneumatische und elektromechanische Systeme konkurrierend in der Robotertechnik. Mit dem Famulus war die weitere Entwicklung in der Robotertechnik vorprogrammiert.

Die hohe kinematische Flexibilität des Famulus machte ihn als Einsatz für Punktschweißgeräte ideal. Mit Schweißzangen ausgerüstet, konnte schon dieser Urvater aller Industrieroboter praktisch jeden Punkt in einer Karosserie erreichen und dort wiederholgenau und in gleich bleibender Qualität seine Fügepunkte einbringen. Seither ist er in der seriellen Schweißfügetechnik nicht mehr weg zu denken.

Schweißroboter in der Produktion - Einsatzgebiete für das Roboterschweißen

Der größte Teil der Schweißroboter wird nach wie vor für das Widerstands-Punktschweißen verwendet. Das Widerstands-Punktschweißen hat gegenüber den Draht-Schweißverfahren viele Vorteile:

• Kein Inertgas erforderlich

• Kein Füll- oder Schweißdraht erforderlich

• Einfache Bedienung und Justage

• Geringer Verschleiß

Beim Widerstands-Punktschweißen wird ein normaler Industrieroboter mit einer Schweißzange kombiniert. Diese Zange presst an den definierten Stellen zwei Bleche aufeinander. Durch einen kurzen Stromstoß werden die Bleche punktförmig aufgeschmolzen und miteinander verfügt. Nach dem Zusammenschweißen öffnet sich die Zange wieder und wandert zum nächsten Schweißpunkt. Mit diesem Verfahren sind, wie sein Name schon sagt, nur punktförmige Schweißfügungen möglich. Durch das Setzen von vielen Punkten nebeneinander kann aber einer Nahtschweißung nahe gekommen werden.

Das Punktschweißen ist für die Montage von Karosserien gut verwendbar. Es lässt sich aber ebenso für das Vorbereiten von Bauteilen verwenden, bei denen das Setzen von Schweißnähten erforderlich ist. Dies ist beispielsweise bei Dickblechen unumgänglich. Diesen Vorgang nennt man "Heften". Es hält die Bauteile des fertigen Produkts fest in ihrer Position, so dass sie während dem Setzen der Schweißnähte nicht mehr verrutschen können.

Für das Nahtschweißen sind ebenfalls Schweißroboter im Einsatz. Sie sind menschlichen Arbeitskräften in mehrfacher Hinsicht überlegen:

• Wiederholgenaues Arbeiten über viele Stunden

• Keine Gefahr von typischen "Schweißerkrankheiten" (z.B. verblitzte Augen)

• Arbeiten an beliebigen Stellen (z.B. Unter Wasser)

Allerdings eignet sich ein Schweißroboter nur dann, wenn hohe Produkte mit Auflagen seriell geschweißt werden müssen. Für Einzelstücke, Modelle oder Prototypen und vor allem für das Reparaturschweißen sind Schweiß-Facharbeiter immer noch die bessere Wahl.

Für das Nahtschweißen sind für das Roboterschweißen die gleichen Voraussetzungen erforderlich, wie für das manuelle Schweißen:

• Kontinuierliche Versorgung mit Fülldraht

• Kontinuierliche Versorgung mit Inert-Gas

• Absaugung

• Schutzeinhausung

In diesem Punkt unterscheiden sich manuelles und Roboterschweißen nicht. Die Schweißverfahren bleiben die Gleichen, unabhängig davon ob es sich um manuelles oder Roboterschweißen handelt. Die Absaugung von Rauchgasen ist immer verpflichtend. Außerdem wird damit eine Beschädigung umliegender Komponenten durch die Ablagerungen verhindert. Einen Schweißroboter mit einer Schutzeinhausung auszustatten ist nicht nur zum Schutz der Mitarbeiter sinnvoll. Auch Kameras, Fotozellen und Sensoren können durch den grellen Lichtbogen und umher fliegende Funken beschädigt werden. Diese werden durch die typischen Schutzvorhänge für Schweißarbeiten wirkungsvoll geschützt.

Aufgaben und Anwendungsbereiche

Schweißroboter sind für zwei Einsatzgebiete ideal:

• Produktion von geschweißten Serienprodukten in hoher Stückzahl

• Schweißen an schlecht zugänglichen Stellen

Beim Schweißen von Serienprodukten liegt die größte Herausforderung darin, sämtliche Parameter exakt gleich zu halten. Dies betrifft:

• Blechdicke der zu verschweißenden Komponenten

• Belüftung

• Versorgung mit Verbrauchsmaterialien

• Stromstärke

• Vorschub vom Fülldraht

• Position der Schweißstellen

• Geschwindigkeit der Produktion

• Besondere Bedingungen am Einsatzort

Vor allem beim Widerstandsschweißen haben Schwankungen bei diesen Parametern häufig gravierende Folgen: Ist die Blechdicke nicht konstant, wird entweder die Schweißverbindung unzureichend oder der Roboter brennt ein Loch hinein. Ein unerwünschter Luftstrom kann ebenfalls für ein Verbrennen der Schweißstelle sorgen. Solche Fehler treten beispielsweise dann auf, wenn sich in der Nähe des Schweißroboters ein Pneumatikschlauch gelöst hat. Beim Nahtschweißen muss die ununterbrochene Versorgung vom Schweißroboter mit Schweißdraht und Inertgas gewährleistet sein. Eine schwankende Stromstärke hat den gleichen Effekt, wie eine schwankende Blechdicke: Die Schweißstelle hat bei zu schwachem Strom eine unzureichende Festigkeit oder brennt bei zu starkem Strom durch. Die Schweißstellen müssen sich stets an exakt den gleiche Stellen befinden, sonst setzt der Schweißroboter die Naht oder den Punkt daneben. Die Geschwindigkeit muss exakt eingehalten werden, sonst kollidieren der Schweißroboter und das Produkt.

Diese Grundgrößen betreffen aber nur die allgemeine Serienfertigung. Der Schweißroboter selbst benötigt ebenfalls eine permanente Justage und Überwachung. So komfortabel und effizient eine automatisierte Serienproduktion auch ist, ohne gewissenhaftes Qualitätsmanagement kann sie schnell aus dem Ruder laufen und nur noch Schrott produzieren.

Schweißroboter programmieren

Industrieroboter können auf drei Arten für das Roboterschweißen programmiert werden:

• Online-Programmierung

• Offline-Programmierung

• Kombinationsverfahren aus Online- und Offline-Programmierung

Online-Programmierung

Das Online-Programmieren für das Roboterschweißen bedeutet, dass der Roboter vor Ort angelernt wird. Der Programmierer führt den Roboterkopf an bestimmte Punkte und weist ihn damit an, was er wo zu tun hat. Dabei wird zwischen dem Teach-In und dem Playback-Verfahren unterschieden.

Das Teach-In-Verfahren ist beim Roboterschweißen das klassische Punkt-für-Punkt programmieren eines Automaten. Es eignet sich gut für Schweißroboter. Allerdings muss man hier wiederum zwischen zwei Programmierarten unterscheiden:

• P2P

• CP

Beim P2P, also Punkt-für-Punkt Verfahren, werden den Schweißrobotern nur die Punkte gezeigt, die sie anfahren sollen. Sie wählen dafür automatisch stets den kürzesten Weg. Dieses Verfahren ermöglicht ein besonders schnelles Roboterschweißen. Es setzt aber voraus, dass der Schweißroboter über jeden gewählten Verfahrweg auch die notwendige Bewegungsfreiheit besitzt. Läuft der Schweißroboter Gefahr, mit dem Bauteil zu kollidieren, ist P2P nicht sinnvoll einsetzbar.

Hierfür eignet sich das CP Verfahren. "CP" steht für "Continuous Path". Dabei werden dem Schweißroboter nicht nur die Punkte gezeigt, die er anzufahren hat. Auch die Bahnen zwischen den Punkten werden ihm damit eingegeben. Das CP Verfahren verlangsamt das Roboterschweißen erheblich, dafür ist es präziser. Bei gleich bleibenden Parametern sind Störungen und Kollisionen ausgeschlossen. Die restliche Produktion muss sich aber auf die langsamere Taktung einstellen.

Das Playback-Verfahren ist für Schweißroboter ungeeignet. Es beschränkt sich nur auf die zu verfahrenden Bahnen. Das Playback-Verfahren wird für Lackierroboter eingesetzt. Diese fahren keine definierten Punkte an, sondern führen schwingende und wedelnde Bewegungen durch. Das ist ein grundsätzlich anderer Ansatz, als die präzise anfahrenden Schweißroboterhaben.

Die Teach-In-Verfahren sind sehr einfach und können auch von angelerntem Personal durchgeführt werden. Sie sind besonders vorteilhaft, wenn häufige Serienwechsel beim Roboterschweißen durchzuführen sind. Wie bei allen Produktionsverfahren ist es auch beim Teach-In programmierten Schweißroboter erforderlich, dass die Parameter gleich bleiben. Jedoch kann das Teach-In Verfahren schneller und flexibler auf Änderungen der Parameter reagieren. Sollte sich beispielsweise bei einer Charge herausstellen, dass der Zulieferer die Punkte für eine Schweißstelle falsch vorbereitet hat, kann durch eine schnelle Anpassung der Schweißroboter durch das Teach-In-Verfahren nachjustiert werden.

Offline-Programmierung

Offline Programmierung ist das Einstellen eines Schweißroboters vom Bildschirm aus. Dieses Verfahren ist äußerst präzise. Außerdem hat es den Vorteil, dass es unabhängig vom Roboterbetrieb durchgeführt werden kann. Der Schweißroboter kann also weiter arbeiten, während das nächste Programm für ihn geschrieben wird. Der Nachteil bei der Offline Programmierung ist, dass stets ein qualifizierter IT-Sachverständiger mit der Umprogrammierung vom Schweißroboter beauftragt werden muss. Besonders erschwerend kommt hinzu, dass jeder Hersteller von Industrierobotern seine eigene Programmiersprache verwendet. Es gibt hierzu Projekte vom Fraunhofer Institut, um eine Hersteller übergreifende Programmierung von Robotern zu entwickeln. Diese haben sich bislang aber noch nicht durchsetzen können. Insgesamt ist aber zu erwarten, dass es in Kürze Standardisierungen in der Programmierung von Industrierobotern geben wird.

Ein weiteres Offline-Verfahren ist die CAD-gestützte Programmierung von Industrierobotern. Hierbei wird das Werkstück als 3D-Grafik modelliert und die Bewegung vom Schweißroboter entsprechend ausgerichtet. Jedoch muss hierbei auch die gesamte Umgebung vom Schweißroboter berücksichtigt werden. Sonst sind Kollisionen oder andere Fehlfunktionen unvermeidbar.

Die CAD-gestützten Programmierverfahren für den Schweißroboter sind jedoch für Schüler und Studenten sehr interessant. Mit ihnen lassen sich - wie bei den entsprechenden Programmen der CNC-Fräsen oder Drehmaschinen auch - Simulationen abfahren. Mit diesen Simulationen kann der Schüler in Echtzeit sehen, wie erfolgreich und zielführend seine Programmierung war, ohne dass dafür ein echter Schweißroboter zum Einsatz kommen muss. Diese Simulation ist mit dem Teach-In-Onlineverfahren zur Programmierung vom Schweißroboter nicht möglich. Wenn beim Testlauf der Roboter mit dem Bauteil kollidiert, hat das meist Beschädigungen und Kosten zur Folge. Mit den Simulationen werden diese Kosten eingespart.

Anleitung und Tipps für das Roboterschweißen

Für Neulinge beim Roboterschweißen eignet sich das handgeführte Teach-In-Verfahren am besten. Hierbei bekommt der Ausführende auch einen sehr guten Einblick in die gesamte Funktionsweise der Einheit. Als Schweißroboter sollte hier ein herkömmlicher Zangen-Elektroschweißroboter verwendet werden. Dieser ist am einfachsten zu programmieren und einzustellen. Wenn die ersten Ergebnisse zufriedenstellend verlaufen, kann mit dem Programmieren von einem WIG-, MIG- oder MAG-Schweißroboter fortgefahren werden.

Möglichkeiten für den Schweißroboter

Der Schweißroboter eignet sich nicht nur für das Bearbeiten von Großserien. Ein Schweißroboter ist bei sehr anspruchsvollen Umgebungen meist die einzige Möglichkeit. Innenschweißen von Verrohrungen und Pipelines, Schweißen in der Tiefsee oder im Weltraum ist ohne die Unterstützung durch einen Schweißroboter praktisch unmöglich. Häufig wird hierbei aber kein automatisiertes Roboterschweißen, sondern eine einfache Fernsteuerung eingesetzt. Das dazu erforderliche Equipment ist sehr teuer und anspruchsvoll. Vor allem die Kamera, welche sowohl bei normalem Umgebungslicht als auch beim blenden heißen Schweißlicht gleichbleibend gute Bilder liefert, ist technisch eine sehr große Herausforderung für das ferngesteuerte Roboterschweißen.

Vorteile für ein Unternehmen durch Schweißroboter

Wir haben gezeigt, dass das Thema "Roboterschweißen" sehr weit ist. Bei vielen Einsätzen ist ein Schweißroboter unverzichtbar. Bei anderen kann er die Effizienz und die Qualität erheblich steigern und auf einem gleich bleibend hohen Niveau halten. Zusammen gefasst hat ein Unternehmen durch das Roboterschweißen folgende Vorteile:

• Entlastung von Schweißfachkräften

• Gleich bleibende Qualität von Serienprodukten

• Schweißen an schlecht zugänglichen Stellen oder in gefährlichen Umgebungen

Wann welches Verfahren beim Roboterschweißen eingesetzt wird, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab.

Natürlich geht ein verstärkter Einsatz von Schweißrobotern immer mit einem geringeren Bedarf an Schweißfachkräften einher. Hier muss aber gesagt werden: Einen arbeitslosen Schweißer, der über Erfahrung und Qualifikation verfügt, gibt es einfach nicht. Der Bedarf an Schweißfachkräften, die für Einzelprojekte, Reparaturen oder Anpassungen benötigt werden, ist nach wie vor enorm hoch. Das übliche Argument, dass die Automatisierung Arbeitsplätze vernichtet verfängt beim Roboterschweißen nicht wirklich.

Man sollte vor allem auf die positiven Aspekte der Automatisierung in diesem Bereich schauen. Schweißen ist eine körperlich sehr anstrengende Arbeit, die hohe Konzentration erfordert und zudem die Gesundheit stark belastet. Trotz moderner Absaugtechniken, Atemfilter und zahlreicher anderer Maßnahmen ist der Krankenstand bei Schweißern immer noch extrem hoch. Das gilt vor allem für die Schweißfachkräfte, die im Serienbetrieb eingesetzt werden: Wenn ununterbrochen, unter Zeitdruck und mit strengen Qualitätsvorgaben geschweißt werden muss, ist das nur begrenzt lange auszuhalten. Das Schweißen verzeiht leider auch kleine Fehler nicht. Das Produzieren von Schrott und Nacharbeit ist bei Serienproduktionen, die noch auf manuelle Schweißverfahren setzen, besonders hoch.

Perfekt eingestellt, ist mit Hilfe vom Roboterschweißen aber auch eine große Serie in gleich bleibender Qualität gut beherrschbar. Das stärkt den Standort und macht die verbliebenen Arbeitsplätze umso sicherer.

Schließlich ist der Schweißroboter in gefährlichen Umgebungen praktisch ohne Alternative. In Reaktorgebäuden von Kernkraftwerken oder in der Tiefsee ist ohne einen ferngesteuerten Schweißroboter keine Schweißverbindung herstellbar. Insgesamt liegen im Bereich des ferngesteuerten Schweißens noch viele Möglichkeiten. Vor allem die gesundheitsgefährdenden Aspekte können so für die Schweißfachkräfte stark reduziert werden. Entsprechende Ansätze gibt es bereits. Sie haben sich aber noch nicht in serienfertigen Produkten etabliert. Jedoch sind im Zuge der Industrie 4.0 Industrieroboter im allgemeinen essentiell, um Konkurrenzfähig zu bleiben.

Nachteile der Schweißroboter

Das Roboterschweißen ist kein Allheilmittel für die Steigerung einer Produktion. Die Auswahl der geeigneten Schweißroboter, die eingesetzten Schweißverfahren und die dazu erforderlichen Maßnahmen kann eine hohe Investition bedeuten. Ein großes Problem beim Roboterschweißen ist heute, dass sich die Anforderungen stark verändern. Das gilt besonders für die Automobilindustrie: Wo früher Karosserien aus Blech zusammen gepunktet wurden, da ist heute ein Materialmix zunehmend Standard. Hieran ist vor allem der Umbruch zur Elektromobilität als Ursache zu nennen: Die Autos müssen leichter werden. Das geht nur, indem Stahlblech durch Aluminium, Kunststoff und Kompositwerkstoffe ersetzt wird. Wo früher der Schweißroboter für das Fügen verwendet werden konnte, da stehen heute genietete, geklebte oder geclinchte Verbindungen im Pflichtenheft. Die Zukunft gehört daher vor allem den Schweißrobotern, die mehrere Fügeverfahren beherrschen.

Hersteller von Schweißrobotern

• Yaskawa

• Cloos Schweißtechnik

• Valk Welding

• KUKA

• ABB

• MIGATRONIC

• PANASONIC

• IGM

• AIR LIQUIDE/OERLIKON

• Kawasaki

• TRUMPF

• OTC DAIHEN

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