Roboterprogrammierung – Automatisiertes Schweißen in kürzester Zeit

Fähige Roboterprogrammierer sind – ebenso wie fähige Handschweißer – sehr gefragte Mitarbeiter: Immer seltener sind sie am Arbeitsmarkt frei verfügbar. Die Zahl der automatisierten Fertigungssysteme steigt dabei stetig, Bauteile und Fertigungsprogramme werden immer komplexer. Verkettete oder vernetzte Fertigungsstraßen sind im Trend und tun ihr Übriges, um die Komplexität weiter zu steigern. Doch zum Glück entwickelt sich mit den Anlagen auch die Programmiertechnologie weiter.

Roboterprogrammierung – Stand der Technik

Üblicherweise werden derartige Fertigungssysteme heute mit dem „Teach-in“-Verfahren programmiert. Das bedeutet, dass der Programmierer jeden Punkt des Programms einzeln anfahren und positionieren muss. Anschließend wird der Punkt gespeichert und der Programmierer steuert den Roboter zum nächsten Punkt. Neben dem „Teach-In“-Verfahren etabliert sich zunehmend die Offline-Programmierung. Dabei wird das Programm nicht an der realen Roboteranlage erstellt, sondern am Computer. Die Software hat sowohl ein 3D-Modell der Anlage als auch der zu schweißenden Bauteile parat. Per Mausklick erzeugt der Programmierer die einzelnen anzusteuernden Punkte, wobei er unterschiedliche Funktionen nutzt, die es ihm erleichtern, effizient zu arbeiten.

Der Vorteil dieser Programmiermethode ist, dass sie parallel zur laufenden Produktion abläuft und nicht die Anlage für Nebentätigkeiten wie Programmieren oder Zugänglichkeitsuntersuchungen blockiert. Allerdings brauchen die Systeme in der Regel Nahtfindungs-Sensorik am Roboter, um die Abweichungen zwischen Realität und virtuellem Ideal, sprich, Bauteiltoleranzen, auszugleichen.

Beide Technologien sind in Sachen Qualität der erzeugten Programme stark von der Erfahrung und dem Know-how des jeweiligen Programmierers abhängig – das bedeutet: in der Praxis können identische Bauteile völlig unterschiedlich programmiert sein.

Der Markt ist reif für die mannlose Roboterprogrammierung

Der Markt ist reif für Systeme, die in Richtung mannloser Roboterprogrammierung voranschreiten, denn nicht nur die Abnehmer, sondern auch die Anbieter von automatisierten Schweißanlagen stehen dazu in den Startlöchern. Ein bereits verfügbares System ist Qirox RoboScan von Cloos.
Dabei kann der Bediener die Bauteile frei auf der Arbeitsplatte im Sichtbereich des Scanners platzieren. Er startet über das Touchpanel den Scanvorgang. Der Scankopf fährt an einer Linearachse über das Bauteil und erfasst alle sichtbaren Kanten und deren Position. Auch wenn das Bauteil mit einem Positionierer gedreht wird, werden die gescannten Nähte übernommen. So lassen sich alle Schweißnähte in der optimalen Position schweißen.

Nach dem Scanvorgang fährt der Scankopf wieder in die Ausgangsposition – in dieser Zeit erzeugt die Software ein 3D-Modell sowie das schweißfertige Programm. Unmittelbar nachdem der Scanner seine Position erreicht hat, setzt sich der Roboter in Bewegung, fährt den ersten Programmpunkt an und schweißt das Teil ab. Gegenüber den gängigen Teach-in- und Offline-Ansätzen geht das neue System damit einen Schritt weiter. Es macht sich unabhängig von CAD-Daten oder sonstigen Vorgaben. Auch muss der Bediener nicht zwangsläufig Einfluss auf das Programmierergebnis haben. Da das System das Programm vor jeder Schweißung neu scannt und das Programm jedes Mal neu erzeugt, werden Fertigungstoleranzen ohne zusätzlich Sensortechnik ausgeglichen.

Wie funktioniert die Roboterprogrammierung?

Da das System keinen Abgleich mit CAD-Daten oder anderen Vorgaben durchführt, muss es andere Algorithmen geben, nach denen der Roboter weiß, wie er das Programm erstellen muss. Sie behandeln im Wesentlichen Folgendes:

• Wo soll geschweißt werden?
• Wo soll nicht geschweißt werden?
• Mit welchem Parameter soll geschweißt werden?
• Wie soll geschweißt werden – Richtung, Brennerstellung, Hefter und so weiter?

Das System erkennt von Haus aus unterschiedliche Kombinationen von Geometriepaarungen. Jedoch muss „ihm“ noch beigebracht werden, was es tun soll, wenn es etwa den Stoß zweier Bleche mit bestimmten Abmessungen erkennt. Dazu muss der Bediener das System anlernen. Er lässt den Scanner ein Bauteil abscannen und das System schlägt ihm alle Positionen vor, an denen es grundsätzlich eine Naht schweißen würde. Der Bediener kann nun am Touch-Panel die Kanten auswählen, an denen das System wirklich schweißen soll. Der Bediener definiert den genauen Start- und Endpunkt sowie die Schweißparameter (Drahtvorschub, Feinabgleich und Geschwindigkeit). Zudem kann er die Brennerstellung und/oder den Abstand anpassen. Bei jeder Lernfahrt werden die Kombinationen in eine Datenbank geschrieben, sodass das System bei zukünftigen Anwendungen darauf zurückgreifen kann.

Wiederholungen vermeiden

Entwickelt wurde das System für Stückzahl-1-Anwendungen bei Stahl- oder Hallenbauern. Zum großen Teil fertigen diese Wiederholteile mit kleinen Abweichungen, in Größe und Form. Beispielsweise können die Anzahl und Größe von Versteifungsrippen differieren. Das System erkennt die Produktfamilie „Kopfstoß“ und passt das gelernte Programm mit den Schweißpositionen, den Parametern und gegebenenfalls der unterschiedlichen Anzahl der Streben automatisch an. Also müssen die Programmierer nicht ständig für minimal abweichende Teile neue, eigene Programme erzeugen. Sie haben Zeit für komplexere Aufgaben.

Eine weitere Anwendung ist der Schiffbau: Die Bauform von Deckplatten ist oft sehr ähnlich – meist werden Hollandprofile auf Grundplatten geschweißt. Nur Anzahl, Position und/oder die Größe der Profile differiert. Das System scannt die aufgesetzten Profile und passt das Grundprogramm entsprechend der wahren Situation an und wieder ist der Programmierer entlastet.

Auch Leiterstrukturen unterscheiden sich oft nur in gewissen Abmessungen, sie sind aber grundsätzlich identisch aufgebaut. Hier erkennt das System die Anzahl der Sprossen, die wahren Positionen und die Länge der Leiter und lädt aus einer entsprechenden Datenbank die passenden Parameter.

So könnte man noch viele Beispiele nennen, bei denen Produkte gleicher Art in unterschiedlicher Ausprägung geschweißt werden müssen. Insgesamt kann der Programmieraufwand durch den Einsatz der Roboterprogrammierung je nach Teilespektrum um bis zu 95 Prozent und der Fertigungsaufwand um bis zu 40 Prozent gesenkt werden.

Christian Paul ist Leiter Anwendungs- und verfahrenstechnische Entwicklung bei Carl Cloos.
Markus Rompf ist Anwendungstechniker bei Carl Cloos.

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