Schweißroboter

Rationalisierungspotenziale modularer Standardschweißzellen

Rationalisieren heißt Abläufe gezielt und zweckmäßig zu verbessern, so dass sie produktiver, sicherer und effizienter werden. Geht es dabei um marktwirtschaftlichen Handel mit Maschinen und Anlagen, ist immer öfter von Win-Win-Situationen die Rede: Anbieter wie Kunde profitieren gleichermaßen – und stärken damit zusätzlich zur Marktbeziehung den gesamtgesellschaftlichen Zusammenhalt. Beispielhaft trifft das für den Kunden einer Standardschweißzelle von ABB sowie deren Marktpartner zu. Die Schweißzellen setzen neue Standards mit ihrer kompakten, flächensparenden Baugröße, der „Plug & Produce“-Realität sowie der modularen nachträglichen Umrüstbarkeit. Sie sind für kleine bis mittelgroße Bauteile der Automobilzuliefer- und übrigen Industrie ausgelegt. Zu den typischen Werkstücken zählen Fahrzeugsitzkomponenten, Achs- und Fahrwerksteile sowie Instrumententräger, des Weiteren Bauteile wie Lüfterräder oder Fahrzeugdämpfer. Gerade für die Produktion solcher Komponenten spielen die Produktivität und Verfügbarkeit der Produktionsmittel eine wesentliche Rolle.

Bild 1: IRBP C: Zweistationen-Positionierer, waagerechte Drehachse

Rationalisieren von Anfang an

Ganzheitlich rationelles Denken fördert erfolgreiches Rationalisieren. Das heißt, von den Ursprüngen der Wertschöpfungsketten her soll der Rationalisierungsgedanke die Konzeption der ineinander greifenden Prozesse durchdringen. Einbezogen ist die Leitidee der zu erstrebenden Win-Win-Situation: Den Kunden überzeugen Wirtschaftlichkeit, technische Qualität, zielgerichtete Auswahl der gewünschten Funktionen, geringer Planungs- und Projektleitungsaufwand. Pluspunkte beim Kunden bringen außerdem universelle Einsetzbarkeit, gute Integrierbarkeit in Produktionsprozesse, Erweiterbarkeit für Folgeprozesse, flexible innerbetriebliche Transport- und Applikationsmöglichkeiten, kurze Liefer- und Inbetriebnahmezeiten und schließlich gestaltbare Lieferungen: Der Leistungsumfang in Modulen ist dem konkreten Bedarf anpassbar. Und auf Seiten der Hersteller stehen die Nutzwerte der definierten reproduzierbaren Organisations- wie Fertigungsabläufe, rationelle Modul- sowie Ersatzteilherstellung, hohe Stückzahlen, vereinfachter Service und nicht zuletzt zufriedene Kunden.

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Für das Rationalisierungsbeispiel Schweißzelle gilt ähnlich wie für vergleichbare Automationsprojekte: Einmallösungen rentieren sich nur dann, wenn langfristig angelegte Produktionslinien größerer Serien zu entwickeln und zu erproben sind. In den übrigen Anwendungsfällen jedoch erfüllen sie die genannten Kriterien nur ungenügend. Denn Einmallösungenverlangen häufig technische wie wirtschaftliche Kompromisse, sobald Bedingungen, Parameter oder andere Kennziffern sich ändern bzw. abweichen. Modulare Konzepte hingegen sind von vornherein auf vielfältige Möglichkeiten und bedarfsgerecht optimierbare Lösungen zugeschnitten. Für das modulare auf nachhaltige Erfolge ausgelegte Konzept der Standardschweißzellen bietet ABB zukunftsweisende Lösungen. Sie basieren sowohl auf Innovationen als auch auf den eigenen Praxiserfahrungen wie denen externer Anwender. Die Experten von ABB unterstützen den Anwender bereits ab der Planungsphase bei der Wahl seiner „Bausteine“ zum Beispiel für die Grundfunktionen, zeigen die Alternativen auf, machen unterschiedliche Angebote transparent und unterstützen vor der Realisierung der Schweißzelle beim Entwurf des optimalen Layouts.

Die modulare Schweißzelle: Details und Variabilität

Die folgenden Ausführungen beschreiben das Konzept und die Struktur der Standardschweißzellen und Module. Das umfassende praxisorientierte Modul-Programm enthält neben den gängigen Grundausstattungen auch die Software, Sicherheitstechnik und Peripherie. Dennoch sind optional individuelle Abwicklungen oder Ergänzungen möglich. Sie können beispielsweise das Ergebnis der von den ABB Experten durchgeführten Machbarkeitsanalysen sein.

Der mobile einteiligeGrundrahmen ist für alle Zellen gleich, jedoch um den vorderen Eintrittsbereich erweiterbar. Seine Abmessungen haben die Konstrukteure so gewählt, dass er die Voraussetzungen sowohl für den Transport per LKW zum Kunden als auch innerbetrieblich per Gabelstapler erfüllt. Standardisierte Zellenwände und Decken aus Stahlblech nehmen die Leitungen für die Medien sowie die Kabelkanäle auf. Zum Einlegen der Werkstücke kann der Anwender zwischen einem Rolltor oder einem mit Lichtschranken gesicherten Zutritt wählen. Seitlich an den Zellenaußenwänden tritt je eine „Pausbacke“ hervor. Diese – von innen gesehen – Aussparung erweitert den Innenraum in Höhe der waagerechten Positionierachse. Dies realisiert den gewünschten Drehkreis für Bauteile bis 2 m Breite und die Transportfähigkeit der Zelle mit einem LKW.

Steifigkeit, Präzision, Schnelligkeit, hohe Beschleunigung und kurze Bremszeiten kennzeichnen die Schweißroboter. Diese Bedingungen gepaart mit herausragender Zuverlässigkeit erfüllen beim Schweißen die Roboter der Reihen IRB 1600 und IRB 2600. Die exakte Bahntreue sowie kürzeste Zykluszeiten gewährleisten die patentierten Softwarefunktionen TrueMove und QuickMove. Je nach Reichweite von maximal 1.450 mm beim IRB 1600 und 1.850 mm beim IRB 2600 betragen die Handhabungskapazitäten bis zu 10 bzw. 20 kg. Beide Roboter stehen auch in der Ausführung Integrated Dressing (ID) zur Verfügung. Die Führung des Schlauchpaketes im Oberarm reduziert die Störkonturen, die Schwingungen und den Verschleiß der Komponenten. Sie verkürzt die Zykluszeiten weiter und verlängert die Lebensdauer. Dank der geringen Störkontur vergrößert sich der Arbeitsbereich der Roboter. Dies ergibt beim Schweißen von Werkstücken auf Vorrichtungen mit komplexer Geometrie entscheidende Vorteile. Außerdem ist das Risiko von Kollisionen mit Vorrichtungen oder Werkstücken minimiert. Die Handhabungskapazität ist auf die Schweißbrenner abgestimmt und beträgt bei 1.500 mm Reichweite 4 kg bzw. bei 2.000 mm 8 kg.

Aus der neuen Generation der Werkstückpositionierer sind drei in je zwei Varianten auf die Standardschweißzellen abgestimmt. Sie decken das Spektrum der hier auftretenden Aufgaben ab. Ihre maximalen Nutzlasten betragen 1.000 kg. Damit steigt die Produktivität und Effizienz. Die zwei Wechselstationen der Positionierer bilden wahlweise die Arbeits- oder Rüststation. So ist ein taktzeitneutrales Bestücken und Entnehmen des Bauteiles gewährleistet. Die Wiederholgenauigkeit beim schnellen Stationswechsel beträgt bemerkenswerte lediglich ±0,05 mm. Alle neuen Positionierer profitieren – so wie die Roboter – von der einzigartigen Bewegungssteuerung TruMove und QuickMove (siehe Diagramm). Die Positionierer sind ebenfalls modular konzipiert: Motor, Getriebe und Antrieb stehen in verschiedenen sinnvoll kombinierbaren Leistungsgrößen zur Verfügung.

Die Kombination ergänzt dann die nach der Aufgabe wählbare Vorrichtung. Drei Beispiele demonstrieren dies:

Ein feststehender Zweistationen-Positionier IRBP C ist für alle Schweißarbeiten sinnvoll, bei denen das Werkstück während des Schweißens eine fixe Position beibehalten soll. DieNutzlasten sind zwischen 500 und 1.000 kg wählbar.

Ein senkrecht rotierenden Zweistationen-Positionierer IRBP B kann dasWerkstück auch während der Schweißungen um die senkrechte Achse drehen (Bild 1). Die Robotersteuerung koordiniert mit den Robotern. Die Nutzlasten können 500 oder 750 kg betragen.

Ein waagerecht rotierenderZweistationen-Positionierer IRBP R dreht das Werkstück auch während der Schweißungen um die Längsachse (Bild 2). Die neue Generation gewährleistet das Schweißen von Bauteilen mit hohen Lastdifferenzen zwischen den Stationsseiten. Die Wiederholgenauigkeit beim schnellen Stationswechsel beträgt ±0,05 mm. Versionen mit 300, 600 und 1.000 kg Nutzlast stehen zur Verfügung.

Sicherheit, Schnittstellen und Peripherie

Ausschlaggebend für den betrieblichen Erfolg einer automatisierten Schweißlösung ist die Software. Weil die Schweißaufgabe und die Anforderungen häufig sowohl hoch komplex als auch unterschiedlich sein können, bietet ABB differenzierte, aufeinander und auf die Hardware abgestimmte Softwaremodule. Sie arbeiten alle zusammen mit der hoch flexiblen Steuerung IRC5 inklusive RobotWare. Mit ihr kann der Anwender kürzeste Zykluszeiten realisieren.

Die Zellenablaufsteuerung zum Öffnen und Schließen der Rolltore und das Ansteuern der Vorrichtungsspanntechnik übernimmt eine SPS, die mit der IRC5 verknüpft ist.

Schnittstellen zur Kommunikation mit den gängigen automatisierbaren Schweißsystemen der führenden Hersteller bietet die IRC5. So kann der Anwender nach seinen Erfahrungen und Präferenzen das bevorzugte Schweißsystem wählen. Auch hier stehen die ABB-Experten mit ihrem Praxis-Knowhow beratend zur Seite. Je nach Schweißsystem bzw. -hersteller lassen sich auch Funktionen wie SpeedWeldPac integrieren. Sie erreicht eine konstante Streckenenergie während der gesamten Schweißnaht.
Trotz heute weitgehend spritzerarmer Schweißprozesse besteht der Bedarf an Brennerreinigungsgeräten und Vorrichtungen zum Messen und Ablängen der Schweißdrähte. Diese Peripherie kann sowohl die Qualität der Schweißergebnisse als auch die Produktivität bzw. Wirtschaftlichkeit der gesamten Schweißzelle nachhaltig beeinflussen.

Durchgängige Steuerung: Schlüsselsoftware

Die Simulations- und Offline-Programmier-Software RobotStudio begleitet den Anwender durchgängig vom Engineering bis zum Fertigungsprozess. Es ist das einzige Produkt dieser Art auf dem Markt. Mit ihm programmiert der Anwender offline am PC, auch bereits zur Planung wie zur Produktion. Beispiele sind Zugänglichkeits- und Taktzeituntersuchungen, Vorrichtungsoptimierung, virtuelle Bauteilprogrammierung mit 1:1-Übertrag in die reale Zelle. RobotStudio stellt alle Standardzellen virtuell auf dem PC dar und ermöglicht deren Simulation bis hin zur Schulung. Zu weiteren Funktionen zählen CAD-Schnittstellen zum Einlesen von Daten der Bauteile und Vorrichtungen, zum Prüfen von Zugänglichkeit und Kollision. Zum Erleichtern der Programmierarbeiten kann der Anwender die Software ArcWelding PowerPac nutzen.

RobotStudio simuliert und visualisiert z.B. die Positionen des Brenners am Werkstück in Form von „Brennerwolken“ (Bild 3). So kann der Anwender vor dem Herstellen einer Vorrichtung in „Stahl und Eisen“ sicherstellen, dass später in der Realität keine Zwangslagen durch Vorrichtungsaufbauten entstehen. Zudem kann er Vorrichtungsentwürfe anhand dieser Analysemethode kontinuierlich auf die Eignung für die jeweilige Anwendung überprüfen. Dies ergibt neben erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen gerade in der Inbetriebnahmephase eine Situationsanalyse vor dem Projektbeginn.

Beispiele

Drei im folgenden ausgeführte Konfigurationsbeispiele für drei- und zweidimensionale Schweißaufgaben sowie für Anwendungen mit manuell betätigtem Arbeitstisch veranschaulichen die unterschiedlichen Möglichkeiten.

Die Standardschweißzelle mit B-Positionierer eignet sich für dreidimensionale Schweißaufgaben . Ein IRB 1600 ID führt sie aus. Weil der Blendschutz des Positionierers während des Schweißens die Funktion des Spritzerschutzes übernimmt, können Personen die Bauteile in der zweiten Station be- und entladen. Optional kann der Anwender eine SPS für die Spanntechnikwählen.

Zum zweidimensionalen Schweißen ist die Handdrehtischzelle MTT ausgerüstet. Diese kostengünstige Lösung ist auf dem durchgehenden Grundrahmen montiert. Der Blendschutz des Handdrehtisches dient gleichzeitig als Drehtür zum Innenraum der Zelle. Innen schweißt wahlweise ein IRB 1600, IRB 1600ID, IRB 2600 oder 2600ID. Der Handdrehtisch kann in beiden Stationen je 300 kg Nutzlast aufnehmen.

Zwei manuell betätigte Schiebetore (Bild 4) kennzeichnen die preiswerte Lösung der Schiebetorzelle mit manuell betätigtem Arbeitstisch zum Fügen zweidimensionaler Bauteile. Als Roboter stehen der IRB 1600, IRB 1600ID, IRB 2600 und IRB 2600ID zur Wahl. Während der Roboter hinter einem geschlossenen Schiebetor schweißt, kann der Bediener in der zweiten Station den Arbeitstisch mit der Vorrichtung und dem Werkstück rüsten.

Aufbau und Transport

Eine Standardschweißzelle montieren die Fachleute bei ABB komplett. In diesem fertigen Zustand nehmen sie die betriebsbereite Zelle ab. Zum Transport drehen sie lediglich den Positionierer um 90° und montieren die „Pausbackenelemente“ (für die Arbeitsbreite erforderliche Verbreiterungen in den Zellenwänden) mit der Wölbung nach innen. Die Transportbreite beträgt jetzt lediglich 2,5 m. Deshalb kann ein Kran die leicht modifizierte Zelle komplett transportieren und auf das Transportfahrzeug setzen (Bild 5). Alternativ dienen Stapelschuhe zum Transport per Gabelstapler.

Resümee

Standardisierung in Kombination mit modularer Komponentenauswahl statt Individualisierung kann beim Entwickeln und Umsetzen von Lösungen größere Ressourcen nutzen. Denn der höhere Aufwand verteilt sich später auf größere Stückzahlen. Bei den modularen Standardschweißzellen von ABB profitiert der Anwender von klaren Vorteilen: Auf Basis der vom Anwender gegebenen Informationen kombiniert mit ihrem Know-how und den sowohl informationstechnischen wie realen technischen Möglichkeiten erstellen die Experten von ABB eine Machbarkeitsstudie. Sie gewährleistet die optimale Lösung. Die Mischung aus innovativen optimierten und ausgereiften Konstruktionen bieten dem Kunden Zeit-, Investitions- und Betriebskosteneinsparungen; außerdem erhält er die geprüfte Sicherheit bei der Wahl „seiner“ Lösung, weiter Flexibilität für spätere Produkt- und Produktionsänderungen. Einfache Bedienung, große Zuverlässigkeit, hohe Verfügbarkeit und niedrige Life-Cycle-Cost (LCC) runden das positive Spektrum in der anschließenden Praxis ab.

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