Wirtschaftlich ab Losgröße 1

Beim Schweißen steht der hohe Programmieraufwand für jedes Einzelteil und die ungünstige Relation zwischen Schweiß- und Rüstzeit üblicherweise dem Robotereinsatz entgegen. K&E zeigt eine Roboterlösung, die sich rechnet.

Fachleute von Liebherr im Werk Nenzing, Hersteller von maritimen Kranen und Umschlaggeräten, Hydro-Seilbaggern, Raupenkranen und Spezialtiefbaugeräten, haben eine hoch produktive Lösung für eine automatisierte Schweißzelle zur Einzelteile-Fertigung gefunden. Ansatz- und Ausgangspunkt ist die intelligente, robotertaugliche Teile-Geometrie bereits ab Konstruktion. Darauf aufbauend folgt das planvolle Anlegen einer Werkstück-Programm-Datenbank sowie eines Wissensspeichers für das Anwendungs-Know-how. Die Fachleute kooperieren dabei mit ihren Schweißsystempartnern von Fronius und Roboterfachleuten von Motoman. Bei den automatisierten Abläufen kommt im Zusammenspiel von Roboter und Schweißsystem die ‚TransPuls Synergic’ deren Digitaltechnik zugute. Im Ergebnis sparen die Kranbau-Spe­zialisten jetzt bis zu 50 % der benötigten Fertigungszeit ein. Für Konstrukteure eröffnet die automatisierte Einzelfertigung erweiterte Möglichkeiten zum Umsetzen ihrer Bauteil-Konzepte. Sie können individuell optimierte Geometrien kreieren, ohne teure Produktivitätseinbußen mit kalkulieren zu müssen.

Die Aufgabe

Das Verbinden der Rohrteile für Kranausleger, ebenso das Fügen von Flanschen, Dreh- und Lagerteilen, lösen die Experten ausschließlich per MAG(Metall Aktivgas)-Verfahren. Qualifizierte Handschweißer arbeiten vorwiegend mit dem System TransPuls Synergic 5.000 von Fronius. Zwischen 4 und 150 mm beträgt die Dicke des zu verarbeiteten Materials; üblicherweise ist es Stahl St 37 bzw. S235 in Qualität J2G3, aber auch hochfeste Stähle der Güteklasse S690QL oder S960QL.

Betriebsingenieur Tobias Ströhle zu den Herausforderungen beim Entwickeln der für das Schweißen von Stahlteilen der Losgröße 1 konzipierten Roboterzelle: „Wir haben erstens die Toleranzen der Blechstärke zu beachten, die rund 10 Prozent betragen. Zweitens müssen wir auch die Abweichungen beherrschen, die durch den Zuschnitt und die Montage der einzelnen Teile zur Komponente entstehen.“

Die Lösung

Die Experten starteten mit einer Standard-Schweißzelle, die sie für die darin zu schweißenden Einzelteile spezifizierten. Zum Fixieren des jeweils spezifisch geformten Werkstücks stehen zwei verschiedene Dreh-/Kipp-Positioniertische mit einmal seitlicher C- und einmal zentrischer L-Aufspannung bereit. Zunächst wählten die Experten solche Bauteile aus, die ihnen von ihrer Grundkonstruktion her am geeignetsten erschienen. „Alles was eckig ist, spannen wir im C-Bügel, und alles was rund ist im L-Aufnehmer, zum Beispiel Dämpfungen, Mitnehmer-Oberteile und -buchsen“, erläutert Tobias Ströhle. Nun galt es, das vorhandene Schweiß-Know-how mit der Schweißstromquelle TransPuls Synergic in die für diese Pilot-Werkstücke passenden Jobs zu transferieren. In den einzelnen Jobs nutzen sie das digitalisierte Erfahrungswissen der Stromquelle für Drahtvorschub, Spannung und Stromstärke. Ergänzend dazu musste der Roboter die relevanten Positionen und kinematischen Abläufe ,lernen'. Zum Aufbereiten des Wissens bildete sich ein Expertenteam. Gründliche theoretische Schulungen gingen der Gründung voraus.

,Sehender' Roboter

Der Roboter EA 1900 von Motoman ist mit einem Comarc-Sensor und der Startpunkt-Suche ausgestattet. Vor dem Start eines Schweißjobs ermittelt er mit Hilfe der Kurzschluss-Erkennung die Lage des Werkstücks sowie der Fügestelle und findet seine Startposition. Seine Lichtbogensensorfunktion korrigiert den Verfahrweg des Manipulators bei Bedarf mit Hilfe der gemessenen Stromstärken im oberen und unteren Scheitelpunkt der Pendelbewegung. Aus den ermittelten ­Bahnen für die einzelnen Werkstücke und den Schweiß-Jobs bauen die Projektentwickler ihre Datenbank für die Roboterzelle auf. Für jedes Bauteil generieren sie ein eigenes Programm.

Ähnliche Eigenschaften bzw. ­Parameter für wiederkehrende Details der zu schweißenden Komponenten lassen sich so leicht kopieren, modifizieren und als neues, teilespezifisches Programm speichern. Mit ihrem schrittweisen Vorgehen haben die Projektmanager eine wichtige Zwischenetappe erreicht. Nach sechsmonatiger Entwicklungszeit zieht Abteilungsleiter Wolfgang Partel eine positive Bilanz: „Wir sehen, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Wir wissen, wie wir die Abläufe für unterschiedliche Einzelbauteile programmieren können, um sie dann in die Programmdatenbank für die Roboterzelle einfach zu integrieren.“ Er schätzt, dass die Schweißer die Roboterzelle kurzfristig zu mindestens 90 % auslasten werden. „Das Besondere an der Roboter-Schweißzelle ist das Kompletthandling. Daraus erwächst uns auch der angestrebte Produktivitätsvorteil. Denn nicht der reine Schweißprozess ist in der Roboterzelle wesentlich schneller und exakter, sondern der komplette Produktionsprozess inklusive Handling“, erklärt Schweißspezialist Manfred Fiedler. Und Wolfgang Partel ergänzt: „Die wiederholbare Positioniergenauigkeit eines ­Roboters beim Fixieren sowie dem Positionieren und Abfahren der Bahn gewährleistet, dass die Konturen der anschließenden Schweißnaht immer stimmen.“

Konstrukteure gezielt im Projektteam integriert

In der Schweißzelle können die Fachleute inzwischen 58 ­unterschiedliche Ausleger-Stücke fertigen. Derzeit prüfen die Projektteam-Mitglieder intensiv, welche ihrer Bauteile sie in der neuen Zelle schweißen können. Der Optimierungsprozess greift noch deutlich weiter − und integriert gezielt die Konstrukteure ins Projektteam. Sie kreieren neue Bauteilkonzepte und Komponenten unter dem Kriterium der Eignung für das Roboterschweißen. „Dieses Kriterium werden absehbar 30 % unserer Bauteile erfüllen“, quantifiziert Tobias Ströhle.

Bedingt durch die ,Lernfähigkeit' des Roboters hält sich der Aufwand für ein neues Teil, das jedoch einen ,Vorläufer' hat, in wirtschaftlich vertretbar engen Grenzen. Aus je einer Grund-Geometrie bzw. dem dazu gehörigen spezifischen Programm lassen sich ,analoge Reihen' ableiten bzw. Modifikationen erarbeiten. Produktivitätsnutzen ergibt sich auch aus den zwei Stationen der Roboterzelle. Während der Roboter in der einen Station schweißt, wird in der anderen aufgespannt. Im Wechsel zwischen den Funktionen als Arbeits- bzw. Schweiß- und Rüststation sind Roboter und Schweißsystem optimal ausgelastet. Manfred Fiedler hebt den Qualitätsvorteil hervor: „Im Unterschied zum Handschweißer kann der beweglichere Roboter das Werkstück fast immer in die optimale Schweißposition bewegen. Folglich fügt die TransPuls Synergic 5000 stets zuverlässig in hoher Qualität. Im Wechsel zwischen links und rechts bei den symmetrischen Nähten bringen wir mit dem Schweißprozess die Wärme so ein, dass das jeweils bearbeitete Teil nicht zu heiß wird und sich dadurch weniger verzieht. Das wirkt sich gleichfalls positiv auf die Güte der Schweißverbindungen aus. Und in der Folge auch ökonomisch, denn es fällt deutlich weniger Nacharbeit an.“ Der Leiter Abteilung Schweißerei Wolfgang Partel beziffert die Effizienzvorteile gegenüber dem vorherigen Handschweißen mit dem aufwändigen Spannen und Positionieren mit rund 50 %. W

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