Safety first für Prozess und Werker

Anlagen/Systeme - Ein automatisiertes Schweißsystem mit personensicherer Robotersteuerung garantiert Sicherheit, Effizienz und Flexibilität.

03. August 2007

Die Johann Hay GmbH erfüllt einige Superlative: Europas größter Hersteller von Schwungrädern für OEMs, von Achsantriebs- und Tellerrädern für Differenzialgetriebe und von warmgewalzten nahtlosen Ringen. Zweitgrößter europäischer Produzent von Anlasserzahnkränzen. Etwa 1.250 Mitarbeiter an den Standorten Bad Sobernheim und Bockenau erwirtschafteten im Jahr 2006 einen Umsatz von 220 Millionen Euro. Achsantriebs- und Tellerräder werden überwiegend in der Gesenkschmiede in Bockenau gefertigt, die dabei verwendeten Formwerkzeuge jedoch nach Erreichen eines gewissen Verschleißgrades - oder bei Beschädigung im firmeneigenen Werkzeugbau im pfälzischen Bad Sobernheim überarbeitet, repariert und anschließend wieder dem Arbeitsprozess zugeführt.

Die Wiederaufbereitung der Schmiede- und Walzwerkzeuge erfolgt unter anderem durch Auftragsschweißen. Da es sich dabei um mehrere Tausend verschiedene Teile unterschiedlicher Größe, Form und Beschaffenheit in wiederum unterschiedlichsten Verschleiß- und Beschädigungszuständen handelt, wurde diese Arbeit bis vor kurzem noch mit halbautomatischen Schweißanlagen ausgeführt. Mühevolle Handarbeit hingegen war bei nicht rotationssymetrischen Bauteilen angesagt.

Automatisierung angesagt

Hoher Kosten- und Termindruck sowie die Forderung nach permanenter Qualitäts- und Effizienzsteigerung machten es notwendig, auch diesen arbeitstechnisch aufwendigen Prozess komplett zu automatisieren. Die Verantwortlichen von Hay entschieden sich nach einer Machbarkeitsstudie zum Auftragsschweißen mit Robotern für die Investition in eine komplexe Schweißroboteranlage. Da das roboterbasierte Auftragsschweißen keine Standardanwendung ist, wurden bei der Realisierung des Projekts unterschiedliche Technologien zusammengeführt. Der Roboter fungiert dabei als Werkzeugmaschine. Erstellung und Inbetriebnahme der verschiedenen Komponenten erfolgte durch Reis Robotics, Obernburg, in enger Zusammenarbeit mit Hay und dem Landauer Systemhaus S + B.

Oliver Hammon, Leiter der Arbeitsvorbereitung Werkzeugbau bei Hay und Projektleiter, zu den Hintergründen: »Die vom Roboter zu bearbeitenden Teile sind sehr oft Unikate. Zwar gibt es auch Teile, die in größeren Stückzahlen anfallen, doch hier sind die Beschädigungen oft so unterschiedlich, dass sie die individuelle Behandlung jedes Werkstücks erfordern. Um diese Bearbeitung ausführen zu können, muss die Positionierung von Werkstück und Brenner zueinander optimal abgestimmt sein.«

Außerdem muss der Werker auch während des Arbeitsprozesses die Schweißzelle gefahrlos betreten können. »Diese Kombination von Anwendungen konnte uns nur Reis Robotics in Kooperation mit dem Systemhaus S + B garantieren und mit dem SafeProduction-System ein anwendbares und zudem von der Berufsgenossenschaft abgenommenes System anbieten«, so Hammon.

Kernstück der Anlage ist ein SRVL6L, ein automatisiertes Schweißrobotersystem in Hybridausführung aus Linear- und Knickarmroboter mit personensicherer Robotersteuerung. Die Linearachse hat einen Maximalhub von 3,5 Metern. Gesteuert wird die Roboteranlage mit einer Robotstar V-PCX. Zur Positionierung der Werkstücke dient ein Dreh-Schwenkmodul RDS11 mit zwei NC-Achsen und einer maximalen Belastbarkeit von 1.100 Kilo.

Starke Quelle

Die Schweißstromquelle, eine MIG/MAG-Inverter-Schweißanlage TPS 7200 von Fronius, leistet einen maximalen Schweißstrom von 720 Ampere. Mit ihr lassen sich Schweißdrähte bis zu einem Durchmesser von 1,6 Millimeter verschweißen. Die Ansteuerung der Stromquelle erfolgt über einen CAN-Bus. Der Schweißbrenner an der Handachse des Roboters ist ein wassergekühlter MIG/MAG-Brenner von Dinse. Kollisionsschutz bietet eine Abschaltdose, die zwischen Brennerhalterung und Roboterhand montiert ist. Eine Mittelvakuumabsauganlage, die sich von der Robotersteuerung ansteuern lässt, entfernt den beim Schweißen entstehenden Rauch.

Während der Schweißarbeiten fährt der Roboter selbstständig nach programmierbaren Zeitintervallen die Reinigungsstation (von Abicor Binzel) an. Nach Reinigung des Brenners fährt er selbstständig zurück zur letzten Arbeitsposition, um den Schweißvorgang fortzusetzen.

Bereits bei der Projektierung der Anlage arbeiteten Hay, Reis und das Systemhaus S + B mit der Berufsgenossenschaft eng zusammen. »Oberster Maßstab war die Konzeption einer sicherheitstechnisch perfekten Anlage, welche die gestellten Anforderungen an Flexibilität und Effizienz sowohl technisch-mechanisch als auch hinsichtlich der Steuerung optimal erfüllen kann«, erklärt Hammon. »Bereits nach zwei Informationstagen bei S + B war klar, dass sowohl Roboter und Steuerung als auch das Safe-Production-System von Reis genau unseren Anforderungen entsprachen und für Hay bei vertretbaren Kosten den bestmöglichen Lösungsansatz darstellte.«

Zusätzlicher Rechner für Sicherheit

Speziell die personensichere, softwarebasierte Robotersteuerung eröffnet ein Höchstmaß an Flexibilität bei optimaler Sicherheit für den Werker im Aktionsbereich des Roboters. In der Robotersteuerung ist neben dem eigentlichen Steuerungsrechner ein zusätzliches Rechnersystem integriert: der SafetyController. In Hard- und Software zweikanalig aufgebaut, bietet er perfekte Personensicherheit, indem er die korrekte Funktion von Roboter und Steuerung überwacht und die Anlage bei Abweichungen von den Vorgaben sicher abschaltet.

Zweikanalige Servoregler erfassen die Achsstellungen des Roboters und leiten sie dem SafetyController über ein Feldbus-System zu. Aus den Stellungen berechnet der SafetyController Position und Geschwindigkeit des Werkzeugflansches. Da die Überwachungsfunktionen in Software realisiert sind, sind Sicherheitsfunktionen möglich, die hardwarebasierende Systeme nicht bieten. So wird bei Anwesenheit des Werkers in der Schweißzelle zu seiner Sicherheit die Geschwindigkeit des Werkzeugflansches im Automatikbetrieb auf 250 Millimeter pro Sekunde reduziert.

Während des Schweißprozesses kann sich so der Werker ohne trennende Schutzeinrichtung in unmittelbarer Nähe des Roboters aufhalten, den Schweißprozess beobachten und bei Bedarf korrigierend eingreifen. Auch muss er die entstehenden Oxide, je nach Schweißgut, zwischen jeder aufzutragenden Lage manuell entfernen.

Oliver Hammon: »Die geringe und damit sehr sichere Geschwindigkeit ist in unserem System Standard, unabhängig davon, ob der Werker in der Zelle anwesend ist oder nicht. Sie erlaubt es ihm jederzeit, die Anlage zu betreten und sie bei Gefahrensituationen rechzeitig über die Notabschaltung stillzulegen. Damit überschreiten wir sogar die sicherheitstechnischen Forderungen der Berufsgenossenschaft.«

Durch die große Flexibilität des Roboters sind nahezu alle Schweißgeometrien, also Planflächen, Kegelflächen, Schrägen oder Kanten, schweißbar. Zum Tragen kommt dabei die universelle Positionierbarkeit des Werkstücks durch den Schwenktisch in Verbindung mit der sehr beweglichen Handachse des Roboters, die den Brenner führt.

Bei den zu bearbeitenden Werkstücken handelt es sich in erster Linie um rotationssymmetrische Flächen. Um eine Planfläche aufzuschweißen, werden vom Schweißbrenner konzentrische Kreise beschrieben, wobei die Raupenbreite den Radiusunterschied der jeweiligen Kreisbahnen bildet.

Die Brennerorientierung ist senkrecht zur Fläche. Das Schweißbad befindet sich dabei automatisch in optimaler Wannenlage. Beim Versetzen zur nächsten Runde darf der Schweißprozess nicht unterbrochen werden, wobei die Bahngeschwindigkeit konstant bleibt. Die Aufteilung der Schweißraupen zwischen Innen- und Außendurchmesser muss gleichmäßig sein, um einen gleichmäßigen Materialauftrag zu gewährleisten. Da häufig die aufzutragende Schichtdicke mit einer Schweißraupenhöhe nicht zu erreichen ist, müssen mehrere Lagen Schweißgut aufgebracht werden.

Das Prinzip beim Schweißen von kegelförmigen Flächen gleicht dem des Planflächenschweißens. Um eine bessere Lage des Schweißbades (Wannenlage) zu erreichen, wird die Fläche und somit das ganze Bauteil geschwenkt. Durch die geschwenkte Position und die Lage des Schweißbades kommt der Hauptvorschub durch die Drehung des Rundtisches, wobei die Raupenbreite in Richtung der Schräge versetzt wird. Da Anfangs- beziehungsweise Endpunkt nicht mit Parametern zu beschreiben sind, erfolgt die Erfassung aller benötigten Geometrieinformationen durch Teachen des Roboters. Dabei werden die Raumkoordinaten, die Brennerorientierungen sowie die Position der Schwenkachse und des Rundtisches erfasst.

Alle Systeme vorher getestet

Vor Auslieferung der Anlage wurden alle Komponenten beim Systemhaus S + B in Landau zur Schulung der Hay-Mitarbeiter aufgebaut, die Schlauchführungen, Verkabelungen und Absaugungen an die kundenspezifischen Erfordernisse angepasst, die Verknüpfungen zum Schweißgerät eingehend getestet. In mehreren Schulungen erfolgten auch erste Programmierungen für die verschiedenen geforderten Schweißgeometrien mittels RobOffice und der Check der Programme auf Funktionsfähigkeit über die Simulationssoftware ProSim - beides spezifische Softwareanwendungen von Reis.

Nach Installation und Inbetriebnahme der Anlage im Hay-Werk in Bad Sobernheim nahm ab dem Abnahmetag die Roboterzelle ihren Betrieb auf. »Besonders positiv war«, erklärt Hammon, »dass nach dem unerwarteten Ausfall der bis dato verwendeten halbautomatischen Schweißanlage die Zelle deren Aufgaben problemlos mit übernehmen konnte - zwei Monate früher als ursprünglich geplant. Zeitgleich erfolgte die Einarbeitung der Werker. Dank der vielseitigen und einfach zu handhabenden Reis-Steuerung ist es möglich, sehr schnell perfekte Prozessabläufe zu erzielen.«

Dies wird durch Programme ermöglicht, die den Schweißer im Dialog durch die Programmierung führen. Meist genügen je nach zu bearbeitendem Teil zwei bis drei ­Teach-Punkte, um die Programmierung abzuschließen. »Für komplexere Schweißaufgaben steht eine Reihe vorgefertigter Roboterprogramme zur Verfügung, die als Vorlage dienen und sehr schnell auf die jeweilige Schweißaufgabe angepasst werden können«, ergänzt Oliver Hammon.

Hohe Laufzeit, mehr Kapazität

Die hohen Laufzeiten (bis zu 15 Stunden pro »Sitzung«) steigern die Kapazität deutlich und bewirken zugleich eine höhere Effizienz des gesam­ten Schweißprozesses. Die für den Vorgang optimale Wannenlage des Schweißbades garantiert bei allen Bauteilen ein gleichmäßiges, gutes Schweißergebnis, was wiederum die Weiterbearbeitung der Teile beim Zerspanen optimiert und verbesserte Standzeiten der Formwerkzeuge im Schmiedeprozess bewirkt.

Nicht zuletzt entlastet der Einsatz der voll automatisierten Schweißzelle auch die Werker: Es entfällt jetzt nämlich weitgehend das anstrengende, unter ergonomisch ungünstigen Bedingungen wie Körperhaltung unter Last, hoher Lichtstrahlung, Schweißrauch und Hitze Schweißen von Hand an den auf 450°C vorgewärmten Teilen. Etwa 70 Prozent dieser bisher manuell ausgeführten Arbeiten übernimmt der Roboter.

Thilo Berdami, Reis/ml

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007