Schweißen ohne Druckluft

Antriebstechnik

Linearantrieb – Die Betätigung von Schweißzangen im Karosseriebau ist eine klassische Domäne der Pneumatik. Alternative Antriebe auf Basis einer Planetengewindelspindel bieten zusätzlich alle Vorteile der servoelektrischen Antriebstechnik, von der Energieeffizienz bis zur präzisen Positionierung.

17. September 2015

Eine der wichtigsten Komponenten von Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie sind Schweißroboter, die zum Schweißen von Chassis-Teilen verwendet werden. Am Ende des Roboterarmes befindet sich dabei eine Schweißzange mit einem Eigengewicht von rund 60 bis 70 Kilogramm, die spezifische Positionen am Chassis genau anfahren muss. Angesichts der ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich Leistung, Genauigkeit, Platzeinsparung und Komplexität müssen Roboter und Schweißzangen jedoch immer schneller, leichter und genauer werden.

Betätigt wird die Schweißzange traditionell über einen servopneumatischen Aktuator mit einem Pneumatikzylinder. Solche pneumatischen Systeme sind zwar sehr kompakt und leicht, bringen jedoch einige Nachteile mit sich. Das wichtigste Argument gegen eine verstärkte Nutzung von Druckluft ist ihre geringe Energieeffizienz. So zeigten zum Beispiel Studien der Universität Kassel, dass pneumatische Systeme lediglich zehn Prozent der eingesetzten elektrischen Energie als nutzbare Bewegungsenergie zur Verfügung stellen. Der zentrale Grund für den niedrigen Wirkungsgrad ist die zweimalige Umwandlung von elektrischer Energie zunächst in Druckluft und dann in mechanische Energie. Leckage-Minimierung und Wärmerückgewinnung ändern deshalb an der schlechten Energiebilanz der Pneumatik nicht viel.

Ein weiterer Nachteil einer pneumatischen Aktorik ist ihre geringe Positionsgenauigkeit. So lässt sich die aktuelle Position einer pneumatisch betätigten Betätigungseinheit nur an den beiden Endlagepunkten wirklich genau bestimmen. Jede Zwischenposition dagegen lässt sich aufgrund der Komprimierbarkeit des Mediums zwangsläufig nur ungenau kontrollieren.

Ein Argument gegen den Einsatz von pneumatischen Aktoren in Schweißzangen am Roboterarm sind auch die nötigen Peripheriekomponenten wie Druckluftzuführung, Druckminderer, Regler oder Sensoren, deren Massen bei jeder Bewegung beschleunigt und abgebremst werden müssen. Dies verlängert nicht nur die Totzeit der Anwendung, sondern verringert auch die Positioniergenauigkeit und Energieeffizienz. Nicht zuletzt beschränken die zusätzlich benötigten Versorgungsleitungen den Bewegungsraum des Roboters.

Mehr Effizienz

Trotz dieser vielen Beschränkungen der pneumatischen Systeme werden Roboterschweißzangen jedoch immer noch selten mit servoelektrischen Antrieben betätigt. Als wesentliche Nachteile dieser Alternative gelten neben den höheren Investitionskosten vielfach die vergleichsweise geringen Stellkräfte gegenüber einem Pneumatik-Zylinder mit vergleichbarer Baugröße. Bei einer genaueren Betrachtung der Gesamtkosten amortisieren sich die höheren Investitionskosten der servoelektrischen Systeme jedoch recht schnell durch die Energieeinsparung und zusätzliche Vorteile wie Prozesssicherheit, Geschwindigkeitsgewinn und Wartungsarmut.

Das letzte verbleibende Argument gegen den Einsatz servoelektrischer Antriebe in Roboter-Schweißzangen anstelle von Pneumatikzylindern ist also deren vergleichsweise geringe Stellkraft. Dies gilt jedoch allenfalls, wenn die Umsetzung der rotativen Bewegung des Elektromotors in eine Linearbewegung über klassische Kugelumlaufspindeln geschieht. Deren Nachteile sind nicht nur eine relativ geringe Belastbarkeit, sondern auch ein verhältnismäßig geräuschvoller Lauf mit Vibrationen sowie eine geringe Lebensdauer.

Rollen statt Kugeln

Eine Alternative bietet hier das Konstruktionsprinzip der Rollengewindespindel, die der US-amerikanische Antriebstechnikspezialist Exlar als Basis seiner Linearantriebe verwendet. Bei den Aktuatoren des Unternehmens mit Deutschlandsitz im hessischen Raunheim geschieht die Lastübertragung über mehrere Planeten-Rollengewinde, die um eine zentrale Gewindespindel angeordnet sind. Dadurch ergeben sich auf gleicher Längeneinheit weitaus mehr Kontaktpunkte zwischen Rolle und Gewindespindel als bei einer Kugelgewindespindel, sodass die Lasten auf eine erheblich größere Fläche verteilt werden.

Durch die verringerte Reibung gegenüber Kugelumlaufspindeln bieten Plantenspindelgewindetriebe zudem eine bis zu 15-fach längere Lebensdauer. In Schweißzangenanwendungen, die typischerweise auf rund 15 Millionen Schweißpunkte veranschlagt werden, benötigen Lösungen mit Exlar-Aktuatoren deshalb im Normalfall keine Wartung oder Überarbeitung. Geeignete Planetenrollen-Träger gewährleisten zudem auch bei wechselnder Drehrichtung stets die optimale Positionierung der Rollen und ihren synchronen Lauf mit der Spindel. Zugleich erlaubt das Bauprinzip ohne umlaufende Kugeln nicht nur höhere Umdrehungszahlen und Lineargeschwindigkeiten, sondern es reduziert zudem die Energieverluste und gewährleistet einen ruhigen und vibrationsarmen Lauf.

Ein wesentlicher Vorteil der elektrisch getriebenen Rollengewindespindel ist zudem die gute Steuerbarkeit eines Servoantriebs. Dies stellt sicher, dass der Anpressdruck der Schweißzange bei jedem Schweißpunkt unverändert ist. So schwankt die Andruckkraft eines elektromechanischen Aktuators vom Typ GSX40 für Schweißzangen bei einer Umgebungstemperatur von 40 Grad Celsius lediglich in einer Breite von 0,75 Prozent oder 50 Newton um die nominale Andruckvorgabe. Dies gewährleistet gleichmäßige Schweißpunkte über den gesamten Produktionszyklus hinweg.

Eingebaute Präzision

Eine Besonderheit der Planetenrollengewindespindeln von Exlar ist das »Inverted Design«, bei dem die Planetenrollengewindeeinheit in einem geschliffenen Hohlzylinder läuft, der direkt als Rotor des Servomotors dient und auf der Außenseite formangepasste Neodym-Eisen-Bor-Magnete trägt. Durch diese kompakte und effiziente Bauweise ohne klassische Kupplungen oder Getriebe kombinieren die Antriebe höchste Energiedichte mit einem geringen Rastmoment. Die kompakte Bauform vereinfacht zugleich die Integration in vorhandene Anlagen sowie eine Erweiterung der Funktionalitäten, wie zum Beispiel einer elektrischen Bremse oder einer Druckmesszelle, um Kräfte unmittelbar am Druckpunkt zu messen.bt

Auf einen Blick

- Der US-amerikanische Antriebs-spezialist Exlar ist ein führender Hersteller von Linearaktuatoren mit Rollengewindetrieben sowie von rotativen Servomotoren und der zugehörigen Elektronik.

- Die patentierte Technologie ermöglicht eine deutlich längere Laufzeit im Vergleich zu Kugel-gewindetrieben und macht die Lösungen damit zu einer elektro-mechanischen Alternative zu Fluid-Systemen.

Motek: Halle 6, Stand 6445

Erschienen in Ausgabe: 07/2015