Servo statt Druckluft

AC-Servoantriebe - Das Zischen der Druckluft und das Gewirr der Leitungen verbreitet ein Flair, wie man es nur noch aus Jules-Verne-Verfilmungen kennt. »Doch dermechanische Installationsaufwand für den Konstrukteur ist zu hoch und ein Servoantrieb die bessere Lösung«, findet Christoph Schultz von SSB Antriebstechnik.

22. Juni 2005

»Drucklufttechnik kann in vielen Fällen den heutigen Ansprüchen an Genauigkeit und Geschwindigkeit nicht mehr genügen«, ist man bei SSB Antriebstechnik aus Salzbergen überzeugt.

Leckagen und die ständig laufenden Kompressoren sorgen für hohe Betriebskosten und permanenten Wartungsbedarf. Außerdem bieten Druckluftsysteme nicht die Steuerungs- und Eingriffsmöglichkeiten, die sich der Automatisierer wünscht.

Trotzdem konnte auch eine so hoch automatisierte Branche wie die Automobilindustrie bisher auf Druckluft nicht verzichten: Das gängige Verfahren in der Karosseriefertigung ist seit Jahren das Punktschweißen mit pneumatisch betätigten Roboterschweißzangen. Schon lange fordern Automobilhersteller ein universelles, in Hub und Kraft frei programmierbares Motorantriebssystem für die zum Schweißen verwendeten Euro-Zangen.

Nun vollzieht sich ein Wandel: »Elektromotorische Schweißzangen im Verbund mit modernster Steuerungs- und Softwaretechnik ersetzen die Druckluftzylinder und bringen den Zangen Gefühl im Umgang mit dem Material bei«, berichtet Christoph Schultz, Geschäftsführer von SSB-Antriebstechnik. Dieses Konzept ist das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit des Steuerungs- und Elektronikunternehmens Cosytronic und der SSB-Antriebstechnik, die speziell entwickelte Hohlwellenantriebe beisteuert. Die gemeinsam entwickelte Lösung ist bei einem großen deutschen Automobilhersteller bereits erfolgreich im Einsatz.

Neue Materialien erfordern meist auch neue Fügetechniken, wie etwa das Laserschweißen oder Kleben. Damit verbunden sind Qualitätssprünge und Kostenreduzierungen, an denen sich traditionelle Fügetechniken orientieren müssen. Schultz: »Nicht nur deshalb bestand bei der pneumatischen Steuerung der Schweißzangen Handlungs- und Innovationsbedarf. Die Nachteile sind bekannt: Beim Auslösen schnappt die Zange ungeregelt zu ­- der resultierende Prallschlag ist nicht nur für die Ohren ein Ärgernis, denn er belastet insbesondere Material und Werkzeug über Gebühr.« Für jeden Schweißpunkt muss die Zange außerdem im Arbeits- oder Vorhub ganz geöffnet werden. Das kostet Zeit und mindert die Produktivität.

Elektrodenbewegung und -kraft sind nur bedingt steuerbar und eine präzise Abstimmung von Kraftaufbau und Schweißvorgang ist ebenfalls nicht möglich. »Darunter leidet nicht zuletzt die Qualität der Schweißverbindungen. Auch Rückmeldungen oder permanente Qualitätskontrolle sind mit pneumatischen Systemen nur bedingt zu realisieren«, finden die Pneumatikkritiker aus Salzbergen.

Bei den elektromotorischen Schweißzangenmodulen regelt ein kompakter AC-Servoantrieb das präzise Öffnen und Schließen der Zange; ein kleinerer Direktantrieb sorgt dafür, dass die Ausgleichselektrode optimal am Schweißpunkt anliegt. Die Elektromotoren, Spezialkonstruktionen von SSB-Antriebstechnik, sind als Hohlwellenantriebe mit integrierter Spindel realisiert. Das System ist so bemessen, dass es mechanisch zu den bekannten Druckluftzylindern kompatibel ist. »Hierdurch kann es seine Vorteile gegenüber der Pneumatik ausspielen, ohne dass am Roboterarm oder den vorhandenen Schweißzangen konstruktive Veränderungen vorgenommen werden müssen«, so Christoph Schultz. Allerdings ist es erforderlich, sich von der klassischen Denk- und Programmierweise, die den Zangenprozess als fiktive siebte Achse der Robotersteuerung begreift, zu verabschieden. Aus diesem Grund musste nämlich bisher auch die Schweißsteuerung darauf warten, dass die Robotersteuerung das Schließen der Zange signalisiert. Dagegen beruht das neu entwickelte Steuerungskonzept darauf, dass die Zangensteuerung selbst bereits alle für den Schweißprozess notwendigen Daten und Parameter enthält. Durch dieses Umgehen der Robotersteuerung entfallen kommunikationsbedingte zeitliche Verzögerungen, und die Programmierung der Schweißsteuerung vereinfacht sich. Mit dem Umstieg auf das neue System versprechen die Antriebsspezialisten von SSB dem Anwender viele neue Möglichkeiten.

Der Hauptvorteil der elektromotorischen Schweißzangenmodule liege in der dramatisch verbesserten Prozessbeherrschung. Schultz: »Erstmals wird einkontrolliertes Heranfahren der beweglichen Zangenelektrode an den Schweißpunkt möglich - egal ob eine Momenten- oder Wegeregelung oder eine Kombination aus beiden gefragt ist. Die Schweißzange schnappt nicht einfach nur zu; stattdessen sind Kraftaufbau, Anpressdruck und Zangenwege in kleinsten Einheiten kontinuierlich steuerbar.« Hierbei kommt dem Servoantrieb in Hohlwellenausführung eine zentrale Bedeutung zu, denn er ermöglicht erst die präzise Kontrolle. In exakter Abstimmung mit der Bewegung der Zange wird der Schweißstrom gestartet bzw. geregelt: Die optionale Synchronisation der Vorwärmphase spart weitere Taktzeit ein.

Dank der zahlreichen Sensoren, die Rückmeldungen über den gesamten Prozess liefern, ist eine permanente zerstörungsfreie Qualitätsüberwachung und Protokollierung als Alternative zu kostspieligen Stichproben möglich. »Durch die kontrollierten Bewegungen erhöht sich die Lebensdauer der Schweißzangen und Elektrodenkappen beträchtlich«, verspricht Christoph Schultz.

Die AC-Servomotoren der SSB-Antriebstechnik, die standardmäßig mit einer integrierten thermischen Wicklungsüberwachung ausgestattet sind, sind mit Voll- oder Hohlwelle und als luft- oder flüssigkeitsgekühlte Varianten lieferbar. Im vorliegenden Anwendungsfall genügten bereits selbstgekühlte Ausführungen. Die flüssigkeitsgekühlten Varianten bieten bei kompakten Außenabmessungen eine nochmals verbesserte Leistungsdichte. Die Gewindetriebe mit rotierender Mutter und einseitig fest eingespannter Spindel verbessern die Steifigkeit der Konstruktion und ermöglichen höhere Drehzahlen. Die präzise und robuste Axiallagerung ist Voraussetzung für dynamische Linearbewegungen mit hohen Positioniergenauigkeiten. Schultz: »SSB passt die Antriebe exakt an das mechanische und elektrische Umfeld der jeweiligen Applikation an - so wie hier an den beengten Einbauraum, der durch die zu ersetzenden Druckluftzylinder vorgegeben ist. Die Motoren können dabei mit allen gängigen Encodersystemen kombiniert werden und sind so an nahezu alle handelsüblichen Umrichtersysteme und Steuerungen anschließbar.«

Das Fazit von Christoph Schultz: »Elektromotorische Schweißzangenmodule arbeiten schneller, zuverlässiger und wirtschaftlicher als die pneumatischen Lösungen.«

Erschienen in Ausgabe: 01/2004