Robotergeführte Leichtbau-Schweißzange (LBZ)

1. Problemstellung
Robotergeführte Widerstandspunktschweißzangen finden in den verschiedensten Branchen wie beispielsweise im Rahmen der Fertigung von Schienenfahrzeugen, Kondensatoren im Bereich Elektrotechnik oder der Fertigung von Schaltschränken Anwendung. Als wichtigstes Anwendungsgebiet kann jedoch die Automobilindustrie genannt werden. Diese zeichnet sich in der Produktion durch einen Automatisierungsgrad von über 98 % aus, so dass heutzutage in den Automobilwerken fast ausschließlich Roboter geführte Schweißzangen eingesetzt werden.Während in den letzten Jahren in der Automatisierung des Widerstandspunktschweißverfahrens sowie in der Zuführtechnik der Zangen zum Schweißobjekt mehrere Innovationen stattgefunden haben, wurden die Konstruktion der Schweißzangen sowie die Prozesstechnik stark vernachlässigt. So werden Zangen mit einem Gewicht bis zu 160 kg eingesetzt, die sehr energieintensiv durch hierfür ausgelegte Roboter bewegt werden. Darüber hinaus findet nur eine rudimentäre Überwachung des Schweißvorgangs statt und die Schweißsteuerung beschränkt sich auf das Ein- und Ausschalten des Schweißstroms. Die Dauer und Höhe der Energiezuführung wird dabei auf Grundlage von Erfahrungswerten und Tests bestimmt. Ein reproduzierbares Schweißergebnis kann daher heutzutage nicht gewährleisten werden.

2. Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts Leichtbauzange war die Entwicklung einer robotergeführten Ultraleichtbau-Widerstandspunktschweißzange sowie eines in der Industrie einsetzbaren Steuerungssystems, das eine automatische Parametrisierung der Zange sowie die Überwachung des Schweißprozesses zulässt und somit reproduzierbare Ergebnisse ermöglicht.

3. Vorgehensweise
Zunächst musste überprüft werden, inwieweit ein Austausch des Stahls durch leichtere Materialien möglich ist. Weitere Ansätze bestanden in der Nutzung neuartiger konstruktiver Elemente oder der Einbezug der Schweißstrom-Leitung in die Zangenkonstruktion. Bezüglich des Steuerungssystems mussten Konzepte entwickelt werden, die eine Übertragung der im manuellen Bereich erprobten Steuerungstechnologie auf die automatisierte Industrie zulassen. Die Schwierigkeit bestand hier in dem erforderlichen direkten Datenaustausch zwischen der neuartigen Schweißsteuerung und der Roboterzangenelektronik, die neben der Bewegung der einzelnen Roboterachsen auch das Schweißen eines einzelnen Punktes an der Karosserie in Zykluszeiten von 1-10 ms steuert und aus Kompatibilitätsgründen nicht verändert werden darf. Für eine automatisierte Bestimmung der relevanten Parameter des Schweißprozesses und Überprüfung der Qualität sind jedoch höhere Abtastraten von ca. 50 µs erforderlich. Es mussten Konzepte entwickelt werden, die einen Eingriff und das Filtern des Datenaustausches von Roboter-SPS und Zange in Echtzeit ermöglichen.

4. Anwendungspotential
Ergebnis ist eine speziell für die hohen Anforderungen der automatisierten Produktion entwickelte Leichtbauzange, die im Vergleich zu herkömmlichen Zangen ca. 70 % leichter ist. Im Zusammenspiel mit dem zu entwickelnden Steuerungssystem wird der Schweißprozess schneller und energieeffizienter durchgeführt werden können und die Schweißqualität für jeden Punkt messbar gemacht werden. Zugleich wird durch die Entwicklung eine Grundlage geschaffen, um die gesamte Prozessumgebung (Roboter, Antrieb, Fundamente etc.) durch preiswertere und Ressourcen schonendere Anlagen austauschen zu können.

• ELMA-Tech Gesellschaft für innovative Schweiß- und Beschichtungstechnologie mbH
• Lachmann & Rink GmbH