Kollaborierende Roboter: Automatisiertes Schweißen mit dauerhafter Präzision

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Der Nachteil kostengünstiger Cobots gegenüber Industrierobotern ist ihr geringerer Aktionsradius. Das Fraunhofer IEM und RK Rose+Krieger haben daher ein roboterunterstütztes Handling- und Bearbeitungs­system auf Basis eines Cobots entwickelt. Als erste Praxisanwendung wurde das System für Schweißarbeiten an zylindrischen Behältern eingesetzt.

Kollaborierende Roboter spielen bei der intelligenten Automatisierung von Systemen und Anlagen im Maschinenbau eine große Rolle. Sie sind gefragt, wenn die Anwendung eine dauerhafte Zusammenarbeit von Cobot und Mensch erfordert. Dabei liegt der Fokus komplexerer Cobot-Applikationen in der Regel auf zuverlässiger Wiederholgenauigkeit und dauerhafter Präzision. Nachteil der kostengünstigen Leichtgewichte gegenüber klassischen Industrierobotern ist allerdings ihr geringer Aktionsradius. Eine gängige Lösung zur Reichweitenerweiterung ist daher der Einsatz von Lineartechnik. Je nach Applikation werden die Cobots auf horizontalen Achsen von einem Einsatzort zum nächsten und gegebenenfalls zusätzlich über eine Hubsäule in der Höhe bewegt.

Doch es geht noch komplexer. Das bewies jüngst ein Projekt der Kooperationspartner Fraunhofer IEM und RK Rose+Krieger. Die beiden Unternehmen entwickelten gemeinsam ein robotergestütztes Handling- und Bearbeitungssystem mit großer Reichweite in drei Dimensionen. Dabei übernahm das Team des Fraunhofer IEM die Konzeption und Realisierung der Roboterapplikation inklusive der Steuerungs- und Benutzerschnittstellen-Programmierung, der Integration der Regelungsansätze und des elektrischen Aufbaus. RK Rose+Krieger entwickelte die Lösung zur Erweiterung des Arbeitsbereichs des Cobots – das Raumportal.

Kollaborierende Roboter: Drei zusätzliche Bewegungsachsen

Die Komponenten des Raumportals stammen aus dem Profil- und Lineartechnik-Baukasten der Mindener. So bilden BLOCAN-Aluminiumprofile unterschiedlicher Baugrößen das Grundgerüst, das auf zwei parallel angeordneten, zahnriemengetriebenen Linearachsen vom Typ RK DuoLine Z 80 Protect über eine Länge von 1.500 mm in der Horizontalen verfahren werden kann. Zwei weitere, ebenfalls parallel verlaufende RK DuoLine Z 80 Protect bilden die Z-Achse des Raumportals. Sie bewegen eine Rollenführungs-Linearachse vom Typ RK MonoLine Z120) vertikal über 1.500 mm. An dieser Linearachse ist der UR-Cobot mit der Bearbeitungseinheit montiert. Mit den drei Achsen erweitert das Raumportal den kugelförmigen Arbeitsbereich des Roboters (max. Durchmesser: 2.650 mm) um den ansonsten nicht erreichbaren zylinderförmigen Bereich über- und unterhalb seiner Basis. Damit kann der Cobot innerhalb der gesamten Portalstruktur ohne jegliche Einschränkung agieren. Die Baugröße von Portal und Achsen lässt sich individuell an die Größe des Cobots und die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen.

Zuammenführung aller Achsen

Für das synchrone Verfahren aller Achsen führten die Spezialisten des Fraunhofer IEM die sechs Achsen des Industrieroboters mit den drei Achsen des Raumportals in einer Industriesteuerung zusammen. Intelligente Sensoren sowie Algorithmen gewährleisten die reibungslose Kommunikation zwischen Cobot und Raumportal. Das Ergebnis sind synchronisierte Bewegungen von Portal und Cobot und die einfache Anpassung des Systems an sich ändernde Anwendungsszenarien ohne aufwendige Umbau- und Rüstarbeiten.

Zudem werden Abweichungen der Bauteile von der ursprünglichen CAD-Konstruktion etwa aufgrund von Materialschwankungen oder Schweißverzug während des Prozesses sensorbasiert kompensiert. Positive Nebeneffekte ergeben sich aus den im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern deutlich geringeren Kosten und aus der Steifigkeit des Raumportals für eine hohe Präzision.

Automatisiertes Schweißen mit Cobot und Raumportal

Da der Fachkräftemangel auch den Schweißer-Nachwuchs trifft, nutzt ein Anwender aus dem Behälterbau das robotergestützte Bearbeitungssystem zum Schweißen zylindrischer Stahltanks. „Beim Verschweißen der Tanks ist hochpräzises Arbeiten über einen langen Zeitraum gefordert. Denn die Schweißnaht, die den Zylinder mit der Basisplatte verbindet, ist bis zu 3,5 Meter lang“, erklärt Dr. Christian Henke, Abteilungsleiter Scientific Auto­mation am Fraunhofer IEM.

Beim Verschweißen der Bauteile wird zunächst eine Wurzelnaht gezogen, die anschließend mit einer Decknaht versehen wird. Selbst gut ausgebildete und erfahrende Schweißer ermüden bei solch anspruchsvollen Schweißarbeiten schnell. Nicht so kollaborierende Roboter. Sie ziehen beliebig lange, akkurate Schweißnähte, ohne zwischendurch absetzen zu müssen. Das Ergebnis ist eine homogene Naht ohne Ansatzstellen. Zu Beginn des Schweißvorgangs zieht ein Werker den Schweißkopf des Cobots an die zu bearbeitende Stelle. Anschließend werden Portal- und Cobot-Achsen so gesteuert, dass der Schweißkopf sich um den Zylinder bewegt. Dabei erfassen Abstandssensoren im Schweißkopf permanent die Lage der Naht. Die Steuerung regelt Höhenversätze, Abweichungen von der idealen Kreisform und andere vergleichbare Unebenheiten aus und verfährt den Roboter über die Achsen so, dass eine perfekte Schweißnaht entsteht.

Wie jede vom Fraunhofer IEM und RK Rose+Krieger entwickelte Anlage, ist auch für Schweißarbeiten entwickelte Cobot mit Raumportal eine kundenspezifische Sonderanfertigung. „Es bedarf schon eines gewissen Know-hows, um beliebig viele Zusatzachsen mit den Roboterachsen zu vereinen und eine sensorgeführte Robotik zu realisieren. Das ist kein Industriestandard“, erklärt Dr. Christian Henke. Daher kann der Kunde die Anlage auch für andere Zwecke nutzen – vorausgesetzt, der kollaborierende Roboter wird mit einem anderen Werkzeug bestückt und entsprechend umprogrammiert.

Der Autor Bernd Klöpper ist Marketingleiter der RK Rose+Krieger GmbH.

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