Standzeiten bei Schweißrobotern optimieren

In den beiden vorherigen Blogs zum Thema, wie man Stillstandszeiten bei Schweißrobotern verringern kann, lag der Fokus auf dem Roboterbrenner und dessen Verschleißteilen.

1. Auswahl des Roboter-Schweißbrenners gemäß Anwendung ✓
2. Wahl der Verschleißteile wie Stromdüse, Gasdüse, Gasverteiler und Liner ✓
3. Schlauchpaket und Schlauchpaketführung
4. Roboterbrennerhalterung und Abschaltsicherung
5. Brenner-Reinigungsstation

In diesem Blog-Beitrag gehen wir auf alle noch verbleibenden Teile eines Roboterschweißsystems ein, bei denen es zu Stillstandszeiten kommen kann: Das Schlauchpaket und seine Führung sowie die Brennerhalterung. Aber auch eine Zusatzausstattung soll genauer betrachtet werden – die wichtige und praktische Brennerreinigungsstation. Sie sollte in keinem Schweißrobotersystem fehlen, wenn man die Standzeit beim Schweißroboter in seinem Unternehmen optimieren möchte.

3. Schlauchpaket und Schlauchpaketführung

Schlauchpakete beim Roboterschweißen sind permanent unter Stress. Sie sind ständig in Bewegung, müssen alle Stellen von zum Teil komplexen Bauteilen erreichen, werden schnell von einem zu schweißenden Punkt zum nächsten gefahren. Je nach Intensität der Bewegung sind die Belastung auf Einzelkomponenten und der Verschleiß sehr hoch.

Bei Schweißrobotern gibt es zwei Varianten der Schlauchpaketführung:

• OA – Over-Arm = Schlauchpaktführung außerhalb entlang des Roboterarms
• TA – Through-Arm = Schlauchpaketführung durch den Roboterarm hindurch

Jede Variante hat ihre Vor- und Nachteile und bietet Ansätze, wie man die Standzeiten bei Schweißrobotern optimieren kann.

Over-Arm-Schweißroboter

Ein außenliegendes Schlauchpaket ist durch die Bewegungen des Roboterarms ständigen Schlenker- oder Schleuderbewegungen ausgesetzt. Hier besteht die stetige Gefahr, dass es am Bauteil oder an Vorrichtungen hängen bleiben und abreißen kann. Der Roboter selbst bemerkt diesen Zwischenfall im Prozess nicht, es sei denn, die Abschaltsicherung in der Brennerkopfhalterung registriert dies und stoppt den Roboter. Hier ist die Gefahr einer geringeren Standzeit gegeben.

Die hohe Dynamik der Bewegung resultiert in einen mehr oder weniger schnellen Ermüdungsprozess der Schlauchpaketkomponenten. Schläuche, Gasleitungen, Stromkabel oder Steuerleitungen können somit versagen.

Mit einem Over-Arm-Schweißroboter ist eine Offline-Programmierung – also ohne manuelles Teachen am Schweißbrenner – nur begrenzt möglich, da für die Software die Schleuderbewegungen zu komplex bzw. unvorhersehbar und nicht wiederholbar sind. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass mittlerweile mehr Through-Arm-Schweißroboter eingesetzt werden.

Vorteile von OA-Schweißrobotern

• Gute Zugänglichkeit zum Schlauchpaket beim Verschleißteiletausch wie z. B. der Liner

Nachteile von OA-Schweißrobotern

• Hohe Anfälligkeit durch hohe Dynamik der Schlauchpaketbewegung
• Gefahr des Hängenbleibens
• Nur begrenzte Offline-Programmierung möglich
• Unsichere TCP-Stabilität
• Starke Gewichtsbeanspruchung der Abschaltsicherung
• Schnellere Alterung durch Spritzerflug und UV-Strahlung des Lichtbogens

Tipps

•  Außerhalb des Roboterarms geführte Schlauchpakete müssen so befestigt bzw. abgehängt werden, dass möglichst wenig Pendelbewegung und Biegemomente möglich sind. Dies vermeidet den sogenannten »Blumendraht-Effekt«, also das Brechen an besonders beanspruchten Stellen.
•  Schlauchpakete sollten mithilfe von Balancern und den Abhängepositionen in möglichst großen Radien geführt werden, damit eine gute Drahtförderung sichergestellt werden kann.
•  Niemals selbstgefertigte Lösungen für die Aufhängung verwenden (z. B. Kabelbinder)! Achten Sie vielmehr darauf, dass sich die Einzelkomponenten im Schlauchpaket – wie Stromkabel, Steuerleitung, Kühlmittelschlauch, Gasschlauch – im speziellen formstabilen Außenschlauch frei gegeneinander bewegen können.

Through-Arm-Schweißroboter

Ein innenliegendes Schlauchpaket liegt immer in einem definierten Bereich, kann sich ringsum nur wenige Zentimeter bewegen und ist keinen Schleuder- und Schlenkerbewegungen ausgesetzt. Damit ist eine Offline-Programmierung hier überhaupt kein Problem und sichert einen stabilen TCP und damit eine hohe Standzeit.

Ein TA-Schweißrobotersystem – auch Hohlwellenroboter genannt – ist dagegen natürlich starken Torsionskräften ausgesetzt. Ab der dritten Achse des Roboters vom Drahtvorschub entfernt ist in Richtung des Schweißprozesses alles in Bewegung. Diese Drehbewegungen muss ein Schlauchpaket bewältigen können. ABICOR BINZEL hat hierfür spezielle BIKOX^®-Kabel entwickelt, die diesen Bewegungen standhalten. Manche Hersteller-Unternehmen bieten für TA-Schweißroboter Abschaltsicherungen und eingebauten Schleifkontakten an. Bei diesen kommt es innerhalb des Hohlwellenroboterarms zu geringen Torsionskräften. Wir haben uns explizit gegen die Entwicklung solcher Schlauchpakete entschieden, da hoher Stromübergang, Abrieb, Verschleiß und anfällige Schleifkontakte zum einen teuer sind und zum anderen zu viele Größen für Ausfälle darstellen.

Vorteile von TA-Schweißrobotern

• Geschützt liegendes Schlauchpaket, kein Schlenkern, kein Hängenbleiben
• Gute Standzeit
• Offline-Programmierung möglich
• Gesicherte TCP-Stabilität
• Abschaltsicherung wird nicht zu stark beansprucht

Nachteile von TA-Schweißrobotern

• Hohe Torsionskräfte, die durch spezielle Schlauchpakete kompensiert werden müssen
• Je nach Beweglichkeit des Drahtvorschubs lässt sich ein TA-Schlauchpaket etwas umständlicher installieren und demontieren

Die Brennertechnologien für TA-Schweißrobotersysteme von ABICOR BINZEL sind sehr ausgereift, sodass sie je nach Applikation und Prozess überdurchschnittlich lange im Einsatz sein können.

Innerhalb des Roboterarms geführte Schlauchpakete sind aufgrund ihrer erheblich längeren Lebensdauer und geringeren Störanfälligkeit während des Prozesses besser geeignet, wenn man die Stillstandszeiten von Schweißrobotern verringern möchte.

4. Roboterbrennerhalterung und Abschaltsicherung

Jeder Roboterschweißbrennerhals sitzt an einer Halterung, die in den meisten Fällen gleichzeitig die Funktion einer Abschaltsicherung integriert hat. Auch diese Brennerhalterung resp. Abschaltsicherung bietet Potenzial zum Optimieren von Standzeiten bei Schweißrobotern. Bei Hohlwellenrobotern ist der Aufbau vorgegeben und die Abschaltsicherung entspricht der Halterung. Bei Schweißrobotern mit außenliegendem Schlauchpaket muss man die Brennerhalterung entsprechend der Anwendung und mit der richtigen Brennergeometrie auslegen – und zwar so, dass man beim Verfahren möglichst wenig enge Radien im Schlauchpaket hat.

Eine mögliche Fehlerquelle bei Brennerhalterungen an einem extern geführten Schlauchpaket kann der Einsatz von zwei Halteelementen sein statt einem einteiligen Halter mit einem definierten TCP. Es ist eine Herausforderung, diese zwei Halteelemente exakt zu positionieren. Damit der TCP nicht auf der Y-Achse verrutscht, müssen alle Teile zusätzlich verstiftet werden. Selbst wenn die mitgelieferten Passstifte den richtigen Durchmesser haben, besteht die Gefahr, dass der Anwender die Bohrungen falsch setzt. Wird ein normaler Bohrer mit 6 mm Durchmesser genommen statt eines Bohrers mit 6H7 mm Durchmesser, kann dieses Zehntel „mehr Luft“ trotz Verschraubung die Halterplatten minimal bewegen. Beim TCP kann diese noch so kleine Verschiebung unter Umständen 2–3 mm ausmachen. Vergleichen kann man dies gut mit der Hebelwirkung eines Gelenkbusses: Eine nur geringe Lenkbewegung des Busfahrers lässt die Fahrgäste der letzten Sitzreihe weit zur Seite schwenken.

Als Ergebnis schweißt der Roboterschweißbrenner nicht mehr dort, wo er schweißen soll. Außerdem kann es zu Beschädigungen des Brennerhalses kommen, wenn er in die Reinigungsstation einfährt.

Tipps

• Bei der Verbindungskette zwischen Roboterflansch und Brennerhals auf so wenig mechanische Schnittstellen wie möglich achten.
• Auf präzise Verstiftungen achten.
• Einteilige Halterungen sind empfohlen.

5. Brenner-Reinigungsstation

Je nach Schweißprozess, Stromquelle und Parametereinstellungen entstehen Schweißspritzer beim MIG/MAG-Roboterschweißen. Diese Spritzer haften im vorderen Bereich des Roboterschweißbrenners und somit auch an der Gasdüse. Werden die Schweißspritzer nicht entfernt, entstehen Verwirbelungen oder Reduzierungen des Schutzgases. In Folge wird die erforderliche Schutzgasabdeckung schlechter und die Gefahr der Porenbildung entsteht. Ein regelmäßiges Reinigen der Gasdüse gehört demnach zum Standard beim Roboterschweißen. Hierzu werden automatisierte Reinigungsstationen eingesetzt.

Es gibt verschiedene Arten von Reinigungsstationen mit den Reinigungsverfahren durch: CO₂, Magnet, Sandstrahlen und Fräser. Für das automatisierte Reinigen beim MIG/MAG-Roboterschweißen ist zu ca. 90 % die Fräserreinigung etabliert, die immer zufriedenstellende Reinigungsergebnisse erzielt. Entscheidend bei der Fräserreinigung ist das Verhältnis von Fräser zum Brennerkopf, das immer ideal zueinanderpassen sollte. Um bestmögliche Reinigungsergebnisse zu erhalten, werden zu den unterschiedlichen Brennerkopfgeometrien passende Fräser angeboten. Beim Reinigungsprozess müssen die Innenkontur der Gasdüse sowie die Außenkontur von Stromdüse und Düsenstock so gut wie möglich abgereinigt werden, um auch die Austrittslöcher des Schutzgases freizuhalten.

Das Reinigungsgerät, das in den meisten Fällen mit einem Luftmotor ausgestattet ist, muss eine ausreichende Leistung haben. Die Reinigungsstation selbst muss außerdem sehr stabil sein, um auch einem Crash standzuhalten, ohne dass alles neu eingestellt und ausgerichtet werden muss.

Empfohlen: Wartungseinheiten

Die Reinigungsstation selbst ist idealerweise eine Wartungseinheit, die in einem Arbeitsgang Fräsen, Ausblasen, Draht abschneiden und das Frontend mit Spritzerschutzmittel besprühen durchführt. Bei einer solchen Wartungseinheit ist darauf zu achten, dass das Messer für das Drahtabschneiden eine entsprechende Härte hat – empfehlenswert ist eine Härte zwischen 62 und 64 HRC (Härte nach Rockwell), was für eine harte Schneide und hohe Schnittbeständigkeit steht und unter die gehobene Härte von Klingenstählen fällt – und nicht vorzeitig verschleißt. Beim Einsprühen darf nicht zu viel Anti-Haftmittel aufgesprüht werden, das auf dem Weg zum Werkstück dann heruntertropft – aber auch nicht zu wenig, da ansonsten keine Wirkung erzielt wird und Schweißspritzer stärker anhaften. Gute Reinigungsstationen als Wartungseinheiten sprühen sehr effizient ein und fangen abtropfende Flüssigkeit auf. Diese kann wieder gefiltert und entsprechend wiederverwendet werden.

Häufigkeit der Reinigungsintervalle

Wie oft ein Schweißroboter an seine Reinigungsstation fahren soll, muss individuell betrachtet werden. Werden die Reinigungsintervalle zu kurz aufeinander programmiert, bleiben Gasdüse, Stromdüse und Düsenstock zwar schön sauber, doch bedeutet das auch mehr Abnutzung an diesen Verschleißteilen und ggf. längere Taktzeiten. Haben die Reinigungsintervalle einen zu großen Abstand, setzen sich mehr Schweißspritzer fest und die Reinigung wird schwieriger.

Beim Einsatz eines Fräsers in einer Wartungseinheit werden die gelösten Schweißspritzer durch dessen Fräsbewegung nach oben geschoben, wo sie natürlich nicht bleiben dürfen. Aus diesem Grund verfügen alle Roboter-Schweißbrenner von ABICOR BINZEL über einen integrierten Ausblasschlauch. Über ein Ventil im Drahtvorschub wird während des Reinigungsvorgangs Pressluft durch die Gasbohrungen geführt, wodurch die gelösten Spritzer nach unten ausgeblasen werden. Das nach dem Drahtabschneiden folgende Einsprühen mit Spritzerschutzmittel reduziert die Spritzeranhaftung und macht späteres Fräsen leichter.

Tipps

• Wartungseinheiten mit integriertem Fräser, Drahtabschneidevorrichtung und Einsprüheinheit mit Anti-Spritzerschutz verlängern die Standzeiten der prozessnahen Verschleißteile.
• Ausschließlich zur Brennergeometrie passende Fräser einsetzen.
• Auf stabile und qualitativ hochwertige Reinigungsstationen achten.
• Fräshäufigkeit und Fräsdauer individuell anpassen.

Roboterprogrammierung

Für jedes Unternehmen stellt bei der Roboterprogrammierung der Mensch die größte Fehlerquelle dar. Eine Mindestanforderung ist, auf jeden Fall Schweißkenntnisse zu haben. Diesbezüglich gibt es einen recht aussagestarken Spruch: „Man kann einem Schweißer das Programmieren beibringen, jedoch einem Programmierer nicht das Schweißen.“ Ausnahmen bestätigen auch hier wie überall die Regel.

Vorkehrungsmaßnahmen bei der Programmierung

Beim Programmieren mögliche vorkehrende Maßnahmen zum Verhindern von Stillstandszeiten und Optimieren der Standzeiten bei Schweißrobotern sind:

• Beim Teachen so wenige Bewegungen wie möglich programmieren
• Auf ruckartige Bewegungen soweit es geht verzichten
•  Schleuder- und Schlenkbewegungen gering halten
• Grenzen für die Achsbewegungen einhalten
• Keine Kollisionen provozieren durch z. B. zu enges Heranfahren an Vorrichtungen
• Ein- und Ausgänge mit externen Geräten wie z. B. Reinigungsstation auf die richtigen Ansteuerintervalle, Dauer der Fräszeit etc. programmieren
• Ordnungsgemäße Prozess- und Stromquelleneinstellungen für die Roboterbewegungen

Aber es liegt auch nicht grundsätzlich allein an der Programmierung, wenn es beispielsweise zu einer Kollision kommt. So können Bauteile fehlerhaft sein, ein Spannelement kann versagen oder wurde nicht ordnungsgemäß geschlossen und Teile sind nicht mehr in ihrer Ursprungsposition. Dies sind allerdings mechanisch bedingte Ursachen, die jedoch auftreten können. Die Abschaltsicherung sorgt in diesen Fällen dafür, dass der Schweißroboter zum Stehen kommt.

Grundlegend kann man sagen: Selbst, wenn man eine zweiwöchige Schulung zum Programmieren für Industrieroboter erfolgreich absolviert hat, bedeutet das noch lange nicht, zukünftig absolut fehlerfrei programmieren zu können. Roboterprogrammierung ist ein lebenslanger Prozess. Man lernt immer wieder Neues – und vor allem nie aus.

Mensch und Maschine – zwei, die sich verstehen

Man kann die Augen vor der Automatisierung nicht mehr verschließen. Mensch und Maschine – sprich Automatisierung – werden in Zukunft im automatisierten Schweißen noch näher zusammenrücken. In anderen Industrien ist es eher »Mensch gegen Maschine«, d. h. der Mensch wird immer weniger gebraucht. Das Handling eines Automaten, der den Menschen in seiner Tätigkeit unterstützt, ihn entlastet und somit Zeit für andere Schweißaufgaben zur Verfügung stellt, ist ein wesentlicher Aspekt, um vom Anwender akzeptiert zu werden.

Wir müssen die Türen öffnen für automatisiertes Schweißen. Dann sind wir effizienter in der Produktion, bleiben wettbewerbsfähig und können die Arbeitskraft sowie das Wissen der Mitarbeitenden gezielter nutzen.

Hier finden Sie zukunftsweisende Automatisierungslösungen für:

• Industrieroboter
• Cobots
• Schweißtraktoren
• Orbitalschweißen
• Kollaborierendes Rohrschweißen

 Ein Besuch auf der Website www.binzel-abicor.com oder auch auf dem ABICOR BINZEL Youtube-Kanal lohnt sich!

Fragen zum Programmieren Ihres Roboters oder zur Anwendung? Das ABICOR BINZEL Team von Programmierern und Anwendungstechnikern unterstützt Sie gerne. Kontaktieren Sie uns und finden Sie mit unseren Automatisierungsexperten die für Sie passende Lösung – auch für den Start in das automatisierte Schweißen.

Happy welding!