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Roboterschweißen: Kühlmittel-Kreisläufe prozessoptimal regeln

Die Kühlmittelkreisläufe in Schweißapplikationen zu regeln, ist aus mehreren Gründen sinnvoll. Neue Plug&Play-Systemlösungen bauen jetzt so kompakt, dass sie direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters an der Bodenplatte Platz finden.

Schweißapplikationen regeln, Bürkert Bildquelle: © Fotolia / wi699

Punktschweißroboter stehen in den hochautomatisierten Produktionsanlagen der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer mitunter zu hunderten in einer Montagehalle. Der Schweißprozess muss zuverlässig laufen, um eine reibungslose Fertigung zu gewährleisten. Dabei spielt die optimale Kühlung der Schweißkappen eine entscheidende Rolle, um die durch die hohen Ströme hervorgerufene Wärmelast gezielt abzuführen. Die verwendeten Kappen sind bei diesem Verfahren zwar von vornherein als Verschleißteile ausgelegt, die regelmäßig zu tauschen sind. Führt man die Wärme aber nicht oder nur unzureichend ab, erhöht sich der Verschleiß und die Wechselintervalle verkürzen sich extrem. Dadurch entstehen nicht nur höhere Kosten, sondern es kommt zu zusätzlichen Produktionsausfällen durch wartungsbedingte Anlagenstillstände.

Die hochgenaue Überwachung und Regelung der Kühlwassermenge zu den einzelnen Schweißzangen der Roboter ist aus mehreren Gründen sinnvoll: Die Durchflussmenge wird immer dem Bedarf angepasst, nicht nur im normalen Betrieb, sondern auch im Teilsystembetrieb sowie bei Anlagenerweiterungen. Zudem benötigt man weniger Kühlwasser, ohne auf opti­male Kühlbedingungen zu verzichten. Nicht zuletzt lassen sich durch ge­regelte Durchflüsse Schließschläge im Kühlwasserkreis vermeiden, die zu Druckstößen im System und einem Verlust der Schweißkappen führen können.

An die Schweißkappen der Punktschweißroboter strömen je nach Werkstoff und Ausführung in der Regel zwischen vier und acht Liter Kühlwasser pro Minute und Kappe. Das Kühlwasser hat dabei im Nennbetrieb eine Temperatur zwischen +20 °C und +40 °C und wird mit einem Druck von bis zu 8 bar beaufschlagt. Nur wenn die Mengen überwacht werden, lässt sich jedoch sicherstellen, dass die Kühlung im laufenden Betrieb auch ordnungsgemäß gewährleistet ist. Denn da die Schweißkappen trotz der Kühlung abnutzen, können beispielsweise Leckagen entstehen. Werden diese nicht rechtzeitig erkannt, kann austretendes Kühlwasser zu Anlagenstillständen führen und sogar zu einer Beschädigung anderer empfindlicher Anlagenkomponenten. Außerdem besteht für den Bediener das Risiko, durch Kühlwasseraustritt gefährdet zu werden. Ergo müssen die Kühlsysteme Leckagen oder Kappenverluste rasch erkennen und im Fall der Fälle den Kühlmittelfluss sofort unterbrechen und absperren.

Kompakte Systemlösung, Bürkert Bildquelle: © Bürkert

Bild 1. Kompakte Systemlösung zum Regeln und Überwachen von Kühlmittelkreisläufen in Schweißapplikationen.

Zu den schnellen Reaktionszeiten kommen aber noch weitere Anfor­derungen: So sollte das Kühlsystem flexibel auf sich ändernde Bedingungen reagieren, also zum Beispiel den Kühlwasserdurchsatz an die Anzahl der sich im Betrieb befindenden Schweißroboter anpassen. Das garantiert nicht nur bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine optimale Kühlung, sondern sorgt auch für eine bestmögliche Ausnutzung der Pumpwerkleistung. Und nicht zuletzt spielt der Platzbedarf eine entscheidende Rolle. Bisher übliche Lösungen zur Kühlung der Schweißkappen bestehen meist aus Komponenten verschiedener Hersteller. Ein Durchflusswächter, ein Vorlauf- und ein Rücklaufventil, ein Rückzugzylinder sowie unter Umständen pneumatische Ansteuerventile sind miteinander verrohrt. Einer der wesentlichen Nachteile dieser Konstruktionsweise ist der relativ große Platzbedarf, der sich durchaus mit einem Haushalts-Kühlschrank vergleichen lässt. Gerade in Anlagen, in denen viele Roboter auf engem Raum gemeinsam arbeiten, kann dies zum Problem werden. 

Abhilfe verspricht hier eine kompakte Systemlösung, wie sie von Bürkert als anschlussfertige Plug&Play-Lösung entwickelt wurde (Bild 1). Die Schweißkappenkühlung besteht dabei im Prinzip aus Pneumatik- und Kühlmitteleinheit sowie dem Prozessregler, der direkt mit der übergeordneten Robotersteuerung oder SPS kommuniziert. Das erlaubt eine permanente Regelung der durch die Zangen fließenden Kühlwassermenge. Der verwendete Durchflusssensor arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,4 % vom Messwert (unter Referenzbedingungen) bei einer Fließgeschwindigkeit zwischen 0,3 m/s und 10 m/s.

Montage auf der Roboterplattform, Bürkert Bildquelle: © Bürkert

Bild 2. Die Montage ist prozessnah möglich, zum Beispiel direkt auf der Roboterplattform neben der Versorgungseinheit.

Da alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind und keine aufwendige Verrohrung notwendig ist, wiegt das komplette Kühlsystem nur knapp 27 kg und braucht nur ein Bruchteil des Platzes konventioneller Lösungen. Beim Schweißen wird der Roboter somit nicht durch das Kühlsystem im seinem Arbeitsbereich eingeschränkt. Der Controller, über den das System konfiguriert wird, lässt sich an einer beliebigen, gut sichtbaren Position – zum Beispiel außen am Schutzgitter – montieren. Meist bleibt jedoch bei der Inbetriebnahme nicht viel zu tun, denn das System ist bereits werksseitig auf die gängigen Zweikreiszangen mit 16-mm-Kappen voreingestellt.

Maximalbegrenzung und Sollwert sind im Controller hinterlegt und nur in Sonderfällen gilt es andere Werte am Controller menügeführt manuell anzupassen.

Auch sonst ist die Inbetriebnahme einfach. Codierte Anschlusstechnik und farbige Schläuche erleichtern die Inbetriebnahme von Pneumatik- und Kühlmitteleinheit. Zur Inbetriebnahme sind lediglich die Luftversorgungsleitung an der Eingangsseite der Pneumatikeinheit mittels Absperrhahn zu öffnen und die Druckluftverbindungen zu prüfen. Ist das System dicht und mit ausreichend Druck versorgt (Druckschalterrückmeldung), kann die Kühlmitteleinheit in Betrieb gesetzt werden.

Durch das Signal ‚System Run‘ von der Robotersteuerung oder SPS wird nun der Schweißkappenkühlprozess in Gang gesetzt und betrieben. Der Controller regelt dabei den voreingestellten Sollwert aus (Bild 2). Mit Überschreiten des unteren Grenzwertes und nicht Überschreiten des oberen Grenzwertes wird ein Signal ‚Wasserfluss i.O.‘ generiert und eine LED zeigt den regulären Kühlbetrieb an.