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Kollaborativ schweißen

22. Juni 2022, 10:05 Uhr | Dr. Christian Henke
Kollaborativ schweißen
© Wolfram Schroll / Fraunhofer IEM

Nicht immer ist Automatisieren die beste Lösung – hohe Variantenvielfalt oder ein zu großer Invest sind zwei Hindernisse, warum eine vollständige Automatisierung für Unternehmen selten eine Option ist. Aber: Es gibt ja auch die Möglichkeit der Teilautomatisierung.

Gerade im Mittelstand zeigt sich: Die vielversprechendste Technologie hat keine Chance, wenn der Implementierungsaufwand für neue Aufträge zu groß ist. Und über Jahrzehnte gewachsene Maschinenparks, Arbeitsprozesse und Kulturen ändert niemand so einfach.

Trotzdem muss nicht alles so bleiben, wie es ist. Neue Technologien lassen sich zielgerichtet dort einsetzen, wo sie mit wenig Aufwand großen Nutzen bringen. Ein wichtiger Trend ist hier die Teilautomatisierung: Nach sorgfältiger Prüfung können Unternehmen so entsprechend ihren eigenen Bedürfnissen bestimmte Prozesse und Arbeitsschritte optimieren. Das Fraunhofer IEM stellt sich dieser Aufgaben, indem es mit kleinen und mittleren Unternehmen individuelle Lösungen findet, mit denen sich diese den aktuellen Herausforderungen stellen: Eines der drängendsten Probleme neben Lieferketten-Engpässen und Handelskrisen ist der akute Fachkräftemangel.

Ein Beispiel aus dem Bereich Kollaborative Robotik zeigt, wie ein Hersteller von Schweißbaugruppen bisher händische Arbeiten automatisiert und seine Produktion damit effizienter macht. Zugleich bietet das Unternehmen seinen Facharbeitern im Bereich Schweißen interessante Entwicklungschancen. Der Industriepartner des Fraunhofer IEM entwickelt kundenspezifische Systemarmaturen, Montage- und Schweißbaugruppen sowie Sonderarmaturen. Wie bei vielen Mittelständlern war die Einführung von Automatisierungslösungen für das Unternehmen aufgrund geringer Stückzahlen bisher nicht attraktiv. Was fehlte, waren effiziente Lösungen, die auch bei Losgröße 1 wirtschaftlich einsetzbar sind. In der Produktion boten sich im Bereich Schweißen erste Anknüpfungspunkte: Insbesondere die Technik des Rohr-in-Rohr-Schweißens ist sehr anspruchsvoll. Facharbeiter greifen dabei auf langjähriges Expertenwissen zurück, um den bis dato rein händischen Schweißprozess zu kontrollieren.

Ziel der Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut war die Teilautomatisierung dieses Schweißprozesses. Das roboterbasierte kollaborative Schweißsystem sollte automatisch zu verschweißende Nähte lokalisieren und präzise bearbeiten. Dabei stellten sich dem Schweißsystem zwei grundlegende Anforderungen: Erstens sollte die spätere Bedienung nach dem Prinzip Low Code möglich sein, so dass die Facharbeiter ohne klassisches, manuelles Programmieren auskommen. Zweitens sollte es ihnen ermöglicht werden, sich vollständig auf die Überwachung des Schweißvorgangs zu konzentrieren. Durch die Arbeitserleichterung auf der einen Seite sollten sie ihr unverzichtbares Prozesswissen auf der anderen Seite noch effektiver einsetzen können.

Warum ein kollaborierender Roboter?

Gerade in gewachsenen Produktionsumfeldern – wie auch bei dem mittelständischen Projektpartner des Fraunhofer-Instituts – bestehen viele unterschiedliche Systeme nebeneinander. Für diese Koexistenz ist der Cobot wie geschaffen: Er ist relativ leicht und handlich und ermöglicht es, Roboterzellen kleiner zu gestalten. Gerade wenn es räumlich eng wird, ist eine Cobot-Lösung meist die beste Wahl.

Hinzu kommt ein technischer Vorteil beim Einrichten auf neue Aufträge: Per Knopfdruck befindet sich der kollaborative Roboter im Freedrive-Modus und kann von Hand geführt werden. Ist das Bauteil platziert, führt der Facharbeiter den Roboter manuell an die zu schweißende Position und gibt ihm damit den Arbeitsauftrag. Der Freedrive-Modus ermöglicht schnelles und effektives Einrichten ohne komplizierte Programmierung.

Intelligente Software und zentrale SPS

Kollaborativ schweißen
Für die kollaborative Robotik-Lösungen kontrolliert eine zentrale speicherprogrammierbare Steuerung alle Prozessabläufe, synchronisiert Teilsysteme und fungiert als Schnittstelle zu übergeordneten Informationsverarbeitungssystemen.
© Fraunhofer IEM

Der Facharbeiter soll die Schweißanlage nur einstellen und sich dann ausschließlich auf die Prozessüberwachung konzentrieren können. Insbesondere das Anfahren des Prozesses muss beobachtet werden. Gegebenenfalls sind kleine Anpassungen an den Prozessparametern erforderlich, was weiterhin großes personenbezogenes Know-how erfordert. Damit die hierfür nötigen Kapazitäten freiwerden, liegt die Intelligenz der kollaborativen Schweißlösung primär in der Software. In ihr sind alle erforderlichen Abläufe, wie zum Beispiel die Ansteuerung des digitalen Schweißgerätes, abgebildet. Eine zentrale speicherprogrammierbare Steuerung steuert alle Prozessabläufe, synchronisiert die Teilsysteme und fungiert als Schnittstelle zu übergeordneten Informationsverarbeitungssystemen.

Über eine zentrale einheitliche Benutzerschnittstelle wählt der Anwender an einem Bedienpanel zwischen unterschiedlichen Schweißprozessen und konfiguriert den Schweißvorgang. Der sonst für jedes Werkstück nötige individuelle Programmieraufwand und das dafür erforderliche Wissen über die Eigenschaften der unterschiedlichen Systemkomponenten wie Schweißgerät, Roboter oder Zusatzachsen entfallen. Der Anwender wählt nur die Prozesskonfiguration für das jeweilige Werkstück aus und passt bei Bedarf beispielsweise den Schweißstrom an. Durch die im Werkzeugkopf verbauten Sensoren können auch Schweißnähte für komplexe Werkstückgeometrien automatisiert gezogen werden. Das System erkennt prozess- oder materialbedingte Abweichungen der Werkstücke und gleicht diese selbständig aus.

Raumportale erweitern den Aktionsradius

Die kleinen, flexibel einsetzbaren Cobots spielen in vollautomatisierten Produktionsumgebungen eine immer wichtigere Rolle. Ein Nachteil ist allerdings ihr relativ geringer Aktionsradius. Daher hat das Fraunhofer IEM gemeinsam mit Rose+Krieger, einem Anbieter für Komponenten und Systemlösungen für die Automatisierungstechnik, ein dreiachsiges Raumportal für seine Cobot-Lösungen entwickelt, das den Arbeitsbereich von Cobots signifikant erweitert. Intelligente Sensoren und Algorithmen ermöglichen dabei eine reibungslose Kommunikation zwischen Roboter und Raumportal. Das Ergebnis sind synchronisierte Bewegungen von Portal und Cobot sowie die einfache Anpassung des Systems an sich ändernde Anwendungsszenarien ohne aufwendige Umbau- und Rüstarbeiten.

Kollaborativ schweißen
Dr. Christian Henke leitet die Abteilung Scientific Automation am Fraunhofer IEM in Paderborn.
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Das kollaborative Schweißsystem ermöglicht Unternehmen auch bei hoher Variantenvielfalt und gleichzeitig kleinen Stückzahlen eine wirtschaftliche Produktion. Gleichzeitig macht es das Berufsbild des Facharbeiters deutlich spannender und attraktiver. Grundsätzlich ist die vorgestellte Lösung auch auf andere Branchen übertragbar. Nutzen bringt sie dort, wo eine manuelle Bearbeitung von Produkten oder Werkstücken nicht wirtschaftlich ist beziehungsweise körperliche Arbeitsbelastungen verringert werden sollen. Beispiele sind Oberflächenbearbeitungen wie Ausfräsen oder kraftsensitives Polieren oder auch Handhabungsvorgänge wie Stapeln oder Sortieren.

Natürlich bedeutet das Einführen von Automatisierungslösungen immer auch einen Veränderungsprozess für die Mitarbeiter. Erfolgsfaktoren sind hier zum einen eine neugierige, technikaffine Belegschaft. Zum anderen müssen Führungskräfte Sorgen nehmen können und Unterstützung sowie Weiterbildung bei der Umstellung auf neue Arbeitstechniken und Prozesse bieten. Wichtig ist es, Mitarbeitern die Chancen aufzuzeigen: Wer vorher geschweißt hat, bedient plötzlich eine komplexe Automatisierungslösung – und bekommt ganz neue Karrierechancen.


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