Doka mit Sitz im Amstetten beschäftigt mehr als 6000 Mitarbeiter in über 70 Ländern. Das 1958 gegründete Unternehmen stellt weltweit Schalungslösungen bereit – beeindruckende Bauprojekte wie das Burj Khalifa, mit 828 Metern das höchste Gebäude der Welt, das Three World Trade Center in New York oder der Lotte World Tower in Seoul entstanden mit Systemlösungen der Niederösterreicher. Den Anspruch, technologisch Maßstäbe zu setzen, hat Doka nicht nur an die hergestellten Schalungen selbst, sondern auch hinsichtlich deren Fertigung. Daher sollte unter anderem das lange übliche und zeitaufwendige Handschweißen bestimmter Bauteile für die unterschiedlichsten Schalungssysteme der Vergangenheit angehören. Vor diesem Hintergrund reifte das Vorhaben zur Installation einer vollautomatischen Roboterschweißzelle.

Der Motoman MH280 mit 280 kg Traglast beim Ablegen eines Bauteils auf dem Rundtaktfördersystem. Im Hintergrund ist der Kardex-Shuttle für die Zuführung von bis zu 60 Bauteilen zu sehen.

© Ralf Högel

Zum eigentlichen Anlagenlayout: Die Zuführung der zu schweißenden Bauteile kann sowohl über ein Rundtaktsystem mit 16 Werkstückträgern als auch über das Tower-Shuttlesystem erfolgen. Während das Rundtaktsystem vorwiegend für die Produktion kleiner bis mittlerer Serien gedacht ist, macht sich das Shuttlesystem in bedienerlosen Schichten bezahlt. Mit seinen 60 Plätzen garantiert es einen autonomen Anlagenbetrieb von weit mehr als einer Schicht. Die ‚Chefs‘ in der Zelle sind zwei Sechsachser: Ein Handlingroboter vom Typ Motoman MH280 II sowie der Schweißroboter MH24. Während ersterer das zu verschweißende Bauteil exakt positioniert, übernimmt der Schweißroboter das Fügen.

Auf Roboterseite sind dabei optimales Bahnverhalten und hohe Präzision gefragt, während die DX200-Steuerung für eine perfekte Synchronisation und Koordination der beiden Sechsachser sorgt. Der große Arbeitsradius von knapp 2,5 m beim Handhabungsroboter und 1,73 m beim Schweißroboter stellen sicher, dass alle Positionen erreicht werden und sämtliche Schweißungen in optimaler Wannenlage erfolgen.

Für perfekte Schweißnähte ist der MH24 mit dem Kamerasystem MotoSense ausgestattet. Dieses laserbasierte Visionsystem ermöglicht dem Roboter die Nahterkennung und -verfolgung in Echtzeit.

Nahtverfolgung in Echtzeit

Grafik der Selbstkletter­schalung von Doka (re.). Die Markierung zeigt die Stelle, wo sich der Verbundschuh (Detailbild, li.) mit den lasergeschweißten Nähten befindet.

© Doka

Die Integration erfolgt über eine direkte Schnittstelle zur Roboter-Steuerung. Da mit diesem System eine absolute Bauteil-Positionierung nicht mehr erforderlich ist, eignet es sich ideal für Jigless-Anwendungen und stellt optimale Schweiß-Ergebnisse selbst bei komplexen Aufgabenstellungen sicher. Einen weiteren wesentlichen Beitrag zu der hohen Qualität der Schweißnähte leistet Schwarzl zufolge die  Fronius-Schweißstromquelle TPS500i: „Sie sorgt für einen wesentlich besseren Einbrand und signifikant höhere Schweißgeschwindigkeiten. Das wirkt sich positiv auf die Prozesszeiten aus.“ Damit neben den Prozesszeiten die Nebenzeiten so kurz wie möglich ausfallen, sind sowohl der Handling- als auch der Schweißroboter mit automatischen Wechselsystemen ausgestattet. Dabei holt sich der Handlingroboter selbstständig den gerade benötigten Greifer vom in der Zelle integrierten Greiferbahnhof. Ähnliches gilt für den Schweißroboter: Er ist so programmiert, dass er zyklisch den gerade verwendeten Brennerhals gegen einen neuen an der Wechselstation tauscht. Damit ist ein störungsfreier Betrieb mit maximaler Schweißqualität auch in den bedienerlosen Schichten gewährleistet.

Trotz der Vielzahl digital vernetzter Komponenten erreicht die Anlage nicht nur eine hohe Verfügbarkeit, sie setzt auch Maßstäbe hinsichtlich Bedienfreundlichkeit: An der Zelle muss der Bediener im Wesentlichen nur die Teile einlegen, das richtige Programm wählen und die Fertigteile wieder entnehmen, was prozessparallel durchgeführt werden kann. Anspruchsvoller gestaltet sich die Programmierung der Anlage mit den beiden kooperierenden Robotern, die die erfahrene Doka-Mannschaft aber problemlos beherrscht. Hierfür steht unter anderem ein leistungsfähiges Offline-Programmiersystem samt 3D-Simulation mit Kollisionserkennung zur Verfügung. Zudem können  in der Robotersteuerung einmal geschriebene Schweißprogramme für bis zu 1000 Komponenten gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden.

Kosten versus Nutzen

Für Produktionstechniker Schwarzl erfüllt die Jigless-Schweißzelle die in sie gesetzten Erwartungen mit Bravour: „Mit dem vorrichtungslosen Roboterschweißen sind wir je nach Bauteil bis zu dreimal schneller als beim Handschweißen. Zudem erreichen wir eine bisher nicht gekannte Flexibilität, da wir in bedienerlosen Schichten auftragsbezogen in Losgröße 1 produzieren können. Wirtschaftlich ist das ein Volltreffer, da teuere Lagerhaltung künftig weitgehend entfällt und die Herstellkosten ebenfalls sinken.“ Da wundert es nicht, dass man bei Doka bereits heute über Investitionen in weitere Jigless-Roboterzellen nachdenkt.

Zugegeben: Auf den ersten Blick scheint die Investition in die Jigless-Anlage aufgrund der höheren Anzahl an Robotern kapitalintensiver zu sein. Dem hält Sepp Hautzinger jedoch entgegen: „Je nach Losgrößen und Variantenanzahl finden sich in der Praxis konventionelle Schweißanlagen, für die Hunderte von Spannvorrichtungen existieren. Diese müssen konstruiert, gebaut, gelagert und gewartet werden. Da-zu addieren sich die Kosten für die manuellen Spann- und Heftarbeiten. Weiterer Vorteil des vorrichtungslosen Schweißens: Bei Bauteil-Änderungen entfallen zeit- und kostenintensive Anpassungen an den Schweißvorrichtungen. Unter Berücksichtigung all dieser Aspekte ist die Jigless-Technologie auch auf der Kostenseite schnell im Vorteil.“

Nicht zuletzt komme mit Jigless eine unglaubliche Flexibilität ins Spiel. Hautzinger: „Wir haben bereits einige Anlagen realisiert, die eine komplette Schicht völlig autonom arbeiten können. Diese Geisterschichten setzen aber im Hinblick auf einen dauerhaft störungsfreien Betrieb die sichere Beherrschung aller Prozesse voraus. Ergo ist hier nicht nur die Kompetenz des Anlagenbauers gefragt; auch der Anwender sollte bereits über fundierte Robotik-Kenntnisse verfügen.

Autor:
Ralf Högel ist freier Autor aus Stadtbergen.

Adaptiv schweißen mit Lasersensorik

Das laserbasierte Kamerasystem MotoSense macht eine absolute Bauteil-Positionierung überflüssig.

© Yaskawa

Roboter folgen programmierten Steuerbefehlen – hochpräzise zwar, aber zunächst einmal ‚blind‘. Das bedeutet im Fall einer Schweißapplikation: Die zu verschweißenden Werkstücke müssen exakt und in immer derselben Position angeordnet werden, damit der Roboter die Schweißnaht korrekt setzen kann.

Mehr Flexibilität ermöglicht die Kombination des Roboters mit einem optischen Erkennungssystem. Durch die ‚Augen‘ der Sensorik ist der Roboter in der Lage ,situationsspezifisch zu agieren und beim Schweißen beispielsweise auch wechselnde Spaltmaße zur berücksichtigen.

Allerdings ist eine solche Kombination technisch komplex: Die von der Sensorik erfassten Signale sind in Echtzeit auszuwerten und so aufzubereiten, dass sie die Robotersteuerung verarbeiten und als Bewegungsbefehle an den Manipulator beziehungsweise das Schweißwerkzeug weitergeben kann. Die Realisierung der dafür erforderlichen Schnittstellen erfordert besonderes Know-how auf Kamera- wie auf Robotikseite. Je nach spezifischer Anforderung stehen zwei grundsätzlich unterschiedliche Erkennungsverfahren zur Auswahl: Vergleichsweise einfache Visionsysteme erfassen mit statischen Kameras Einzelbilder in 2D. Für anspruchsvollere Anwendungen kommen laserbasierte Sensorik- beziehungsweise Kamerasysteme zum Einsatz. Diese erlauben eine 3D-Vermessung der Oberfläche und damit eindeutige Aussagen über die Kontur – und zwar nicht nur statisch, sondern auch dynamisch, das heißt bei permanenter Erfassung. Eine dynamische Nahterkennung und -verfolgung bietet schließlich auch die Voraussetzung für adaptive Schweißapplikationen: Die erfassten Daten werden dann so mit dem Schweißprozess verknüpft, dass der Roboter beispielsweise das Füllgut exakt in Abhängigkeit von der jeweiligen Kontur dosiert.

Das laserbasierte Kamerasystem MotoSense, das auch bei Doka zum Einsatz kommt, ist in allen drei Betriebsmodi einsetzbar: statisch, dynamisch und adaptiv. Dabei lässt es sich für MIG/MAG, WIG und Plasmaschweißtechnologien anwenden und kann verschiedenste Materialien bis hin zu rostfreien Stählen und Aluminium bearbeiten. Das System kommuniziert direkt mit der Motoman-Roboter-Steuerung, in die es hineinentwickelt wurde: Das Zusammenspiel von vorbereiteten Makrojobs und geeigneten Vision-Algorithmen sorgt für perfekte Ergebnisse selbst bei komplexesten Schweißaufgaben.