Roboscan Robotergestütztes Remote-System ermöglicht Laserschweißen wie im Flug

Geschwindigkeit ist Trumpf beim Remote-Schweißsystem Roboscan. Dabei wird keine Scanneroptik mit externen Zusatzachsen verwendet. Stattdessen ist die Fokussieroptik in die Robotersteuerung

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Geschwindigkeit ist Trumpf beim Remote-Schweißsystem Roboscan. Dabei wird keine Scanneroptik mit externen Zusatzachsen verwendet. Stattdessen ist die Fokussieroptik in die Robotersteuerung integriert und ihre Bewegung erfolgt unmittelbar über die Roboterachsen. Im Vergleich zum konventionellen Laserschweißen mit Robotern lassen sich die Zykluszeiten so um bis zu 70% reduzieren.

Science Fiction oder Star Wars: Solche Vergleiche drängen sich auf, wenn man bei Kuka eine Vorführung in Sachen Roboscan erlebt. Mit atemberaubender Geschwindigkeit rast der Laserstrahl über komplexe Bauteile und sorgt für hochfeste Schweißverbindungen – und das aus der Tiefe des Raumes. Wo herkömmliche Remote-Systeme mit aufwendiger Peripherie und paralleler Steuerungstechnik operieren, bietet das robotergestützte Schweißpaket aus Augsburg Einfachheit, Bedienkomfort und Anwendernutzen.

Arbeitsabstände von 1500 mm und mehr sind möglich

Während klassisches Remote-Welding oft mit CO2-Lasern, Linearsystemen, externen Spiegeln für die Auslenkung und Fokussierung des Laserstrahls sowie redundanten Steuerungssystemen arbeitet, hat Kuka Schweissanlagen bewusst einen anderen Weg eingeschlagen. Als integriertes Funktionspaket kombiniert Roboscan die Genauigkeit und Beweglichkeit eines frei programmierbaren 6-Arm-Roboters mit der Performance von Hochleistungs-Faser- oder Scheibenlasern. Machbar sind Brennweiten, und damit Arbeitsabstände, von 1500 mm und mehr (Bild 1).

Auffälligstes Merkmal ist, dass keine konventionelle Remoteschweißoptik (Scanneroptik mit externen Zusatzachsen) zum Einsatz kommt. Bei Roboscan ist die Fokussieroptik in die Robotersteuerung integriert. Ihre Bewegung findet unmittelbar über die Roboterachsen statt. Die Schweißoptik mit langer Brennweite ist direkt an der Roboterhand platziert (Bild 2). Von dort erfolgt die punktgenaue Fokussierung und Auslenkung des eigentlichen Laserstrahls, der selbst über große Distanzen mit hoher Genauigkeit arbeitet und Fokusdurchmesser von 0,6 mm erzeugt.

Unter dem Strich bedeuten der große Arbeitsabstand und die nahezu grenzenlose Bewegungsfreiheit kürzere Verfahrwege und damit deutlich schnellere Taktzeiten. Im Vergleich zum konventionellen Laserschweißen mit Robotern lassen sich die Zykluszeiten um bis zu 70% reduzieren.

Eine spezielle Bewegungsführung des Roboters, bei der vor allem die drei massearmen und schnellen Handachsen gezielt für Positionswechsel und die Bahnbewegung der Schweißoptik genutzt werden, sorgt für harmonische Bewegungsabläufe, die man so von Laserschweißrobotern kaum kannte. Positioniergenauigkeit und Laufruhe werden unterstützt durch die harmonische, geschwindigkeitsabgestimmte Bewegung der Grundachsen, die deutlich geringere Beschleunigungs- und Abbremskräfte erzeugt.

Die Schweißung beginnt schon bei Neigungswinkeln von ±30°

Eine Besonderheit beim Remote Welding à la Kuka: Roboscan nutzt die Möglichkeit des Schweißens unter variablen Einstrahlwinkeln. Dabei beginnt die Schweißung nicht erst in senkrechter Stellung zum Bauteil, sondern schon bei Neigungswinkeln von ± 30°. Der Laserstrahl wird bereits in stechender Anstellung aktiviert und geht während des Schweißens einer Naht in eine senkrechte und abschließend in eine schleppende Position über.

Bedingt ist dies durch die gegenüber der Prozessgeschwindigkeit beim Schweißen höhere Fahrgeschwindigkeit des Roboters. Behält man in dieser Phase die Laseroptik und die Bearbeitungsstelle im Auge, sieht es aus, als ob der Roboter sich selbst überholt.

Ablauftechnisch bedeutet dies eine Überlagerung der Prozess- mit der Versatzbewegung, das heißt Haupt- und Nebenzeit überlappen sich. Auch dies ist ein wichtiger Faktor für die hohe Produktivität des neuen Systems, das in kürzerer Zeit deutlich mehr schafft als konventionelle Schweißlaser.

Zoomschweißoptik ist in die Steuerung eingebunden

Nicht nur schnelle Taktzeiten – und damit gute Wirtschaftlichkeit – standen im Mittelpunkt, als man die Planungen für das neue Remote-Welding-Konzept in Angriff nahm. Gesucht wurde ein modernes und leistungsstarkes Fertigungssystem, das zugleich durch hohen Bedienkomfort und einfache Schnittstellen überzeugen sollte. Konsequent umgesetzt wurde dies etwa bei der Steuerung des Roboscan-Systems in Verbindung mit einer frei programmierbaren Zoomoptik, über die der Arbeitsabstand variabel gestaltet werden kann.

Statt den Anwender mit unterschiedlichen Steuerungswelten zu konfrontieren, ist die an der Roboterhand installierte Zoomschweißoptik – quasi als siebte Achse – nahtlos in die Steuerung des Kuka-Roboters eingebunden. Integriert wurde auch die Ansteuerung der Laserstrahlquelle und der externen Strahlweiche, die entweder als Softwarepaket in der Robotersteuerung ablaufen kann oder in einem zusätzlichen Gehäuse außerhalb der eigentlichen Fertigungszelle untergebracht ist.

Um auf die schnellen Versatzzeiten des Roboscan-Systems eine positionsgenaue Strahlquellenreaktion (Laserleistung, Ein-/Ausschalten) aufschalten zu können, wurde eine Echtzeit-Ansteuerung der peripheren Komponenten realisiert. Dies hat für den Bediener den Vorteil, dass er es nicht mit zwei parallelen Steuerungen zu tun hat, sondern das bekannte „Look and Feel“ der Robotersteuerung selbst bei der Prozess-Parametrierung vorfindet und nutzen kann.

Um auf die unterschiedlichen Applikationen und Kundenanforderungen schnell und sicher reagieren zu können, ist das Roboscan-System wie ein Baukasten aufgebaut. Je nach Bedarf können die Anlagenbauer auf die jeweiligen Komponenten in der passenden Größe und Leistungsklasse zugreifen und daraus ohne größere Anstrengung eine fertige Produktionszelle zusammenstellen.

Zoomoptik variiert Brennweite zwischen 800 und 1200 mm

Zum Baukasten gehören unter anderem Standard-Gelenkroboter unterschiedlicher Handhabungsgewichte und Baugrößen, Laser mit hoher Strahlqualität (Faser- oder Scheibenlaser), konventionelle Optiken mit unterschiedlichen Festbrennweiten (350 bis 1500 mm) und neuerdings auch eine Zoom-Optik mit variabler Brennweite. Erfordert es das Anlagenkonzept, sind auch Strahlweichen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Faserabgängen verfügbar. Über das Baukasten-Prinzip wird sichergestellt, dass Roboscan mit einem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis an den Start geht.

Jüngster Zuwachs im Baukasten ist eine Zoom-Optik, mit der die Brennweite des Laserstrahls stufenlos zwischen 800 und 1200 mm variiert werden kann. Diese Eigenentwicklung markiert einen weiteren Quantensprung beim Remote-Laserschweißen, denn sie macht Roboscan noch flexibler und schneller. Die brennweitenvariable Schweißoptik, die von einem 5 kW starken Faserlaser gespeist wird, ist als numerisch gekoppelte Roboterachse über die Robotersteuerung frei programmierbar.

Unterstützt wird die Programmierung durch einen integrierten Teach-Sensor (Laufzeit-Sensor), der den Abstand zwischen Bauteil und Optik vermisst und die Brennweite automatisch anpasst. Diese automatische Zoom-Funktion reduziert deutlich die Versatzbewegungen, die der Roboter bei Schweißoptiken mit fester Brennweite vornehmen müsste. Zoom heißt unter dem Strich: noch weniger Bewegung für den Roboter – und eine nochmals deutlich verkürzte Taktzeit.

Bewährt hat sich das System mit der flexiblen Zoom-Optik im Kuka Tech Center bereits bei der Fertigung anspruchsvoller Autositz-Komponenten. Dabei wurden im Testbetrieb unter Produktionsbedingungen Sitzschalen aus 1 bis 3 mm dickem Bleck mit einer Vielzahl von Verstärkungselementen (Streben und Rohre) verschweißt – und das bei einer Schweißgeschwindigkeit von bis zu 6 m/min. Konkret wurden bis zu 10 verschiedene Bauteile verbunden, die je nach Sitztyp bis zu 100 Fügestellen erforderten (Bild 3). Was mit konventioneller Schweißtechnik aus Widerstands- und Schutzgasschweißen in einer Taktzeit von 60 s bewältigt wurde, schaffte das Remote-Lasersystem mit der Zoom-Optik in weniger als 10 s.

Mit Verfahrachse sind 30 m lange Schweißnähte möglich

Künftige Anwendungsfelder liegen nicht nur bei der Fertigung von relativ kompakten Großserienteilen wie Sitzen oder Türen für den Automobilbau, sondern auch beim schnellen und prozesssicheren Verschweißen hochvolumiger und komplexer Bauteile für die Weiße-Ware-Industrie (etwa Spülmaschinengehäuse) oder andere Non-Automotive-Produkte. Selbst megagroße Einsätze, etwa das Schweißen von 30 m langen Seitenwänden für Eisenbahnwaggons, stellen kein Handikap dar. Dabei reicht es, den Roboter auf eine lineare Verfahrachse zu stellen – und schon kann die Arbeit losgehen.

Voll einbringen kann das Remote-System von Kuka die klassischen Vorteile, die das Laserschweißen als berührungslose Fügetechnik aufbietet. Dazu gehören etwa der minimale thermische Verzug und die schonende Behandlung der Bauteile, die genaue Bestimmung der Einbrandtiefe (wichtig etwa bei Sichtpunkten) und der Zugriff auf ein breites Repertoire an Schweißnahtmustern (Bild 4). Problemlos kann der Anwender – wie bei einer Nähmaschine – zwischen unterschiedlichen Geometrien (zum Beispiel Strich- oder Zickzack-Nähte, Kreise, Ellipsen, Mäanderbänder) wählen und so die Fügzonen anforderungsspezifisch bearbeiten.MM

Anton Englhard ist Gruppenleiter Laseranwendungen im Tech Center der Kuka Schweissanlagen GmbH, 86165 Augsburg, Tel. (08 21) 7 97-0, Fax (08 21) 7 97-19 91, anton.englhard@kuka.de

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