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Programmiersoftware Schweißroboter schnell und intuitiv programmieren

| Autor / Redakteur: Alexander Kuss / Mag. Victoria Sonnenberg

Weil die Programmierung noch aufwendig ist, verzichten KMU häufig notgedrungen auf Roboter. Speziell für Schweißaufgaben haben Forscher vom Fraunhofer-IPA deshalb eine innovative Programmiersoftware entwickelt.

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Robot Kit bietet eine neue, intuitive Form der Schweißroboterprogrammierung.
Robot Kit bietet eine neue, intuitive Form der Schweißroboterprogrammierung.
(Bild: Fraunhofer-IPA/Rainer Bez)

Roboter werden bereits heute erfolgreich für die Fertigung von Schweißbauteilen eingesetzt. Bisher profitiert davon jedoch hauptsächlich die Großserienproduktion mit sich ständig wiederholenden Schweißaufgaben. Aufwendige Produktanpassungen und teure Vorrichtungen garantieren dort gleichbleibende, für den Roboter beherrschbare Bedingungen. In kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) mit kleinen Losgrößen und wechselnden Produktvarianten werden die meisten Schweißprozesse hingegen manuell von Schweißern ausgeführt.

Wenn Fachkräfte fehlen

Doch ausreichend qualifiziertes Personal wird immer knapper, denn der Fachkräftemangel tritt auch bei der Fertigung hochwertiger Schweißbauteile zutage: Der Prozess erfordert ein solides Wissen und langjährige Erfahrung. Da ist es naheliegend, die Produktion immer stärker zu automatisieren und das vorhandene technologische Fachwissen auf Robotersysteme zu übertragen. Damit der Einsatz von Schweißrobotern auch für KMU profitabel wird, müssen Robotersysteme jedoch an die flexible, kundenorientierte Produktionsweise angepasst werden.

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Automatische Programmerzeugung und -anpassung

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickeln die Forscher am Fraunhofer-IPA speziell für Schweißaufgaben die herstellerunabhängige Software Robot Kit. Sie realisiert gleich mehrere Innovationen: Zum einen wird dem Roboter mittels 3D-Sensorik und intelligenter Auswertealgorithmen die Fähigkeit zum „Sehen“ gegeben, er erhält also kognitive Fähigkeiten. Das Robotersystem erkennt Schweißbauteile, deren Position und mögliche Geometrieabweichungen und generiert selbstständig Vorschläge für zu schweißende Bahnen. Diese kann der Bediener in einer grafischen Bedienoberfläche auswählen und sequenzieren. Zum anderen erfolgt die kollisionsfreie Bahnplanung und Generierung von Roboterprogrammcode automatisch durch die neu entwickelte Software. Somit wird der Schweißfachmann von Programmieraufgaben entlastet und kann sein Wissen über den Fertigungsprozess optimal einbringen.

Sollten sich die Produktvarianten ändern, sind die Schweißaufgaben einfach und schnell rekonfigurierbar. Um Bauteile frei auf dem Schweißtisch bewegen zu können und damit Vorrichtungen zu reduzieren, kann durch die integrierte 3D-Sensorik auch die Bauteillage bis auf 0,2 mm genau vermessen und das Roboterprogramm automatisch angepasst werden. Zudem ist es möglich, geometrische Abweichungen der Bauteile zu erfassen, wie sie beispielsweise durch Ungenauigkeiten beim vorgelagerten manuellen Heftschweißen entstehen. Die Software adaptiert dann selbstständig die Roboterbahn und die Prozessparameter, wodurch das manuelle Nachteachen bei der Offlineprogrammierung entfällt.

Cloud-Ansatz als Basis für Big Data

Zudem können die durch die Software erzeugten Daten, wie Informationen über Roboterbahnen oder Bauteilabweichungen, in einer Cloud-Infrastruktur zusammengeführt werden. Der Cloud-Ansatz bildet dann die Basis für mögliche Big-Data-Auswertungen und Prozessoptimierungen, denn es liegt stets ein „digitaler Schatten“, also ein virtuelles, echtzeitnahes Modell von Produkt und Schweißprozess, vor.

Integration in Produktionen

Aktuell werden die Technologiekomponenten der Software für die Produktion bei zwei Endanwendern weiterentwickelt. Dies geschieht im Rahmen von „Autoweld“, einem von acht Pilotprojekten im EU-Projekt Robott-NET. Ziel dieses noch bis Ende 2019 laufenden Projekts ist es, eine nachhaltige europäische Infrastruktur zu schaffen, um neue Robotertechnologien gemeinsam zu entwickeln und sie nutzbringend vor allem in kleine und mittelständische Produktionen zu bringen. Zu den geförderten Pilotprojekten gehören Technologien, wie zum Beispiel Lösungen für den Griff in die Kiste, autonome Navigation, Mensch-Roboter-Kooperation und eben das roboterbasierte Schweißen.

Die Technologiekomponenten der IPA-Software werden im Projekt Autoweld in die Roboterprogrammiersoftware der Firma Delfoi integriert und Ende des Jahres bei der Firma Piccolo K+L Behältertechnik GmbH in der Produktion getestet. Das Unternehmen stellt Gitter- und Transportboxen her, die in der Automobilindustrie Verwendung finden. Weil sie in relativ kleinen Stückzahlen und hoher Variantenvielfalt gefertigt werden, schweißen die Fachkräfte in der Produktion ausschließlich von Hand. Der Einsatz von Robotersystemen ist unter solchen Bedingungen unwirtschaftlich. Der Grund: Die herstellerspezifischen Programmiersprachen sind komplex, sodass hohe Schulungsaufwände entstehen, um einen Roboter für neue Bauteile zu programmieren. Zudem würde die Programmierung einer neuen Schweißaufgabe auch für ein einfaches Bauteil derzeit noch mindestens 90 Minuten dauern – das lohnt bei Massenproduktion, nicht aber bei Losgrößen von 20 bis 100 Stück, wie sie bei Piccolo häufig vorkommen.

Reduzierter Programmieraufwand

Dank der Technologiekomponenten mit den neuartigen Algorithmen zur Bahnplanung und 3D-Erkennung der Bauteile konnte die Roboterprogrammierung in einem ersten Testszenario von 90 auf nur noch sieben Minuten reduziert werden. Auch bei dem Mittelständler Cedis Components GmbH wurden die Technologiekomponenten bereits getestet. Dort konnte die Programmierzeit des Schweißroboters in einem ersten Testszenario ebenfalls signifikant reduziert werden. Auf Basis der vielversprechenden Ergebnisse wird die Technologie nun für den Produktionseinsatz weiterentwickelt.

* Dipl.-Ing. Alexander Kuss ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in 70569 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70 12 97, alexander.kuss@ipa.fraunhofer.de

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