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Fluidtechnik Schweißzangen intelligent kühlen rechnet sich

Autor / Redakteur: Hartmuth Lotha / Stefanie Michel

Schweißroboter müssen zuverlässig laufen. Dabei spielt die optimale Kühlung der Schweißkappen eine entscheidende Rolle. Das übernimmt ein Plug-and-play-Kühlsystem, das in Industrie-4.0-Konzepte eingebunden werden kann. Dieses System bietet aber noch weitere Vorteile.

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Bild 1: Bei Punktschweißrobotern in der Automobilindustrie ist eine möglichst genaue Überwachung und Regelung der Kühlwassermenge zu den einzelnen Schweißzangen notwendig.
Bild 1: Bei Punktschweißrobotern in der Automobilindustrie ist eine möglichst genaue Überwachung und Regelung der Kühlwassermenge zu den einzelnen Schweißzangen notwendig.
(Bild: Kuka Deutschland)
  • Zur Regelung und Überwachung der Kühlwassermenge bei Schweißzangen steht seit einigen Jahren ein kompaktes System aus Pneumatik, Steuerung und einem Kühlmittelmodul zur Verfügung.
  • Neben zusätzlicher Sensorik ist die Kommunikation des Systems mit der übergeordneten Steuerung nun auch über Profinet möglich, was die Basis für den Einsatz in einer Industrie-4.0-Umgebung schafft.
  • Zum einen lassen sich durch die geregelte Schweißzangenkühlung eine höhere Schweißqualität und Prozesssicherheit sowie Einsparungen bei Kosten und Energieverbrauch erzielen. Zum anderen ist das System jetzt für Cloud-Anwendungen wie Ferndiagnose gerüstet.

Bei Punktschweißrobotern in der Automobilindustrie (Bild 1) ist eine möglichst genaue Überwachung und Regelung der Kühlwassermenge (siehe Kastentext) zu den einzelnen Schweißzangen gleich aus mehreren Gründen sinnvoll, um die Kosten- und Energieeffizienz im Karosseriebau zu steigern: Die Durchflussmenge wird immer an den Bedarf angepasst – nicht nur im normalen Betrieb, sondern auch im Teilsystembetrieb sowie bei Anlagenerweiterungen. Man benötigt weniger Kühlwasser, ohne auf optimale Kühlbedingungen zu verzichten. Dadurch wird die Pumpwerksleistung bestmöglich ausgenutzt und bei Neuanlagen der tatsächliche Bedarf planbar. Durch geregelte Durchflüsse gehören zudem Schließschläge im Kühlwasserkreis, die zu Druckstößen im System und einem Fehlalarm bei den aktuellen Minimalflussüberwachungen führen können, der Vergangenheit an.

Platzsparende Montage auf der Roboterbefestigungsplatte

Für eine geregelte Schweißzangenkühlung hat Bürkert Fluid Control Systems deshalb schon vor einigen Jahren mit der Systemlösung Typ 8821 eine praxisgerechte Lösung entwickelt, die so kompakt ist, dass sie direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters an der Bodenplatte Platz findet (Bild 2). Beim Schweißen wird der Roboter dann nicht durch das Kühlsystem in seinem Arbeitsbereich eingeschränkt (Bild 3); konventionelle Systeme werden aus diesem Grund oft andernorts untergebracht. Damit unterscheidet sich das System deutlich von den herkömmlichen, meist kühlschrankgroßen Lösungen. Die Anordnung an der Roboterbefestigungsplatte verkürzt zudem die wasserführenden Kühlschläuche zum Punktschweißwerkzeug beachtlich. Außerdem arbeiten so die Regelung und Abschaltungsüberwachung wesentlich schneller als bei einer Anordnung weiter entfernt am Schutzzaun des Roboters. Eine manuelle Bedienung oder visuelle Überwachung des Kühlsystems entfällt, da alle Regelmerkmale und Überwachungsdaten per Feldbus am Bediengerät des Roboters oder der SPS eingestellt oder visualisiert werden können.

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Die kompakte Systemeinheit besteht aus einem Pneumatikmodul, einem Steuermodul mit integriertem Prozessregler (Bild 4) und einem Kühlmittelmodul, die platzsparend aufeinander montiert sind. Die komplette Messtechnik ist im Steuermodul integriert, das gut zugänglich ist. Meist bleibt jedoch bei der Inbetriebnahme hier nicht viel zu tun, denn das System ist bereits werksseitig auf die gängigen Zweikreiszangen mit 16-mm-Kappen voreingestellt. Maximalbegrenzung und Sollwert sind bereits hinterlegt. Nur in Sonderfällen werden andere Werte am Controller menügeführt manuell angepasst.

Basis für Industrie-4.0-Konzepte

Der im System eingesetzte Durchflusssensor arbeitet unter Referenzbedingungen mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,4 % vom Messwert bei einer Fließgeschwindigkeit zwischen 0,3 und 10 m/s. Neben dem Durchflusssensor sind weitere Sensoren zur Druck- und Temperaturerfassung integriert. Das Steuermodul kommuniziert direkt mit der übergeordneten Robotersteuerung oder SPS. Bei der neuesten Variante der Systemlösung zur Schweißkappenkühlung ist dies nun auch über Profinet möglich. Dadurch wird die Lösung zu einem zukunftsweisenden Konzept:

Nicht nur die Offenheit für TCP/IP, sondern auch die auf Standard-Ethernet basierte Technik machen Profinet zu einer zukunftssicheren Architektur, die eine Basis für Industrie-4.0-Konzepte schafft. So lässt sich beispielsweise die Anlagenverfügbarkeit steigern, indem die Prozessdaten nicht nur in der lokalen Steuerung verarbeitet werden, sondern auch in Cloud-Anwendungen für die Ferndiagnose sowie für Optimierungen zur Verfügung stehen. Die Systemlösung stellt dafür nicht nur die Profinet-Schnittstelle, sondern dank der zusätzlichen Sensorik auch die entsprechenden Signale zur Verfügung, die der Anwender auch auf seinem Weg in Richtung Industrie 4.0 nutzen kann.

Einfache Inbetriebnahme durch codierte Anschlüsse

Die Installation des Systems zur Schweißzangenkühlung ist einfach, denn codierte Anschlusstechnik und farbige Schläuche erleichtern die Inbetriebnahme von Pneumatik- und Kühlmitteleinheit. Bodenanker sind für die Befestigung nicht notwendig. Zur Inbetriebnahme müssen nur die Luftversorgungsleitung an der Eingangsseite der Pneumatikeinheit durch einen Absperrhahn geöffnet und die Druckluftverbindungen geprüft werden. Ist das System dicht und mit ausreichend Druck versorgt (Eingangsdruckmessung), kann die Kühlmitteleinheit in Betrieb genommen werden.

Während des Betriebs lassen sich vier Systemmodi unterscheiden:

  • Im Inbetriebnahmemodus sind alle Komponenten in der Stellung „Hilfsenergieausfall“; die Prozesseingangswerte stehen über Profinet zur Verfügung.
  • Durch das Signal „System Run“ von der Robotersteuerung oder SPS wird nun der Schweißkappen-Kühlprozess in Gang gesetzt und betrieben. Der Controller im Steuerungsmodul regelt den voreingestellten Sollwert aus.
  • Sobald der untere Grenzwert überschritten ist, nicht aber der obere, wird ein Signal (Wasserfluss i. O.) generiert; eine LED zeigt den regulären Kühlbetrieb an.
  • Im Hand- und Wartungsmodus können Einstellungen auch direkt vor Ort vorgenommen werden.

Kühlwasserdurchfluss regeln rechnet sich

Einmal in Betrieb genommen, kann das Kühlsystem dann seine Vorteile richtig ausspielen: Durch die direkte Anbindung des sensiblen Durchflusssensors und des Prozessreglers an die übergeordnete Robotersteuerung oder SPS ist der Kühlwasserdurchfluss jederzeit regelbar und wird an den tatsächlichen Bedarf angepasst. Die Schweißkappen werden von Anfang an ausreichend gekühlt und ein Kappenkleben wird reduziert. Außerdem gleicht das System die Wasserwiderstände unterschiedlicher Kühlungsleitungen durch die Regelung aus oder erkennt sie – wenn ungeeignet – sofort als fehlerhaft. Die werksseitigen Voreinstellungen sorgen zudem für eine Vereinheitlichung der Kühlwasserkreise, was letztendlich den Service deutlich erleichtert. Der geregelte Kühlwasserdurchfluss macht darüber hinaus eine nachträgliche manuelle Kalibrierung nach Veränderungen oder Erweiterungen überflüssig. Die Kühlmittelmenge ist reproduzierbar, Fehler werden schnell erkannt. Letztendlich verbessert sich dadurch die Schweißqualität und Prozesszuverlässigkeit.

Zusätzlich ergeben sich Einsparungen in den Betriebskosten, denn die bedarfsgerechte Regelung senkt den Energieverbrauch. Pumpen müssen außerdem nicht mehr überdimensioniert werden, um genug Reserven zu haben. Die Kühlmittelkreisläufe in Schweißapplikationen zu regeln, rechnet sich dadurch innerhalb kurzer Zeit und dank Profinet-Schnittstelle sowie der Bereitstellung zusätzlicher Sensorsignale steht zudem neuen Industrie-4.0-Konzepten nichts mehr im Weg.

* Hartmuth Lotha ist Field Segment Management Automotive Systems bei Bürkert Fluid Control Systems in 74653 Ingelfingen, Tel. (0 79 40) 10-0, info@buerkert.de

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