Condition Monitoring Servopneumatik ermöglicht Überwachung von Schweißzangen ohne großen Aufwand

Die Servopneumatik ermöglicht, vorhandene Sensoren zur Antriebssteuerung oder -regelung auch zur Zustandsüberwachung der Antriebsachse zu nutzen. So hält sich der Aufwand für diesen Zusatznutzen bei einer robotergeführten Schweißzange nicht nur in Grenzen, er bietet zudem die Möglichkeit, die ermittelten Antriebsdaten auch für die Qualitätskontrolle eines jeden Schweißpunkts zu verwenden.

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Viele Autofahrer kennen das aus der Vergangenheit: Fahrzeug-Kundendienst alle 10000 km. Gleich, ob sie 10000 km fahrzeugschonende Autobahn oder 10000 km materialermüdende Landstraße, kurvig und bergig, fuhren. Nicht nur bei Autos, auch bei Industrieeinrichtungen richteten sich die Service-Intervalle – über viele Jahrzehnte hinweg – nach der höchsten, anzunehmenden Belastung, kombiniert mit der maximalen Lebensdauer derjenigen Komponente mit der geringsten Lebenserwartung. Solch geplanter Service beugt zwar teuren Stillstandszeiten durch unvorhergesehene Schäden vor, ist aber nicht optimal wirtschaftlich.

Das ökonomische Service-Ziel dagegen lautet: optimale Wirtschaftlichkeit bei höchstmöglicher Produktivität. Das heißt: Maschinen- und Anlagenkomponenten müssen kurz vor Erreichen ihrer statistisch gesicherten Lebensdauer in Produktionspausen gewechselt werden. Nicht früher, denn das kostet unnötig Geld, und auch nicht später, denn das bedeutet ungeplanten Maschinenstillstand.

Die Lösung ist letztendlich ein hochintegriertes Subsystem, das Arbeitstakte zählt, Drücke misst, Durchflüsse kontrolliert, Temperaturen, Füllstände und Viskositäten überwacht, diese Werte mit Statistiken vergleicht – und rechtzeitig Meldung macht, wenn sich eine Komponente dem Ende ihrer Lebensdauer nähert.

Condition Monitoring: Durch Echtzeitüberwachung entsteht eine verlässliche Zukunftsprognose

Natürlich muss ein solches System auch die Erwartung eines Komponentenausfalls vor dem statistisch errechneten Zeitpunkt melden. Ein solcher Ausfall wird zum Beispiel bei einer defekten Dichtung einer pneumatischen Antriebsachse anhand eines zu niedrigen Arbeitsdrucks erkannt. Das ist Condition Monitoring. Auf Basis der statistischen Vergangenheitsbewertung entsteht durch Echtzeitüberwachung eine verlässliche Zukunftsprognose.

Condition Monitoring wird gefordert, wenn es um hohe Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen geht. Dabei steht meist im Vordergrund, die vorhandene Sensorik für Condition Monitoring als Zusatznutzen einzusetzen. Bei robotergeführten Schweißzangen in der Automobilindustrie bieten gerade die für den servopneumatischen Antrieb integrierten Sensoren diesen Nutzen.

Aufgrund des einfachen Aufbaus hat sich der servopneumatische Antrieb in der automobilen Punktschweißtechnik etabliert – zusätzlich zu den bekannten pneumatischen und elektrischen Antrieben. Der servopneumatische Antrieb einer Roboterschweißzange besteht aus wenigen Komponenten, zum Beispiel der zentralen Filtereinheit an der Luftversorgung, der elektropneumatischen Regelventileinheit, dem Antriebszylinder mit integrierter Sensorik und Stoppventilen sowie dem Ausgleichszylinder (Bild 1).

Pneumatikdrücke geben Aufschluss

Verhältnismäßig einfach kann die Luftzufuhr mit Hilfe von Differenzdrucksensoren überwacht werden, um zu gewährleisten, dass eine mögliche Verschmutzung in den Leitungen oder im Filter den Durchfluss nicht behindert und damit die Verfahrgeschwindigkeit des Antriebs in vollem Umfang nutzbar bleibt. Eine weitere kontinuierliche Zustandsüberwachung erfolgt im Antriebszylinder (Bild 2).

Dort werden die benötigten pneumatischen Drücke zum Losfahren und Bewegen des Zylinders mit dem Neuzustand verglichen. Auf diese Weise lassen sich Verschleiß, Verschmutzung oder mögliche Leckagen in einem Toleranzfenster automatisch kompensieren (nachregeln).

Ferner überwacht sich die Reglereinheit selbst. So werden zum Beispiel Stromaufnahme und Erwärmung gemessen. Der Zylinder für den Ausgleich der Gewichtskräfte an den Zangenarmen wird über Mengen- und Druckregelventil und dessen integrierte Drucksensoren überwacht und geregelt.

Während des Schweißprozesses verschleißen die Elektrodenkappen durch Abbrand und Verformung. Sind die Elektrodenkappen an ihre Verschleißgrenze gelangt, erhält der Anlagenbetreiber eine Information, dass sie zu wechseln sind – auch wenn die Servopneumatik den Verschleiß drastisch senkt, wie die Bilder 3 und 4 deutlich machen.

Positionssensor im Zylinder zur Bauteilkontrolle

Eine weitere Prozessverbesserung lässt sich durch Bauteilkontrolle erzielen. Zum Beispiel müssen Schweißmuttern oder Befestigungswinkel eingebracht und vor der Weiterbearbeitung der Karosserie aufwändig auf ihr tatsächliches Vorhandensein geprüft werden. Bei Überfahren der softwareseitig einstellbaren Bauteildicke wird dies über einen im Zylinder integrierten Positionssensor detektiert und ein Fehler sofort angezeigt. Eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung kann so vermieden werden.

Ein Vergleich der tatsächlich aufgewendeten Schweißkraft mit dem dazugehörigen Betriebsdruckverhältnis des Antriebszylinders liefert Veränderungen hinsichtlich der Zangenlebensdauer. So lassen sich mit Hilfe des Vergleichs Eingriffsgrenzen definieren. Bei Verlassen des „grünen“ Bereichs kann der Betreiber die Schweißzange noch in einem prozesssicheren „gelben“ Bereich ohne Qualitäts- und Zykluszeiteinbußen nutzen. Ungeplante Stillstandszeiten können somit weitgehend vermieden werden.

Als Fazit lässt sich feststellen, dass die servopneumatischen Antriebe mit ihren integrierten Sensoren nicht nur eine große Leistungsdichte bei niedrigem Gewicht, sondern auch einen erheblichen Zusatznutzen bieten: eine Zustandsüberwachung. Nur geringfügig höhere Investitionskosten im Vergleich zur Standardpneumatik relativieren sich schnell, weil die Gesamtbetriebskosten einer Schweißzange über deren gesamte Lebensdauer hinweg deutlich sinken.

Vorbeugender Austausch ist nicht mehr erforderlich

Das zeigt besonders gut der Vergleich eines modernen Schweißroboters mit dem Vorgängermodell, bei dem der Pneumatikzylinder nur über Näherungsschalter verfügt. Beim Vorgängermodell ließen sich keine Signale abrufen, die über den Zustand der Schweißzange eine Aussage zulassen. Daher tauschte man die Zange sicherheitshalber nach etwa 3 Mio. Schweißpunkten aus, um die Komponenten zu überholen. Beim modernen Schweißroboter wird dagegen die Sensorik, die Norgren für die Servopneumatik nutzt, auch für das Monitoring zur Verfügung gestellt. Dadurch kann der Anlagenbetreiber jetzt sein Wartungsteam in Abhängigkeit vom tatsächlichen Zangenzustand einsetzen.

Wollen die Automobilhersteller die Qualität ihrer Karosserien mit Zertifikaten dokumentieren, ist das mit Condition Monitoring möglich. So können die Sensoren des servopneumatischen Zangenantriebs auch Aufschluss über die Qualität der Schweißpunkte geben. Diese Qualitätsparameter lassen sich speichern und einer Fahrzeugnummer zuordnen. Auf diese Weise kann die prozesssichere Fertigung jeder Karosserie nachgewiesen werden.

Condition Monitoring macht Produktionseinrichtungen durchsichtig

Heutzutage ist nicht nur beim Auto die 10000-km-Grenze gefallen. Condition Monitoring macht Produktionseinrichtungen durchsichtig, nicht per Kristallkugel, sondern per Diagnostik. Das erhöht die Prozessqualität, senkt die Betriebs- und Wartungskosten und spart Energie ein.

Dipl.-Ing. (FH) Frank Schnur ist Leiter Entwicklung und R&D bei der Norgren GmbH in 70736 Fellbach, Tel. (0711) 5209-0, Fax (0711) 5209-6 14, frank.schnur@norgren.de

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