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Schweißroboter Punktschweißroboter kommen nicht ins schwitzen

Autor / Redakteur: Hartmuth Lotha / Karin Pfeiffer

In den Montagehallen der Automobilindustrie müssen Kolonnen von Punktschweißrobotern zuverlässig laufen. Dabei spielt die Kühlung der Schweißkappen eine Rolle. Eine pfiffige Lösung macht die Schweißzangenkühlung fit für Industrie 4.0.

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Keine Kühlschrankgröße: Die Schweißzangenkühlung findet direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters Platz.
Keine Kühlschrankgröße: Die Schweißzangenkühlung findet direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters Platz.
(Bild: Kuka Deutschland GmbH)

Möglichst genau überwachen und regeln? Immer ratsam in einer hoch automatisierten Produktionsanlage wie in der Automobilindustrie. Wenn es um die Kühlwassermenge der einzelnen Schweißzangen bei Punktschweißrobotern geht, ist das gleich aus mehreren Gründen sinnvoll, vor allem auch im Hinblick auf Kosten und Effizienz: Die Durchflussmenge wird immer dem Bedarf angepasst, der Anwender benötigt weniger Kühlwasser, ohne auf optimale Kühlbedingungen zu verzichten. Dadurch lässt sich die Pumpwerksleistung optimal ausnutzen, bei Neuanlagen ist 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.

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Hintergrund: Beim Punktschweißen ist die Kühlung der Roboterschweißzangen bzw. des vordersten Teiles, der Schweißkappen, absolut zwingend, um die durch die hohen Ströme hervorgerufene Wärmelast gezielt abzuführen. Die verwendeten Kappen sind bei diesem Verfahren zwar von vornherein als Verschleißteile ausgelegt, die regelmäßig getauscht werden müssen, aber führt man die Wärme nicht oder nur unzureichend ab, erhöht sich der Verschleiß und die Wechselintervalle verkürzen sich extrem. Um dies zu verhindern, strömen an die Schweißkappen der Punktschweißroboter je nach Werkstoff und Ausführung 4 – 8 l Kühlwasser pro Minute und Kappe. Das Kühlwasser hat dabei im Nennbetrieb eine Temperatur zwischen 20 °C und 40 °C und wird mit einem Druck von bis zu ca. 8 bar beaufschlagt. Nur wenn die Mengen überwacht werden, kann man jedoch sicher sein, dass die Kühlung im laufenden Betrieb auch ordnungsgemäß gewährleistet ist. Da sich die Schweißkappen trotz der Kühlung abnutzen, können beispielsweise Leckagen entstehen. Werden sie nicht rechtzeitig erkannt, kann austretendes Kühlwasser zu Anlagenstillständen führen und sogar zu einer Beschädigung anderer empfindlicher Anlagenkomponenten.

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 Lösung entwickelt, die so kompakt ist, dass sie direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters an der Bodenplatte Platz findet. Beim Schweißen wird der Roboter so nicht durch das Kühlsystem in seinem Arbeitsbereich eingeschränkt. Damit unterscheidet das System sich von herkömmlichen, meist kühlschrankgroßen Lösungen. Die Anordnung an der Roboterbefestigungsplatte verkürzt zudem die wasserführenden Kühlschläuche zum Punktschweißwerkzeug. Die Regelung und Abschaltungsüberwachung arbeiten dadurch 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.

Die kompakte Systemeinheit besteht aus Pneumatikmodul, Steuermodul mit integriertem Prozessregler und Kühlmittelmodul, die quasi huckepack 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.

Sensoren für Durchfluss, Druck und Temperatur

Der im System eingesetzte Durchflusssensor arbeitet unter Referenzbedingungen mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,4 % vom Messwert bei einer Fließgeschwindigkeit zwischen 0,3 m/s und 10 m/s. Zudem sind weitere Sensoren zur Druck- und Temperaturerfassung integriert. Das Steuermodul kommuniziert direkt mit der übergeordneten Robotersteuerung oder SPS, in der neuesten Version auch über Profinet. Nicht nur die Offenheit für TCP/IP, auch die auf Standard-Ethernet basierte Technik machen Profinet zu einer zukunftssicheren Architektur und schafft eine Basis für Industrie-4.0-Konzepte. So lässt sich z.B. die Anlagenverfügbarkeit steigern, indem die Prozessdaten nicht nur in der lokalen Steuerung verarbeitet werden, sondern auch in Cloud-Anwendungen etwa für die Ferndiagnose verfügbar sind. Die Systemlösung stellt dafür nicht nur die Profinet-Schnittstelle, sondern mit der zusätzlichen Sensorik auch die entsprechenden Signale zur Verfügung.

Die Inbetriebnahme des Systems zur Schweißzangenkühlung ist simpel: Codierte Anschlusstechnik und farbige Schläuche erleichtern die Inbetriebnahme von Pneumatik- und Kühlmitteleinheit. Zur Inbetriebnahme müssen nur die Luftversorgungsleitung an der Eingangsseite der Pneumatikeinheit mittels Absperrhahn geöffnet und die Druckluftverbindungen geprüft werden. Ist das System dicht und mit ausreichend Druck versorgt (Eingangsdruckmessung), kann die Kühlmitteleinheit in Betrieb genommen werden.

Einmal in Betrieb genommen kann das Kühlsystem dann seine Vorteile so 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 zuverlässig 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 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, Segment-Manager Automotive Systems bei Bürkert Fluid Control Systems

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