Steckverbinder Roboterschweißzangen leicht gemacht

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Joachim Tatje / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Geschwindigkeit spielt bei der robotergestützten Fertigungstechnik eine große Rolle. Um diese zu steigern, muss Masse reduziert werden. Der neu entwickelte Primärkreissteckverbinder Robifix-Mini trägt zur Optimierung bei.

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Das Ziel bei der Leichtbautechnik ist die Verringerung der bewegten Massen. So kann die Produktivität des Roboterbetriebs gesteigert und der Energieeinsatz verringert werden.
Das Ziel bei der Leichtbautechnik ist die Verringerung der bewegten Massen. So kann die Produktivität des Roboterbetriebs gesteigert und der Energieeinsatz verringert werden.
(Bild: Multi-Contact)

Die Montage von Automobil-Karosserien ist zu 90 % automatisiert. Für den Rohbau des VW-Golf etwa bewegen circa 1500 Roboter Werkzeuge mit Massen von zum Teil mehr als 100 kg. Die meisten dieser Roboter tragen Schweißzangen an ihren Armen und fügen mit Hunderten von Punktschweißungen die vorgeformten Blechteile zu Karosserien zusammen. Die Taktzeiten, also der zeitliche Abstand zwischen zwei Schweißungen, beträgt derzeit ungefähr 2,5 Sekunden. „Das ist aber keine Naturkonstante“, sagt Schweißtechnik-Spezialist Prof. Dr.-Ing. Peter Puschner, „da ist noch Luft nach oben.“ Wie Puschner arbeiten Fertigungstechnik-Spezialisten in aller Welt an der Optimierung der robotergestützten Fertigungstechnik. Es liegt zunächst nahe, die Geschwindigkeit der Roboterbewegungen zu steigern. Das führt jedoch zu einem höheren Energieverbrauch und durch die Trägheitsmomente der bewegten Massen zu einem vorzeitigen Verschleiß der Mechanik. Ein viel erfolgversprechender Weg ist es, die Werkzeuge konsequent in Leichtbautechnik mit neuen Konstruktionsmerkmalen auszuführen, was den Einsatz kleinerer Roboter mit leichteren Armen möglich macht. Denn sind die zu beschleunigenden Massen geringer, können sich die Roboter schneller zu ihrem Einsatzpunkt bewegen, und die Taktzeiten werden merklich verkürzt.

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Leichter dank 10-kHz-Frequenz

Ein weiterer Lösungsansatz kommt auch aus einer ganz anderen Ecke. Bislang wurden die Transformatoren der Roboterschweißzangen aus 1000-Hz-Invertern gespeist. Der Umstieg auf eine Versorgungsspannung mit 10-kHz-Frequenz fördert den Trend in Richtung Leichtbautechnik ebenfalls. Der größte Gewinn dieser Technik zeigt sich an den Transformatoren. Diese können bei einer 10-kHz-Versorgung um mehr als 50 % kleiner und leichter ausfallen. Durch eine intelligente Prozessführung kann auch der Querschnitt der Zuleitungen verringert werden. Doch eine wirklich bedeutsame Gewichtseinsparung gibt es nicht zum Nulltarif. Beim Umstieg auf die so genannte 10-kHz-Inverter-Technologie sind alle am System beteiligten Partner gefordert, ihren Beitrag zu leisten.

Aufgrund der neuen technologischen Merkmale ergeben sich erhebliche Gewichtseinsparungen, was zu modernen Leichbau-Schweißzangen führt. Wo man bislang bis zu 110 kg als Werkzeuggewicht akzeptieren musste, lassen sich heute gleiche oder noch bessere Ergebnisse mit Werkzeugen von 45 kg Gewicht erzielen. Jedes Gramm Gewichtseinsparung zahlt auf das Konto 'Geschwindigkeit' ein und verringert den Energieeinsatz des Roboters. Das zeigt sich sehr gut bei den Schlauchpaketen, die ebenfalls abgespeckt werden konnten. Leichtbau-Zangen kommen beispielsweise mit 6 bar Betriebsdruck für die pneumatischen Aktoren aus. Das resultiert in Schläuchen kleinerer Dimension.

Kabelquerschnitt deutlich reduziert

Auch bei den Stromkabeln lässt sich Gewicht einsparen. Waren für die herkömmliche Schweißtechnik Kabelquerschnitte von 25 mm² notwendig, reichen bei der 10-kHz-Technik 16 mm² aus. Allerdings ist ein anderer Kabelaufbau vonnöten, da bei 10 kHz bereits ein merklicher Skin-Effekt auftritt. Dieser sorgt dafür, dass die Stromdichte im Kabel nicht gleichverteilt ist, sondern die Ladungsträger an die Außenseite drängen. Abhilfe schaffen hier spezielle HF-Kabel, deren Gesamtquerschnitt sich auf einzeln voneinander isolierte Stränge aufteilt.

Das Schlauchpaket beinhaltet alle Leitungen, die zum Betrieb einer Schweißzange benötigt werden. Neben der Luftleitung und den Wasserleitungen befinden sich darin die Kabel für die elektrische Energieversorgung, Steuer- und Prozessspannungen und Lichtleiter. Durch die permanente Bewegung der Roboter ist das Schlauchpaket einem enormen mechanischen Stress ausgesetzt. An mehreren Stellen befinden sich Steckverbinder. Sie ermöglichen es, in kürzester Zeit die Primärkreiszuleitung am Roboterarm auszutauschen, ohne den Betrieb unzulässig lang zu unterbrechen.

An dieser Stelle war die Kompetenz des Schweizer Steckverbinder-Herstellers Multi-Contact gefragt. Alexander Hornung, Product Manager Automation, erläutert: „Unsere Steckverbinder-Serien TSB150 und TSS150 folgten bis 2010 dem weltweiten Industriestandard. Die Industrie fordert jedoch eine einfache, gewichtsreduzierte und montagefreundliche Lösung – unvereinbar mit der bestehenden Norm. So entstand unser neuer Primärkreis-Steckverbinder für Roboterpunktschweißzangen, der Robifix. Diese Bauform hat sich seit 2013 als neuer Quasi-Standard für die Roboterschweißzangen etabliert und gilt somit als 'gesetzt' für Schweißtransformatorenhersteller weltweit.“

Schlankheitskur für Robifix

Mit der Einführung der 10-kHz-Technik war die Erfahrung der Steckverbinderspezialisten erneut gefragt. Der Primärkreissteckverbinder sollte noch kleiner werden und kompatibel zu den neuen 10 kHz Kabeln sein. Multi-Contact unterzog ihn daraufhin einer Schlankheitskur. Das Ergebnis ist der Robifix-Mini, der kleine Bruder des Robifix.

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Der Grundaufbau gleicht dem Robifix, nur misst die Mini-Variante im gesteckten Zustand 140 mm × 80 mm und ist um 25 % leichter. Das kommt den Roboterherstellern entgegen, die aufgrund der deutlich leichteren Werkzeuge kleinere Roboter mit schlankeren Armen einsetzen können. Auch die Hersteller der Schweißzangen, wie die Firma Elmatech, begrüßen das schlanke Profil des neuen Steckverbinders, da auf ihren neuen leichten Werkzeugen nur noch wenig Montageplatz im zugänglichen Außenbereich besteht.

Kabelmontage erfolgt per Hand

Wie sein großer Bruder besticht auch die miniaturisierte Version durch einige Vorzüge. Zunächst tragen die Schnellkupplungen durch ihre leichte Handhabung zur Senkung von Stillstands-Zeiten und Instandhaltungskosten bei. Die Hersteller von Schlauchpaketen loben die schnelle Integration und einfache Instandhaltung. Die Kabelmontage kann nämlich per Hand erfolgen. Multi-Contact liefert dazu ein speziell gefertigtes HF-Kabel mit 16 mm² Querschnitt. Die Kontaktzuverlässigkeit des Steckverbinders sichert das Schweizer Unternehmen mit seiner Lamellentechnologie Multilam.

Ein voreilender Schutzkontakt und ein Verpolungsschutz sorgen für die Sicherheit des Wartungspersonals. Unbenutzte Steckverbinder können mit Schutzkappen vor Verschmutzung geschützt werden und sind berührungssicher. Robifix-Mini gibt es in unterschiedlichen Bauformen. Da ist zunächst der Transformator-Anschluss zu nennen. An den Gelenken oder auch am Werkzeug wird meist die flache Bauform eingesetzt, während es für Durchführungen an Gehäusen eine Flansch-Bauform gibt. Ein 4-mm-Sechskantschlüssel dient als einziges Werkzeug für alle Montageschritte. Die Gehäusebauteile sind resistent gegenüber Schweißspritzern und weisen im gesteckten Zustand Schutzart IP67 auf. (sh)

Electronica 2016: Halle B3, Stand 417

* Dipl.-Ing. Joachim Tatje ist Fachjournalist in Bruchsal

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