Ziel der Entwicklung
Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zum flexiblen roboterunterstützenden Rohr-Laserstrahlschweißen für den manuell produzierenden Mittelstand. Dabei wurden alle vorgelagerten Prozesse zur Vorbereitung der Fügestelle(n) betrachtet, um einen automatisierten Laserschweißprozess ohne Zusatzwerkstoff zu ermöglichen. Dazu wurden die folgenden notwendigen Prozessschritte untersucht.
Zunächst erfolgte die Entwicklung eines automatischen Verfahrens zum mechanischen Abtrennen mit dem Ziel die Rohrenden, welche fertigungsbedingt in unterschiedlicher Länge über dem Deckblech des Wärmeübertragers überstehen, auf gleiche Länge zu bringen. Hierbei wurde ein am Roboter adaptierbares Schneidwerkzeug entwickelt. Es zeigte sich allerdings, dass der Prozess des Schneidens der Rohrenden ohne Schmierung nicht in ausreichender Qualität und Prozesssicherheit für die weiteren Arbeitsschritte realisierbar ist. Dies führte zum Ergebnis diesen Teilschritt weiterhin manuell durchführen zu müssen.
Anschließend wurde das Aufweiten der Rohrenden untersucht, um den abschließenden Prozess des Laserschweißens im Hinblick auf den geforderten theoretischen Nullspalt zwischen den Bauteilen so stabil wie möglich zu gewährleisten. Dabei wurde ein hydraulisches, manuelles Aufweitwerkzeug für die Automatisierung mittels Roboter weiterentwickelt. Der Aufweitprozess konnte damit erfolgreich automatisiert werden.
Parallel dazu erfolgte die Entwicklung einer geeigneten, höheneinstellbaren und auf unterschiedliche Bauteilabmessungen skalierbare Aufspanneinheit zur lagedefinierten Aufnahme unterschiedlich dimensionierter Wärmeübertrager als Basis für den anschließenden Messprozess.
Dieser Messprozess wurde auf Basis eines 3D-Kamerasystems mit telezentrischer Optik der Fa. Keyence entwickelt und konnte erfolgreich in den Automatikprozess eingebunden werden. Der Prozess ermöglicht die positionsgenaue Erfassung von offenen Rohrkonturen für verschiedene Produktvarianten sowie die Weitergabe der Positionsdaten an eine übergeordnete Steuerung, die mit einem Roboter kommunizieren kann.
Die entwickelte Messtechnologie ermöglichte die Technologieentwicklung zum flexiblen Rohr-Laserschweißen mittels Roboter, die in Versuchen erfolgreich validiert werden konnte. Darüber hinaus wurden die Forschungsergebnisse in ein fundiertes Konzept einer Roboteranlage mit automatischen Werkzeugwechseln und hoher Flexibilität zur Erzeugung der kreisrunden Schweißnähte überführt. In diesem Zusammenhang wurden technische Teillösungen realisiert.
Vorteile und Lösungen
Aufnahme von relevanten Konturen und Punkte mittels spezieller 3D-Kameratechnik mit telezentrischer Optik. Diese ermöglicht die Weitergabe von relevanten Positionsdaten an ein übergeordnetes System, wie z.B. einem Roboter. Der mit einem Laser-Bearbeitungskopf ausgestattete Roboter wird auf Basis der Messdaten dazu befähigt, spezifische Produkte entsprechend bearbeiten bzw. verschweißen zu können. Dazu ist eine geeignete Schweißquelle erforderlich. Die automatisierte Technologie kann ein flexibles Produktspektrum abbilden. Mittels intelligenter Programmierung des Roboters sowie einer intuitiven Bedienschnittstelle ist diese individuell an die Bedürfnisse des Endanwenders anpassbar.
Für die Automatisierung sind die vor- und nachgelagerten Prozesse entscheidend. Diese sind fallspezifisch zu analysieren und, wenn möglich, direkt mit im Anlagenkonzept umzusetzen bzw. automationsgerecht zu gestalten. Im Vorhaben erfolgte die Umsetzung der automatisierten Technologie am Beispiel des Laserschweißens von dünnwandigen Rohren, welche in offene Rohrenden gesteckt werden. Dazu erfolgte die Automatisierung des vorgelagerten Prozesses zum Aufweiten der Rohrenden. Außerdem wurde eine Bauteilaufnahme realisiert, welche die Bearbeitung eines flexiblen Produktspektrums ermöglicht.
Die Forschungsergebnisse wurden in ein fundiertes Konzept einer Roboteranlage mit automatischen Werkzeugwechseln und hoher Flexibilität zur Erzeugung von kreisrunden Schweißnähten überführt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Technologie zum robotergestützten Laserschweißen kann im metallverarbeitenden Gewerbe zum Einsatz kommen. Interessant ist diese vor allem für mittelständische Unternehmen, welche dünnwandige Komponenten verschweißen und gleichzeitig ein flexibles Produktspektrum abbilden müssen. Die Technologie ist an die individuellen Bedürfnisse des Kunden und an dessen spezifischen Anwendungsfall anpassbar.
