Als kosteneffizientes Verfahren, das stabile Schweißverbindungen für eine langfristige Leistungsfähigkeit liefert, bleibt das Widerstandspunktschweißen (RSW) eine der führenden Fügetechnologien für eine Vielzahl von Strukturbauteilen. RSW war eines der ersten Anwendungsgebiete für die Robotik, und Fortschritte in der Roboterhardware und -software haben diesen Prozess weiter verbessert. Mit robusten Armkonstruktionen und intuitiven digitalen Benutzeroberflächen ist RSW weit verbreitet und weiterhin die bevorzugte Methode für zahlreiche Blechkonstruktionen. Der robotergestützte Schweißprozess bringt zahlreiche Innovationen mit sich, wie beispielsweise Mittelfrequenz-Wechselrichter (1000 bis 2000 Hz) für Gleichstromschweißen, die die Größe und das Gewicht der Transformatoren reduzieren und somit das Design der Schweißzangen verbessern, sowie Servomotoren, die die Zangen betätigen und für mehr Energieeffizienz und Präzision im Vergleich zu pneumatischen Zangen sorgen.
Die RSW-Technologie ist insbesondere für Fortschritte in der Automobilbranche, wie zum Beispiel die Fertigung von Elektrofahrzeugen, von großem Vorteil, da sie eine effiziente Raumnutzung, kurze Taktzeiten und hochwertige Bauteile ermöglicht. Um diese Ergebnisse zu erzielen, werden Arbeitsbereiche mit flexiblen Hochleistungsrobotern in optimalen Konfigurationen ausgestattet, die darauf ausgelegt sind, servogesteuerte Schweißzangen, Schweißsteuerungen und andere leistungsfähige Peripheriegeräte zu integrieren. Doch was genau wird umgesetzt, um diesen Wandel voranzutreiben?
Hohe Achsgeschwindigkeiten und Beschleunigungsfähigkeiten von Robotern sind entscheidend, um Leerfahrten zu minimieren und kürzere Zykluszeiten zu erreichen. Fortschritte im Robotikdesign umfassen hohle Armkonstruktionen und integrierte Kabelbündel, die Kabelinterferenzen verringern und so den Bewegungsradius und die Flächennutzung verbessern. Zudem ermöglichen leichtere Zangen den Einsatz von Robotern mit geringerer Traglast (80–120 kg) bei höheren Geschwindigkeiten und kleineren Stellflächen. Roboter mit höherer Traglast (150–200+ kg) verfügen typischerweise über größere Reichweiten, wobei die Servosteuerung ihnen ermöglicht, mit Zangen, die unterhalb der maximalen Traglast bleiben, schneller zu beschleunigen. Ob die Schweißzange zum Werkstück geführt wird oder das Werkstück zu einer stationären RSW-Maschine – Roboter können servogesteuerte Schweißzangen synchron mit dem Schweißprozess betreiben. Ebenso können Roboter, die Werkstücke transportieren, Prozesse wie Lichtbogen- oder Buckelschweißen kombinieren.
Um höhere Kräfte beim RSW zu erzielen, werden zunehmend Aktuatoren eingesetzt, die Motor- und Kugelgewindeelemente in einer Einheit vereinen. Hersteller von Schweißzangen können einen Aktuator oder einen Servomotor in Kombination mit einem Getriebe sowie weiteren Designelementen integrieren, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen. Aluminiumarme und weitere Innovationen unterstützen die Entwicklung leichterer Zangen mit kompakteren Abmessungen und höheren Klemmkräften.
Servomotoren ermöglichen eine präzise Bewegungssteuerung durch Encoder, die die Position der Welle überwachen. Sie können so geregelt werden, dass ein vorgegebener Drehmomentwert konstant aufgebracht wird – ideal für Schweißzangen, da sie eine exakte Robotersteuerung ermöglichen. Zu den wichtigsten Funktionen, die vom Teach-Pendant des Roboters gesteuert werden, gehören:
Zangenausgleich: Diese Funktion nutzt die Positionssteuerung, um den Roboterarm unter Anpressdruck zu bewegen und kann dadurch das Durchbiegen des Zangenarms sowie induzierte Kräfte ausgleichen, was das Risiko von Bauteilschäden reduziert.
Spitzenverschleiß-Kompensation: Mithilfe eines Encoders wird der Verschleiß der Zangenspitzen im geschlossenen Zustand gemessen; diese Funktion kompensiert automatisch die Position der Zangenspitzen, um eine gleichbleibende Schweißqualität sicherzustellen, da selbst geringfügige Abweichungen die Schweißqualität beeinflussen können. Abgenutzte Spitzen werden nachbearbeitet, um das Aufpilzen zu entfernen und die Konsistenz zu sichern, oder sie werden gemäß dem Verschleißfeedback ausgetauscht.
Werkstückdickenerkennung: Diese Funktion verhindert Fehler durch fehlende Teile und misst beim Schließen der Zange die Öffnung, um zu bestätigen, dass der Materialstapel innerhalb der Toleranz liegt.
Geregelter Anpressdruck: Durch Kalibrierung der Elektrodenklemmdrucks gegenüber dem Servomotordrehmoment kann ein gewünschter Anpressdruck vorgegeben werden, den der Roboter exakt einstellt. Die Robotersteuerung ermöglicht verschiedene Klemmprofile mit variablen Drücken und Zeiten.
Schweißsequenzierung mit Druck: Das System startet die Schweißsteuerung, sobald die Elektroden den gewünschten Anpressdruck erreicht haben. Dies kann die bei pneumatischen Zangen notwendige Quetschzeit entfallen lassen.
Druckkompensationsfunktion: Diese Funktion ermöglicht es, den Anpressdruck der Schweißzange während des Schweißzyklus extern zu verändern, indem eine Schweißsteuerung über eine entsprechende Schnittstelle die Elektrodenkraft einstellt. Besonders bei Aluminiumpunktschweißen gewinnt dieses Verfahren – als Kraftschmieden bekannt – an Bedeutung und hilft, Risse im Schweißpunkt zu verhindern.
Werkstücksuchfunktion: Diese Funktion vereinfacht die Programmierung, besonders wenn Bauteile oder Vorrichtungen die Sicht versperren. Die Zange fährt auf das Werkstück zu und schließt, bis sie über die Drehmomentrückmeldung Kontakt erkennt. Sie kann auch im automatischen Betrieb aktiviert werden, um Schweißpositionen zu suchen, die aufgrund von Chargenschwankungen variieren.
Mit der Robotersteuerung des Servomotors auf der Zangenachse ergeben sich zusätzliche nützliche Funktionen:
Parameteraufzeichnung: Mithilfe einer Oszilloskopfunktion des Roboters können Motorgeschwindigkeit und Drehmoment der Zange sowie die Sequenzierung der Punkttimer zur Prozessüberwachung und Fehlerbehebung aufgezeichnet werden.
Servogesteuerte Spitzenabrichter: Spitzenabrichter dienen dazu, abgenutzte Zangenspitzen neu zu bearbeiten. Sie schneiden eine dünne Kupferschicht mithilfe eines pneumatischen oder elektrischen Motors ab. Ein Servomotor bietet zusätzliche Kontrolle über Drehmoment und Geschwindigkeit, sodass auch stärkere Schnitte möglich sind, Grenzwerte programmiert werden können, um Elektroden nicht zu beschädigen, und Druck sowie Geschwindigkeit für ein Polieren der Oberfläche angepasst werden können.
Schweißsteuerungen mit digitalen Schnittstellen bieten umfangreiche Funktionen für eine optimierte Programmierung und ermöglichen Herstellern eine vereinfachte Verbindung über Einkabel-Ethernet. Die Steuerungen können über 255 Schweißprogramme pro Gerät verwalten und überwachen. Mehrere Schweißsteuerungen lassen sich mit mehreren Robotersteuerungen oder mehreren Zangen an einer Robotersteuerung vernetzen. Zu den fortschrittlichsten Funktionen der Schweißsteuerungen zählen:
Adaptives Feedback: Die Schweißsteuerung erzeugt eine Hochspannungswellenform auf der Primärseite des Transformators, um den gewünschten Strom auf der Sekundärseite an der Zange zu erzeugen. Ein Timer mit dieser Funktion nutzt Messleitungen an den Elektroden, um die Ausgabe zu überwachen und Anpassungen vorzunehmen, damit der richtige Strom vom Transformator geliefert wird.
Programmiersoftware: Der Punkttimer verfügt über eine Software-Schnittstelle, mit der Schweißzeitpläne programmiert werden können. Manche Systeme bieten ein offenes Protokoll und ermöglichen so die Programmierung direkt vom Teach-Pendant des Roboters, ohne einen PC anschließen zu müssen.
Datenüberwachung: Die Schweißsteuerung überwacht den Schweißprozess und kann die Ergebnisse jeder Schweißung für Fehleranalysen oder Qualitätszwecke protokollieren. Hierzu kann auch die Elektrodenkrafterfassung durch einen zusätzlichen Sensor an der Zange gehören.
Ganz gleich, ob in der Landwirtschaft, Automobilindustrie, im Bauwesen oder anderen Branchen – diese Methoden und Technologien können gemeinsam dazu beitragen, die Aufgabenerfüllung für betriebliche Veränderungen zu verbessern. Entscheidungsträger, die auf der Suche nach höherer Zuverlässigkeit und Genauigkeit für betriebliche Effizienz und Schweißqualität sind, sollten sich an einen erfahrenen Roboterlieferanten oder Systemintegrator wenden, um mehr zu erfahren.
Abb. 1 — Hochleistungsroboter mit Hohlarm-Designs nutzen die Widerstandspunktschweißtechnik, um die Flächenausnutzung zu maximieren und gleichzeitig Taktzeiten sowie Produktqualität zu verbessern.
