Autonome Schweißlösungen: Expertenvergleiche & Einblicke

GarLine & SharpTrack – fortschrittliche Nahtverfolgungslösungen für „autonomes Schweißen“

Die Fertigung wird zunehmend automatisiert und fordert benutzerfreundliche Lösungen. Im Schweißsektor sind aufgrund des Mangels an qualifiziertem Schweißpersonal automatisierte und robotische Schweißlösungen stark nachgefragt und gleichzeitig kosteneffektiver für Hersteller und Fertiger. Viele bestehende Schweißlösungen können als „halbautomatisiert“ betrachtet werden, erfordern jedoch ständige Bedienereingriffe, einen langen Einrichtungszeitraum und einen hochqualifizierten Bediener. Vollautomatisiertes robotisches Schweißen kann als „Automatisches Schweißen“ bezeichnet werden. Wenn jedoch nur sehr wenig Bedienereingriff erforderlich ist und Einrichtungsaufgaben stark vereinfacht werden, kann diese Lösung als „autonom“ bezeichnet werden. Doch echte Autonomie mit minimaler Bedieneraktivität zu erreichen, ist schwierig. Eine robotische Schweißlösung benötigt Prozessverbesserungen, um wirklich autonom oder fahrerlos zu werden – wie Lasernahtverfolgungs-/Suchsensoren mit ausreichend integrierter Intelligenz für die Ausführung optimaler Schweißstrategien zu jedem Zeitpunkt.

Verfügbare Technologien für automatisiertes oder halbautomatisiertes Schweißen

In einem Artikel auf der Motoman.com-Website vom 31. März 2022 bot Joshua Leath einen Leitfaden zu den verschiedenen Optionen für automatisiertes Schweißen. Er identifizierte fünf Hauptkategorien: Tastabtasten, Drahtabtasten, Lichtbogendurchstrahlung, Laserpunkterfassung und Laserprofilerkennung. Er unterteilte die automatisierten Aufgaben zudem in Nahtsuche und Nahtverfolgung:

Nahtsuche vs. Nahtverfolgung

„Was ist der Unterschied zwischen Nahtsuche und Nahtverfolgung?“ und „Wie erkenne ich, wann ich Nahtsuche vs. Nahtverfolgung einsetzen sollte?“ Dies sind häufige Fragen, die unsere robotischen Schweißexperten regelmäßig gestellt bekommen. Hier sind mehrere Aspekte, die bei der Entscheidung für den robotischen Schweißprozess zu beachten sind:

Nahtsuche

Damit ein Roboter eine Schweißnaht vor Beginn des Schweißens präzise lokalisieren kann, wird eine hochgeschwindige Nahtsuche oder Fugenfindung empfohlen. Werkstücke werden zwangsläufig einen gewissen Variationsbereich aufweisen, aber das Ziel ist es, diese Variation durch spezifizierte Teile und Vorrichtungen zu minimieren und innerhalb der halben Drahtbreite in die Nahtfuge zu gelangen. Dieser Prozess kann auf verschiedene Weise über diverse Technologien erfolgen, wodurch der Roboter die Schweißnaht finden kann. Sobald die Naht durch das Finden von meist zwei oder mehr bekannten Punkten am Teil entdeckt wurde, verschiebt der Roboter den Programmverlauf, um den Schweißvorgang abzuschließen. Die Art der erforderlichen Nahtsuche wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt: die erwartete Zykluszeit und die Art der Naht. Nahtsuche ist eine der beliebtesten Schweißfunktionen und wird oft durch folgende Kontakt- und berührungslose Optionen erreicht:

Tastabtasten (Touch Sensing) – Ideal für die Ermittlung der Orientierung von Teilen mit einfachen Fugen und Geometrien. Diese Methode, auch als „Drahtberührung“ bekannt, beinhaltet die physische Berührung eines Schweißdrahts vom Ende des Brenners, um die leitfähige Oberfläche des zu schweißenden Teils zu detektieren. Die langsame Geschwindigkeit des Roboters und die eventual Berührung schließen einen Stromkreis mit einer geringen Spannung, die durch den Draht gespeist wird. Dies kann in einigen Szenarien auch mit der Brennerdüse erfolgen. Abgeschlossen über integrierte Funktionen einer für Automatisierung ausgelegten Schweißstromquelle, nutzen Systeme wie Yaskawas Touch Sense Paket einen Niedervoltstromkreis während einer Niedriggeschwindigkeitssuche, um die beste Position für die Schweißnaht zu bestimmen.

Drahtabtasten (Wire Sensing) – Ähnlich zum Tastabtasten, bei dem ein Draht vom Brenner taktilen Kontakt mit dem Teil herstellt. Diese Option nutzt einen Servomotor im Brenner, um den Draht schnell auf und ab zu bewegen, während der Roboter über das Teil fährt. Dies ermöglicht die einfache Lokalisierung von Überlappnähten und kann Messungen wie Materialhöhe und Spalte erfassen.

Laserpunkterfassung (Laser Point Sensing) – Zwei- bis fünfmal schneller als Tastabtasten. Der Einsatz eines grundlegenden Laserdot-Sensors (am Schweißbrenner montiert) erfasst die Position und Orientierung eines Teils fast so schnell wie der Laser feuert und bietet schnelle und präzise Nahtsuche.

Laser-Nahtsuche (Search) – In der Lage, mehr Merkmale in einem einzigen Scan über einen Laserdot-Sensor zu erfassen. Die Nutzung einer Profil-Laser-Schnittstelle (Software-Option), wie Yaskawas MotoEye™ SF, bietet extrem schnelle Fugenvermessung. Die FANUC America Corporation bietet eine ähnliche Funktion namens R901 SW-Option. Diese Lösung funktioniert gut mit einem Sensorgeberät, das 3D-Multilaser-Entfernungsbildoptik nutzt, um die benötigten Messungen/Nahtspaltdaten an den Roboter zu liefern, bevor das Schweißen beginnt.

Vorteile:

• Funktioniert auf verschiedenen Materialien bei allen Lichtverhältnissen
• Einfach zu lehren mit Makro-Jobs
• Liefert Nahtspaltdaten
• Lange Brennweite; Montage fern vom Lichtbogen
• Lokalisiert 2,5D; Offset und Tiefe
• Kompakt und eigenständig
• I/O-Schnittstelle kann auf ältere Steuerungen nachgerüstet werden

Nachteile:

• Mittlere bis hohe Komplexität; Training am Bildverarbeitungssystem empfohlen
• Kann den Zugang zum Teil/Werkzeug einschränken
• 40 oder 50 mm Sichtfeld kann mehrere Suchen für große Offsets erfordern

Nahtverfolgung

Oft die Programmierung vereinfachend, nutzt diese Option innovative Technologie, um den Roboter zu befähigen, die Schweißposition in Echtzeit während des Schweißprozesses zu verfolgen. Nahtverfolgung ist beliebt für Anwendungen, bei denen Verzug beim Schweißen eines Teils auftreten kann oder für schwere Gussteile, und wird häufig mit folgenden Methoden durchgeführt:

Lichtbogendurchstrahlungs-Nahtverfolgung (Through-the-arc Seam Tracking) – Am besten für Teile mit langen oder gekrümmten Nähten, die von Teil zu Teil variieren. Ein Lichtbogendurchstrahlungs-Nahtverfolger wie Yaskawas ComArc LV (Niedervolt) nutzt einen Festkörpersensor in der Nähe der Schweißstromquelle, um während der Schweißsequenz aktiv Lichtbogenmerkmale zu messen. Dies bestimmt Abweichungen zwischen dem gelehrten Roboterpfad und dem tatsächlichen Nahtpfad.

Laser-Nahtverfolgung – Empfohlen für Materialien mit variierenden Nähten, die die schnellstmögliche Zykluszeit erfordern. Diese Methode kombiniert einen Hochleistungslaser mit einem Hochgeschwindigkeitscontroller, um die Naht und Teileposition in Echtzeit zu finden, während das Teil geschweißt wird. Dies ist die ideale Lösung für High-Mix, Low-Volume-Teileproduktion, wie sie in einer Job-Shop-Umgebung vorkommt. Der Ansatz erfordert auch weniger Vorrichtungen als halbautomatisierte oder automatisierte Schweißansätze. Ein dediziertes Programm kompensiert den Pfad, selbst wenn das Teil verschoben wird, und passt sich an Schweißparameter für Nahtlage und -variation an.

Vorteile:

• Verfolgt zuverlässig Dünnblech-Überlappnähte
• Unterstützt hohe Vorschubgeschwindigkeiten (>100 IPM)
• Webebewegung mit Verfolgung möglich
• Verfolgung wird nicht von Schweißeinstellungen beeinflusst
• Unterstützt koordinierte Bewegung
• Ethernet-Schnittstelle verfügbar
• Kamera gegen Schweißlichtbogen gehärtet
• Adaptive Schweißfunktion; Geschwindigkeit und Schweißeinstellungen

Nachteile:

• Hohe Komplexität und manchmal (nicht immer) hohe Kosten
• Training am Bildverarbeitungssystem erforderlich
• Brennermontierter Sensor schränkt Gelenkzugang in engen Räumen ein
• Verfolgungsradius begrenzt auf 40–60 mm
• Begrenzt auf zwei Roboter pro System

Vorteile der GarLine Nahtverfolgungs- und Nahtsuch-Laserprofil-Sensoren

Aus Mr. Leaths detaillierter Analyse geht hervor, dass es mehrere Wege zur Schweißautomatisierung gibt. Viele Techniken bleiben jedoch hinter echter Autonomie zurück – also unbeaufsichtigter Betrieb, adaptive Steuerung und hohe Benutzerfreundlichkeit. Die letzte von Mr. Leath vorgestellte Lösung war die Laserprofil-Nahtverfolgung/-suche. Sie bietet den höchsten Grad an Autonomie, da sie vorausschauend auf die Naht blickt, um den Roboterpfad für den Schweißvorgang zu definieren, und durch einen onboard-Prozessor (bei GarLine) schnelle Signalverarbeitung und On-the-fly-Anpassungen des erforderlichen Schweißens basierend auf gemessener Breite oder Tiefe ermöglicht.

Garmo Instruments aus Zaragoza, Spanien, hat eine Reihe von Laserprofil-Schweißnahtsensoren – #GarLine – entwickelt, die die Robustheit, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit für viele verschiedene Schweißanwendungen und auf einer breiten Palette von Materialien bieten.

Hier ist eine Zusammenfassung, wie Schweißautonomie dem Hersteller zugutekommt:

Verbesserte Arbeitsbedingungen

Mit GarLine-Sensoren arbeiten Mitarbeiter in einer sichereren Umgebung und vermeiden traditionelle gesundheits- und ergonomiebedingte Schweißrisiken, da nicht mehr in unmittelbarer Nähe des Schweißens gearbeitet werden muss.

Schnelle Umrüstung für Kleinserienproduktion

Die GarLine-Sensoren verfügen über ein sehr benutzerfreundliches, menügeführtes Setup entweder auf einem PC oder integriert am Roboter- oder Cobot-Teach-Pendant für eine breite Palette von Marken und Modellen einschließlich Fanuc, ABB Robotics, Universal Robotics (UR) und anderen. Dies vereinfacht die Bedienerausbildung und ermöglicht schnelle Programmänderungen basierend auf Produktionsänderungen. GarLine ist die ideale Lösung für Job-Shops mit High-Mix und Low-Volume und auch vorteilhaft über eine breite Palette von Teilgrößen und -formen mit seiner großen Auswahl an Menüoptionen und inhärenter Schweißanpassung.

Verbesserte Produktqualität

GarLines optische Präzision und automatische Korrekturen werden dem Roboter mit sehr hoher Rate kommuniziert, weshalb die GarLine-Schweißlösung dem Hersteller zugutekommt, indem sie bessere Schweißnähte, schnellere Schweißnähte, geringeren Ausschussanteil und damit eine höhere Fertigproduktrate in kürzerer Zeit erreicht, wobei Nacharbeit und Produktionsverluste vermieden werden.

Erhöhte Produktivität

Die Einfachheit des „Weniger ist mehr“-Konzepts ist das Ziel jedes Unternehmens, einschließlich Hersteller im Schweißsektor. Weniger investierte Zeit in die Produktion, einschließlich Maschinen-Setup und Teilevorrichtung, bei gleichzeitig hochwertigen Ergebnissen, verbessert die Gesamtproduktivität (OEE).

GarLine-Sensoren – Merkmale

Robuster Sensor

GarLine übertrifft die Schutzart IP67 und funktioniert erfolgreich in einem Arbeitsbereich von -20 °C bis 70 °C. Das Design beinhaltet Materialien für Luft- und Raumfahrt, die eine optimale EMI-Isolierung gewährleisten, einschließlich bei WIG-Schweißprozessen.

Intelligente Elektronik

Die Elektronik besteht aus 4 parallelen Prozessoren mit 4 GB RAM, die Bilder mit 42 Bildern pro Sekunde in voller Auflösung verarbeiten. Zudem enthalten GarLine-Sensoren innovative Algorithmen für die dynamische Anpassung von Sensor- und Laserparametern zur Korrektur von Reflexionsproblemen bei Anwendungen mit variierenden Materialoberflächenbedingungen. Die Laserbandbreite liegt weit außerhalb aller Lichtbandbreiten, die durch Schweißlichtbögen erzeugt werden.

Einfache Wartung

GarLine verfügt über einen austauschbaren Polycarbonat-Schutzschild und ein internes Gorilla-Glas-Fenster. Der Sensor ist luftgekühlt, was auch als Luftvorhang über der Sensoroberfläche für zusätzlichen Schutz dient. Eine Wasserkühlungsoption steht für sehr heiße Umgebungen zur Verfügung. Der Wasserkühler ist in die Montageplatte integriert, mit ARC-Swiss-Befestigung. Diese Lösung ermöglicht schnellen und einfachen Sensortausch, falls jemals notwendig.

Für alle Arten des autonomen Schweißens (Cobots, Industrieroboter und SPS-gesteuerte Maschinen) sind GarLine-Nahtsuchsensoren eine Plug-&-Play-Lösung, da ihre Schnittstelle direkt auf dem Teach-Pendant eines Roboterschweißsystems angezeigt wird, ohne dass zusätzliche Computer, spezielle Software, Kabel oder sonstige Geräte benötigt werden.

Neben Nahtverfolgungs- und Nahtsuchfunktionen umfassen GarLine-Sensoren auch weitere sehr nützliche Funktionen, die im autonomen Schweißen stark nachgefragt sind.

GarLine Nahtverfolgungs- & Such-Lasersensor-Funktionen

Nahtsuche: Echtzeit-Vorausberechnung von Korrekturen, um den Brenner zur Naht zu bewegen. Der Sensor findet die richtigen Lehrpunkte der Schweißfuge vor dem Schweißen und kompensiert die Teileabweichung.

Lokalisierungsfunktion: GarLine scannt 4 Punkte des Teils, erfasst dessen Form und platziert es in der Ebene. Dieser Scan- und Lokalisierungsprozess ist 10-mal schneller als mit der reinen Touch-Sense-Funktion. GarLine misst Rotation und Translation in je 3 Achsen und berechnet insgesamt 6 Nahtpositionen.

Mehrlagen-Schweißen (Multipass): Einfach zu programmierende Funktion für mehrlagige Schweißnähte.

End-Erkennungsverfolgung: Der Sensor erkennt das Ende der Naht und stoppt das Schweißen.

Pre-Tag-Avoid-Konfiguration: Der Sensor kann so konfiguriert werden, dass er gerade schweißt und vorgeprogrammierte Lücken entlang der Naht überspringt.

Weben und adaptives Weben: Dank der „Vorausschau“-Vision des GarLine-Sensors passt sich die Brennertrajektorie der Nahtbreite an und gewährleistet zig-zag-gefüllte Lücken.

Säulen- und Auslegerlösungen

Kenntnis der Bedürfnisse des Schweißmarktes hat Garmo Instruments auch ein All-in-One-Easy-Schweißkit mit seiner SharpTrack-Lösung entwickelt, die die ultimative maßgeschneiderte und komfortable Lösung für autonome Schweißanwendungen bietet.

Mühelose Schweißautomatisierung mit SharpTrack-System und GarLine-Sensoren

In Zusammenarbeit mit QUIRÓS INGENIERÍA Y AUTOMATIZACIÓN S.L hat Garmo Instruments ein Plug-&-Play-Kit entwickelt, das Nutzern ermöglicht:

• Zugang zu vielfältigen und flexiblen SPS-Programmieroptionen
• Anpassung von SHARPtrack an Anwendungsanforderungen (Auswahl des Schlittenmodells, SPS-Marke – Siemens, Rockwell und Panasonic SPS sind derzeit verfügbar –, Treiber, Kabellänge und maßgeschneiderte Schaltschrankeigenschaften gemäß Anwendung)
• Pendant-Zugriff auf alle Schweißfunktionen (Nahtverfolgung, Echtzeit-Überwachung, manuelle Schlittenbewegung, Live-Offset-Kontrolle und Konfiguration von Schweißgeschwindigkeit und quellbezogenen Parametern)

GarLines Vorausschau-Funktion gewährleistet präzise Echtzeit-Nahtverfolgung und Mikrokorrekturen der Brennertrajektorie. Der GarLine-Sensor führt Trajektorienkorrekturen mit einer Geschwindigkeit durch, die für das menschliche Auge unmerklich ist. Diese Präzision liefert nicht nur fehlerfreie Schweißnähte, sondern sichert auch einen makellosen wahrgenommenen Wert im Endprodukt.

SHARPtrack beinhaltet bereits vordefinierte und personalisierbare Programmierung und macht Schweißautomatisierung zu Plug-&-Play. Einfache Installation, keine umfangreiche Programmierung erforderlich.

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Nehmen Sie Kontakt mit dem Team von Garmo Instruments auf für weitere Informationen zu GarLine-Sensoren und SharpTrack-System.

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