Auf den Punkt. Präzises Punktschweißen mit Ausgleichssoftware Lennart Sundstedt, Christian Müller, Åke Olofsson. Bedarfsgesteuerte Fertigung

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1 Auf den Punkt Präzises Punktschweißen mit Ausgleichssoftware Lennart Sundstedt, Christian Müller, Åke Olofsson Sobald eine Punktschweißzange ihre Schweißposition erreicht, kommt es auf eine präzise Steuerung ihrer Position und der Schweißkraft an. Ein entsprechendes Steuerungssystem muss in der Lage sein, die durch die ausgeübte Schweißkraft hervorgerufene Durchbiegung der Elektrodenarme auszugleichen. Die Elektrodenkappen müssen das Blech auf beiden Seiten exakt gleichzeitig berühren, um ein Verbiegen des Blechs zu verhindern. Sobald sich die Elektroden in der richtigen Position befinden, müssen sie den korrekten Schweißdruck aufbauen, ohne dabei das Blech zu verformen. Gleichzeitig muss auch der Verschleiß der Elektroden berücksichtigt werden. Früher wurden mechanische Ausgleichssysteme mit Pneumatik verwendet. Mit dem servogesteuerten Software Equalizing beschreitet ABB neue Wege. Es zeichnet sich durch eine deutlich größere Präzision und Flexibilität aus und ermöglicht so eine höhere Schweißgüte bei gleichzeitiger Reduzierung des Wartungsaufwands. 47

2 ABB Robotics bietet flexible Softwarelösungen für zahlreiche Punktschweißanwendungen mit speziellen Softwareoptionen für pneumatisch und servogesteuerte Schweißzangen. Robot- Ware Spot Servo ist ein Softwarepaket für das Schweißen mit Servozangen. Es verwendet eine gemeinsame Steuerung und die gleiche interne Bewegungssteuerungslogik für die Steuerung des Servomotors der Schweißzange und der sechs Roboterachsen. Somit wird keine externe Antriebsteuerung benötigt, und die Steuerung der Servozange ist vollständig mit den Bewegungen des Roboters synchronisiert. Mit Software Equalizing bringt ABB nun eine Weiterentwicklung der Bewegungssteuerung auf den Markt, die die herkömmlichen mechanischen (pneumatisch oder elektrisch gesteuerten) Ausgleichssysteme von Punktschweißzangen durch Software ersetzt. Software Equalizing reduziert dadurch die Ausrüstungskosten sowie den Wartungsbedarf und erhöht gleichzeitig die Schweißqualität. Rückblick Industrieroboter werden seit über 30 Jahren zum Punktschweißen eingesetzt. Anfangs war jedoch die Genauigkeit von Robotern, Vorrichtungen und Schweißzangen noch relativ gering. Zur Kompensation der Abweichung wurden mechanische Ausgleichssysteme 1 eingesetzt, die die Zange beim Schließen und beim Aufbau der Schweißkraft nachgiebig machen. Im Laufe der Jahre sind die Roboter immer genauer und die Toleranzen in den Blechen und Vorrichtungen immer geringer geworden. Weiterhin werden pneumatische Punktschweißzangen immer mehr von servogesteuerten Zangen verdrängt. Dadurch ist die Genauigkeit bei der Positionierung des Blechs und die Wiederholbarkeit der Roboter- und Zangenbewegungen derart gestiegen, dass die verbleibenden Abweichungen praktisch keinerlei Auswirkungen mehr auf das Schweißergebnis haben. Durchbiegung des festen Zangenarms Ungenauigkeiten bei der Programmierung Verschleiß der Elektrodenkappen Werden diese Faktoren nicht ausreichend berücksichtigt, kann es beim Schweißen zur Verbiegung, zum Verziehen oder zur Beschädigung der Bleche kommen. Wird zudem dadurch die vorgegebene Zangenkraft am Blech nicht erreicht, kann dies zu einer geringeren Schweißqualität und Restspannungen im Metall führen. Folglich besteht noch immer Bedarf an einem geeigneten Zangenausgleich. Software Equalizing 2 zeigt einen typischen Punktschweißzyklus. In 2a nähert sich ein IRB6600- Roboter mit offener Zange der Schweißposition. Ist die Schweißposition erreicht, schließt sich die Zange 2b, 2c, und die Zangenkraft wird aufgebaut (die Positionsregelung wird von der Kraftregelung abgelöst). Gleichzeitig kommt es zur Durchbiegung der Zangenarme. Ist die erforderliche Kraft erreicht, findet die Schweißung statt. Daraufhin wird die Kraft in den Zangenarmen wieder abgebaut, die Zange öffnet sich, und der Roboter bewegt die Zange zur nächsten Position 2d (die Kraftregelung wird wieder durch die Positionsregelung ersetzt). Software Equalizing von ABB Robotics ersetzt den herkömmlichen mechani- 1 Servozange mit mechanischem Ausgleich, wie er vor der Einführung von Software Equalizing üblich war schen Zangenausgleich durch ein Paket aus bedienerfreundlichen Funktionen, die dabei helfen, die Kosten zu senken (einfachere Zangen, weniger Wartungsaufwand, keine Druckluftversorgung mehr am Roboter) und die Programmierung sowie wie den Betrieb zu vereinfachen und zu beschleunigen. Das System bietet u.a. folgende Funktionen, die im weiteren Verlauf näher beschrieben werden: Kompensation der Unterstützung der Programmierung (Teachen) Überwachung und Kompensation des Kappenverschleißes Automatischer Rückhub des festen Zangenarmes Kompensation der Beim Schließen der Schweißzange führt die ausgeübte Zangenkraft unweigerlich zum Durchbiegen des festen Zangenarms und damit zu einer Verschiebung der Schweißposition. Um diese Verschiebung zu verhindern und die programmierte Schweißkraft im Blech zu erreichen, muss die Position der Zange korrigiert werden. Dies wurde bisher mit mechanischen Ausgleichssystemen erreicht. Will man nun den mechanischen Ausgleich durch Software ersetzen, muss der feste Zangenarm entsprechend der Verschiebung aktiv bewegt werden entweder von der Zange selbst (benötigt eine zusätzliche Zangenachse) oder von den sechs Achsen des Roboters. Allerdings gibt es auch weiterhin Ungenauigkeiten und Einwirkungen während des Punktschweißablaufs, die die Schweißqualität beeinflussen. Dazu gehören: 48

3 2 a b c d 3 Darstellung eines typischen Punktschweißzyklus, erstellt mit RobotStudio von ABB FlexPendant im «Weld Position Touch Up»-Modus Der Ansatz von ABB nutzt letzteres zusammen mit der bereits vorhandenen gemeinsamen Steuerung von Robotor und Zange. Auf diese Weise kann die interne Bewegungssteuerung die Ausgleichsbewegungen des Roboters mit dem Aufbau der Zangenkraft koordinieren. Das Gleiche gilt für das Lösen der Zange nach dem Schweißen. Detaillierte Untersuchungen und Messungen zeigen, dass mithilfe von Software Equalizing weder vor noch während des Schweißens eine Verbiegung des Blechs stattfindet. Außer der von den Elektrodenkappen ausgeübten Klemmkraft ist keine andere Kraft vorhanden. Die Ausgleichsbewegungen während der Kraftregelungsphase werden perfekt mit der Bewegung der Zange synchronisiert. Somit erfolgt das Schweißen praktisch ohne jegliche Spannung im Blech, was wiederum die Schweißqualität verbessert. Da bei der Lösung von ABB die Position des festen Zangenarms mithilfe interner Bewegungssteuerung und Software angepasst wird, hat die Lage der Zange keinerlei Einfluss auf das Ausgleichsverhalten. Im Vergleich dazu ändert sich das Kompensationsverhalten mechanischer Ausgleichssysteme normalerweise bei unterschiedlicher Lage der Zange. So kann es sein, dass ein Ausgleichssystem, das in horizontaler Lage gut funktioniert, in vertikaler Lage keinen ausreichenden Ausgleich bietet. Die Abstimmung und Anpassung der Zange für eine gute Kompensation in allen Lagen kann sehr arbeits- und zeitaufwändig sein. Die neue Funktionalität zur Kompensation der eignet sich sowohl für X- und C-Zangen 1) als auch für robotergeführte und stationäre Servorzangen. Die einzige zangenspezifische Information, die zusätzlich bereitgestellt werden muss, ist die Biegecharakteristik des festen Zangenarms (Durchbiegung als Funktion der Fußnote 1) «X-Zange» bezieht sich auf scherenförmige Schweißzangen (Elektroden senkrecht zum Zangenarm wie in 2 ); «C-Zange» auf direkt wirkende Anordnungen (Elektroden in der Achse des Zangenarms, wobei eine Elektrode die direkte Verlängerung dieses Zangenarms darstellt und die andere in einer C-förmigen Halterung befestigt ist). Zangenkraft). Diese Daten können üblicherweise dem Datenblatt der Zange entnommen werden. Unterstützung der Programmierung Eine Voraussetzung für gute Schweißqualität ist die präzise Programmierung der Schweißpositionen. Das gilt umso mehr beim Einsatz von Software Equalizing. Die Software von ABB Robotics ist um die Funktion Weld Position Touch Up erweitert worden, die die Feinanpassung der programmierten Positionen erleichtert. Weld Position Touch Up steht im manuellen Modus zur Verfügung (d.h. bei der Programmierung oder Aktualisierung des Programms). Im «Touch Up»- Modus 3 werden alle programmierten Anweisungen (außer dem Schweißen) normal ausgeführt. Sobald der Roboter eine Schweißposition erreicht, hält er an, und auf dem FlexPendant wird ein Einstellungsdialog angezeigt siehe Infobox. FlexPendant Das FlexPendant 3 ist das tragbare Handbediengerät für Roboter von ABB. Das ergonomische Gerät, das für die Bedienung der IRC5-Steuerung von ABB entwickelt wurde, wiegt unter 1,3 kg und verfügt über einen farbigen Touchscreen sowie eine bedienerfreundliche Oberfläche. 4 Rückhub der Elektroden auf einen vorgegebenen Abstand, um einen Kontakt mit dem Blech während der Bewegung zu vermeiden. Bewegliche Elektrode (in beweglichem Zangenarm) Rückhubdistanz Feste Elektrode (in festem Zangenarm) 49

4 Die Positionen des beweglichen und des festen Zangenarms können nun mit einer einzigen Taste auf dem FlexPendant schrittweise nachgestellt werden. Die Elektrodenkappen der Zangenarme werden mit vorgegebener (einstellbarer) Schrittweite dem Blech angenähert bzw. davon entfernt. Überwachung und Kompensation des -300 Kappenverschleißes Punktschweißkappen (Elektroden) verschleißen im Laufe der Zeit. Deshalb müssen die Positionen, an die die Zange zum Schweißen bewegt wird, entsprechend korrigiert werden. Software Equalizing bietet eine bedienerfreundliche Funktion zur Messung und Kompensation des Kappenverschleißes. Um den Gesamtverschleiß beider Kappen zu bestimmen, wird die Zange «in der Luft» (d.h. ohne Blech) mit einer vorgegebenen Kraft geschlossen. Dann wird die Differenz in der Zangenposition der geschlossenen Zange gemessen und anhand dieses Wertes der Zangenhub angepasst. So können konstante Schließzeiten (und somit auch konstante Zykluszeiten) und konstante Schweißkräfte gewährleistet werden. Der Kappenverschleiß der festen Elektrode kann entweder über das erwartete Verhältnis zum Gesamtverschleiß errechnet oder mithilfe einer festen Referenzplatte und einer speziellen Bewegungsanweisung gemessen werden. Bei robotergeführten Zangen ist die Referenzplatte im Arbeitsbereich des Roboters montiert. Die Ist- Position der festen Elektrode wird mit einer Suchfunktion bestimmt, die die Elektrode gegen die Referenzplatte bewegt, bis eine vorgegebene Kraft erreicht ist. Bei stationären Servozangen hingegen ist die Referenzplatte auf dem Greifer des Roboters befestigt und wird vom Roboter gegen die feste Elektrode bewegt. Da der Roboter selbst als Messeinrichtung dient, werden keine zusätzlichen Geräte benötigt. Diese Funktion liefert nicht nur genaue Daten über den Kappenverschleiß, 5 Kraft (N) Kraft auf das Blech bei Schweißkräften von 1,5 und 3,5 kn Schweißkraft = 1,5 kn Mechanischer Ausgleich Ohne Kompensation der Schweißkraft = 3,5 kn Zeit (s) Mit Kompensation der sondern ermöglicht auch seine automatische Überwachung. Für kritische Fälle (z.b. wenn Kappen nachgearbeitet bzw. ausgetauscht werden müssen oder verloren gehen) können Alarme festgelegt werden. Andere Verfahren wie Lichtschranken können ebenfalls zur Messung des Kappenverschleißes herangezogen werden. Automatischer Rückhub des festen Zangenarms Bei Zangen mit mechanischem Ausgleichssystem wird der feste Zangenarm beim Öffnen der Zange automatisch vom Blech gelöst. Mit Software Equalizing ist eine zusätzliche Bewegung des Roboters erforderlich, um die feste Elektrode vom Blech zu lösen. Dadurch wird mögliches Kratzen der Elektrode am Blech bei der Bewegung zur nächsten Schweißposition verhindert. Um die Programmierung der Schweißpunkte für den Benutzer so einfach wie möglich zu gestalten, bewegt der Roboter den festen Zangenarm beim Öffnen der Zange automatisch um einen vorgegebenen Abstand senkrecht vom Blech weg. Auf den Rückhub kann direkt eine Zone und die Bewegungsanweisung zum nächsten Punkt folgen. Der Abstand zum Blech 4 wird vom Bediener bestimmt und kann für jede Schweißzange individuell festgelegt werden. Verifikation des Software Equalizing Die Funktionstüchtigkeit und Leistungsfähigkeit von Software Equalizing wurde durch Kraftmessungen und Hochgeschwindigkeits- Videoaufnahmen mit Zangen verschiedener Hersteller sowie für alle Punktschweißrobotertypen von ABB nachgewiesen. Die in 5 und 6 dargestellten Messungen wurden mit einer auf einem IRB6600/225-Roboter montierten ABB-Standardzange (X-Zange) vom Typ SRT-M-E aufgenommen. Die Zange hat eine Ausladung von 645 mm, und die maximale Schweißkraft beträgt 3,5 kn. Dabei ergibt sich eine Durchbiegung von 4,7 mm. Die Kraftmessungen wurden mit einem sehr steifen Blech durchgeführt, das auf einem Standard-Kraftsensor montiert war. Die Anordnung wurde so gewählt, dass ausschließlich die Kraft gemessen wird, die senkrecht auf die Blechoberfläche wirkt. Dies ist die Kraft, die zur Verbiegung und evtl. sogar zur Beschädigung des Blechs führt und daher durch das Ausgleichssystem kompensiert werden sollte. Wie in 5 zu sehen, wirken beim mechanischen Ausgleichssystem hauptsächlich beim Schließen und Öffnen der Zange Kräfte auf das Blech. Hierbei handelt es sich um die Reaktionskräfte, die durch die Trägheit der Zange beim Kontakt mit dem Blech hervorgerufen werden. Die verbleibende Restkraft, die während des Schweißens zu sehen ist, wird durch die in dieser Schweißposition nicht vollständig ausbalancierte Zange verursacht. Ohne mechanischen Ausgleich und ohne Kompensation der (Schweißposition der festen Elektrode direkt auf dem Blech) hängt die verbleibende Kraft auf das Blech von der Schweißkraft und dementsprechend auch von der Durchbiegung des festen Zangenarms ab. Dies zeigt, wie wichtig eine gute Kompensation der ist. Die Ergebnisse bei Verwendung von Software Equalizing zeigen, dass beim Schweißen nur eine minimale senkrechte Kraft auf das Blech wirkt, die zudem von der Lage der Zange und der Schweißkraft unabhängig ist. 50

5 Die Leistungsfähigkeit von Software Equalizing wird auch deutlich, wenn man die Verbiegung eines sehr dünnen Blechs (was kaum Kraft erfordert) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzeichnet 6. Dieser Test zeigt, wie präzise die Durchbiegung des festen Zangenarms beim Kraftaufbau kompensiert wird. 6 zeigt in einer Folge von Aufnahmen die Bewegung der Zange zur Schweißposition, das Schließen der Zange auf die Blechdicke und die Kraftregelung beim Aufbau der Schweißkraft (3,5 kn). Die Blechdicke beträgt dabei weniger als 1,0 mm. 6a zeigt die Bewegung der Zange an die Schweißposition und das Schließen der Zange. Die feste (untere) Elektrode nähert sich dem Blech mit der vorgegebenen Rückhubdistanz (in diesem Fall 5 mm), bevor sie die Schweißposition auf dem Blech einnimmt. Gleichzeitig wird die Zange synchron zur Bewegung des Roboters bis zur Blechdicke geschlossen. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Elektrodenkappen gleichzeitig und unabhängig von der programmierten Geschwindigkeit das Blech erreichen. 6b und 6c zeigen die Kraftregelungsphase mit dem Aufbau der Schweißkraft. In beiden Fällen sind die Kraftregelung und die ausgeübte Kraft (3,5 kn) identisch. 6b zeigt das Verhalten ohne einen effektiven Ausgleich der. Die hier verwendete Zange verfügt zwar über einen aktivierten mechanischen Ausgleich, doch da das Blech keine Gegenkraft ausübt, ist der mechanische Ausgleich nicht in der Lage, die Durchbiegung des Zangenarms zu kompensieren. 6c zeigt denselben Ablauf mit Software Equalizing. Im Vergleich zum mechanischen Ausgleich wird die Zange von der Kompensationsfunktion in Position gehalten. Die Durchbiegung der Zange wird während des Aufbaus der Schweißkraft exakt kompensiert, sodass das Blech praktisch nicht bewegt wird. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Verbiegung oder Beschädigung des Blechs ausgeschlossen und damit eine hohe Schweißqualität gewährleistet. Vorteile von Software Equalizing Das Software Equalizing von ABB Robotics ist, wie gezeigt, in der Lage, den mechanischen Zangenausgleich bei Servozangen zu ersetzen und eine wesentlich bessere Kompensation der Zangendurchbiegung zu bieten. Eine Funktion zur einfachen Korrektur von Ungenauigkeiten in der Programmierung ist ebenfalls verfügbar. Die Durchbiegung des festen Zangenarms und der Kappenverschleiß werden durch reine Softwarefunktionen ausgeglichen. Software Equalizing nutzt hierfür die interne Bewegungssteuerung, um die Position der Punktschweißzange über die sechs Achsen des Roboters anzupassen. Außer den bereits vorhandenen Funktionen der Robotersteuerung ist keine zusätzliche Antriebseinheit oder mechanische Ausrüstung erforderlich. Zu den Vorteilen des neuen Systems gehören: Keine mechanischen Teile, die verschleißen oder klemmen können. Dadurch sinkt z.b. die Gefahr des Haftenbleibens der Elektroden. Schnellere Einstellung und Abstimmung der mechanischen Funktionen Geringerer Wartungsaufwand und höhere Verfügbarkeit Einfachere, leichtere und somit günstigere Zangen Es wird keine Druckluft mehr für die Zange benötigt (einfacheres Schweißpaket, weniger Ausrüstung). Keine Auswirkung der Schwerkraft; das Verhalten ist unabhängig von der Lage der Zange. Größere Bedienerfreundlichkeit durch Unterstützung der Programmierung, automatischer Rückhub des festen Zangenarms, Überwachung des Kappenverschleißes usw. Teile des Funktionspaketes von Software Equalizing sind zum Patent angemeldet. Weitere Informationen über Software von ABB für Body-in-White-Anwendungen finden Sie unter 6 a Hochgeschwindigkeitsaufnahmen vom Schließen der Zange Bewegung der Zange zur Schweißposition b Kraftregelung ohne mechanischen Ausgleich c Kraftregelung mit Software Equalizing Lennart Sundstedt Åke Olofsson ABB Robotics Västerås, Schweden lennart.sundstedt@se.abb.com ake.olofsson@se.abb.com Christian Müller ABB Corporate Research Ladenburg, Deutschland christian.h.mueller@de.abb.com 51