Roboter-Schweißtechnik als integraler Bestandteil moderner Fertigungsketten mit vor- und nachgelagerter, automatisierter Qualitätsprüfung

Transkript

1 Roboter-Schweißtechnik als integraler Bestandteil moderner Fertigungsketten mit vor- und nachgelagerter, automatisierter Qualitätsprüfung Jan Pitzer* und Christian Paul (Cloos Schweißtechnik), Markus Wege (Cloos Innovation) In dem vorliegende Artikel werden die Möglichkeiten und Anforderungen der Integration flexibler Robotertechnik in moderne Fertigungsketten beschrieben. Zunächst wird der Begriff der Qualität vorgestellt und die Anforderungen der anwendenden Industrie definiert. In diesem Zusammenhang wird insbesondere die wirtschaftliche Bedeutung von Qualität in der Fertigung herausgestellt. Die Integration von Qualitätskontrollmodulen wird anhand einer klassischen Linienfertigungsanlage in die drei Abschnitte vor der Produktion, während der Produktion und nach der Produktion eingeteilt. Die jeweilige Auswertung von Qualitätskontrollkomponenten und der Umgang mit Signalen sind ein kritischer Aspekt für eine automatisierte Anlage, weswegen deren Integration ein besonderes Leistungsmerkmal für automatisierte Roboterschweißanlagen darstellt. Abschließend werden Beispiele für integrierte Roboter- und Qualitätsprüfungssysteme in modernen Fertigungsanlagen vorgestellt. 1 Einleitung Um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können haben Unternehmen aus strategischer Sicht zwei Möglichkeiten, sich am Markt zu positionieren. Auf der einen Seite als Kostenführer, was bedeutet, dass ein Produkt zum günstigen Preis am Markt angeboten werden kann. Auf der anderen Seite als Qualitätsführer, was bedeutet, dass sich ein Produkt durch individuelle Qualitätsvorteile von vergleichbaren Produkten abhebt. Gemäß Definition kann es stets nur einen einzigen Kostenführer geben nämlich den, der für das gleiche Produkt den günstigen Preis anbieten kann. Dagegen können verschiedene Qualitätsführer parallel auftreten, die ihre Führerschaft auf unterschiedliche Qualitätsargumente beanspruchen. Aus diesem Grund gewinnt die Qualitätssicherung aus strategischer Sicht immer mehr an Bedeutung. Darüber hinaus wirkt sich eine hochwertige Qualität in der Produktion unmittelbar auf die Kostenstruktur eines Unternehmens aus. Insbesondere bei komplexen Bauteilen ist es günstiger, Qualitätsmängel während der Produktion durch aufwendigere Anlagentechnik zu vermeiden, als ungenügende Bauteile am Ende der Produktion als Ausschuss auszuwerfen. Es ist leichter, ein kleines Problem zu lösen, als ein großes. Ein hoher Grad der Mechanisierung, bis hin zur Automatisierung, bietet unter anderem den Vorteil, dass das Bedienpersonal nicht mehr unmittelbar im Bereich des Produktionsprozesses arbeiten muss, was eine deutliche Reduzierung der persönlichen Belastung zum Beispiel durch Schweißrauche oder Lichtbogenstrahlung mit sich bringt. Damit geht jedoch oft einher, dass auftretende Qualitätsmängel während der Produktion unbemerkt bleiben. Die Kontrolle erfolgt oft nur am Ende des Produktionsprozesses oder nur stichprobenartig. Die Notwendigkeit von Qualitätskontrolle wird neben den allgemeinen Anforderungen in der DIN EN ISO 9000ff, in der Schweißtechnik insbesondere durch die EN 1090 herausgestellt, in der die werkseigene Produktionskontrolle als verpflichtende Voraussetzung für eine Zertifizierung obligatorisch ist. Wenn also die laufende Qualitätskontrolle an Bedeutung gewinnt, gleichzeitig die unmittelbare Kontrolle durch die Beurteilung erfahrener Mitarbeiter zurückgeht, müssen die Produktionsanlagen selbst in der Lage sein, gewisse Aufgaben der Qualitätskontrolle zu übernehmen. Zu diesem Zweck müssen Komponenten in die Fertigungsprozesse integriert werden, die Unregelmäßigkeiten erkennen, beurteilen und bei Bedarf geeignete Maßnahmen ergreifen können. Dies erfordert eine ganzheitliche Betrachtung des Produktionsprozesses durch die Brille des Qualitätssicherers. Aus diesem Grunde wird im Folgenden auf Qualitätssicherung vor der Produktion, während der Produktion und Qualitätssicherung nach der Produktion eingegangen, wobei der Schwerpunkt im mittleren Teil des Produktionsprozesses gesetzt wird (Abb. 1). Vortrag DVS Seite 1 von

2 Abb. 1: Qualitässicherung durch Kontrolle und Prüfung vor, während und nach der Produktion. 2 Qualität was ist das eigentlich? Bevor ein Unternehmer sich mit der Qualitätskontrolle befassen kann, muss festgelegt werden, was Qualität ist und nach welchen Kriterien sie beurteilt wird. In vielen Fällen ist es praktischer, nach einfachen, nominalen Kriterien zu beurteilen und lediglich nach gut beziehungsweise nicht gut zu beurteilen, statt eine aufwendigere skalare Ordnung zu ermitteln. Bei der Frage Was ist eigentlich Qualität? findet man in der Literatur schnell Definitionen wie Grad der Erfüllung einer Anforderung oder Erfüllung von Kriterien. Allerdings reichen diese einfachen Definitionen insbesondere bei komplexen Anforderungen oft nicht aus, so dass häufig ein Abwägen zwischen verschiedenen Alternativen berücksichtigt werden muss. Neben dem geforderten oder gewünschten Qualitätsanspruch spielen hier Parameter wie die grundsätzliche Umsetzbarkeit, die Integration in eine bestehende Anlage, der einzusetzende Aufwand und nicht zuletzt der Preis, diese Qualität zu erzielen, eine nicht unerhebliche Rolle. Für den Anwender ist schlussendlich in erster Linie von Bedeutung, dass er das Bauteil, das seine automatische Fertigungsanlage am Ende verlässt, für den Zweck einsetzen kann, für den es gefertigt wurde und für die Dauer des Zeitraums verwenden kann, den er für das Bauteil vorgesehen hat. 3 Qualitätssicherung vor der Produktion Die ganzheitliche Betrachtung der Qualitätssicherung beginnt im Grunde bereits vor der Produktion. Hier muss sichergestellt werden, dass die richtigen Teile zur richtigen Zeit am richtigen Ort vorhanden sind. Bei automaitisierten Zuführeinrichtungen, aus vollautomatischen Vorratsbehältern oder manuell zu bestückenden Magazinen, werden neben taktilen Sensoren, die nur das Vorhandensein und die Lage des Bauteils kontrollieren können, immer häufiger Laserscanner oder Bildauswertungssysteme zum Einsatz. Die Systeme können nicht nur die Aufgaben von taktilen Sensoren übernehmen, sondern darüber hinausgehende Funktionen erfüllen. Die Bauteile können vermessen werden oder mit Datensätzen der Fertigung verknüpft werden. Bei der Vermessung können Bauteile, die die zulässigen Toleranzen überschreiten, bereits vor der eigentlichen Produktion aussortiert werden oder es können Abmessungen, wie z.b. Spaltmaße und Toleranzabweichungen, dazu genutzt werden, der Produktionsanlage wichtige Informationen zur Parametrierung oder Programmkorrektur zur Verfügung zu stellen. Mit Markierungen und Verknüpfungen zu Datensätzen werden Bauteile erfasst und über den Produktionsweg bis hin zum Kunden verfolgt. Hierfür können beispielsweise unterschiedliche Barcodes genutzt werden, die auf die Bauteile aufgebracht werden. Diese Strichoder QR-Codes enthalten neben einer Identifikationsnummer vielfältige Informationen, wie zum Beispiel Zulieferer-Kennung, Produktionsanlagen-Kennung, Produktionsdatum und - charge, Bauteilinformationen wie Material, Gewicht und dergleichen oder auch eine Endkunden-Kennung. So kann das Bauteil über den Produktionsprozess hinweg verfolgt und beobachtet werden. Im Zuge einer Kundeneinzelfertigung kann somit zu einem sehr frühen Zeitpunkt festgelegt werden, welches Bauteil bei welchem Endkunden eingesetzt wird, was die Kalkulation einer lean production erleichtert. In Bezug auf den Produktionsprozess selbst können in diesem Code auch Informationen für eine automatische Programmanwahl der Roboteranlage hinterlegt sein, sodass Fehler durch falsche Ablauf- oder Schweißprogramme vermieden werden können. Hierbei wird der Bauteil-Code beim Einlaufen des Bauteils in die Anlage gescannt und in die Roboteranlage gemeldet, die wiederum dafür sorgt, dass das richtige Ablaufprogramm gestartet wird. Vortrag DVS Seite 2 von

3 4 Qualitätssicherung während der Produktion Der Vorteil von prä-produktiver Qualitätskontrolle liegt darin, dass mangelhafte Bauteile aussortiert werden können, bevor an ihnen zusätzlicher Mehrwert geschaffen wurde und dadurch weitere Kosten entstehen. Dies ist bei Mängeln, die während der Produktion auftreten nur noch bedingt möglich und bedeutet stets einen höheren finanziellen Verlust, als vor der Produktion. Dennoch gewinnt die Qualitätssicherung während der laufenden Produktion weiter an Bedeutung, nicht zuletzt um die erforderliche Qualität zu gewährleisten, sondern auch insbesondere in der Schweißtechnik um die physikalischen Prozesse z. B. beim Tropfenübergang besser verstehen zu können. über die emmitierte Prozessstrahlung die Lichtbogenstabilität und somit die Qualität des Lichtbogens überprüft werden. Bei reinen Lichtbogen-Schweißprozessen, ohne Laserstrahl im Prozess, übernimmt die Aufgabe der Fugenverfolgung entweder der Lichtbogen selbst oder ein zusätzlich montierter Laserstrahlsensor. Mit Online-Laser-Sensoren können weitere Kriterien für eine zulässige Naht überprüft werden (Abb. 3). Mit Hilfe von Kamerasystemen und speziell angesteuerten Belichtungssystemen sind Anwender in der Lage, während des Schweißprozesses in den Lichtbogen zu sehen und die Vorgänge zu analysieren. Mit hochauflösender Highspeed-Technik können im Nachhinein weitere Untersuchungen zur Optimierung angestellt werden. (Abb. 2). Abb. 2: Blick in die Schmelze eine Laserstrahl-MSG- Hybrid-Prozesses, um die Fuge zu verfolgen und die Prozessstabilität zu analysieren. Mit Hilfe intelligenter Bildverarbeitungsprozesse und abgestimmter Beleuchtungstechnik kann die Position des Keyholes relativ zur Fuge ermittelt werden, was in Fugenfolgealgorithmen zur online-nahtverfolgung ohne zusätzlichen Sensor genutzt werden kann. Eine präzise Fugenverfolgung ist insbesondere bei Laserschweißverfahren erforderlich, um eine sichere Erfassung beider Bauteilkanten zu gewährleisten und um Bindefehler oder Randkerben zu vermeiden. Darüber hinaus können Abb. 3: vorlaufende Online-Laser-Sensoren verfolgen und vermessen die Fuge, um Prozessparameter an sich ändernde Verhältnisse anzupassen. Ein vorlaufender Lasersensor sorgt nicht nur dafür, dass der Lichtbogen in der Fuge geführt wird und Fertigungstoleranzen sowie Verzug ausgleicht, er kann ebenfalls dazu eingesetzt werden, die Schweißfuge während des Schweißens zu vermessen und die sich ändernde Nahtgeometrie zu erkennen. Mit Hilfe dieser Information können die Schweißparameter an die sich ändernde Fugengeometrie und insbesondere das zu füllende Volumen angepasst bzw. adaptiert werden. Vortrag DVS Seite 3 von

4 Zieht sich eine Fuge im Laufe einer Schweißung zusammen, erkennt dies der Sensor und lässt die einstellbaren Parameter der Stromquelle (z.b. Strom oder Drahtvorschub) oder der Robotersteuerung (z.b. die Pendeleigenschaften) auf die geänderten Umstände anpassen. Dadurch kann zum Beispiel eine unzulässige Nahtüberhöhung oder ein Unterlaufen des Lichtbogens durch eine zu große Schmelze vermieden werden. Neben den Vorgängen direkt am Prozess, bieten auch die Prozessparameter Möglichkeiten, die Qualität der Naht während dem Prozess zu beurteilen. Mit der Schweißdatenüberwachung werden Parameter wie die Schweißstromstärke, die Spannung, die Drahtvorschubgeschwindigkeit und seine Motorströme oder die Gasdurchflussmenge aufgezeichnet. In der Stromquelle werden Warn- und Grenzbereiche für die jeweiligen Werte hinterlegt und Maßnahmen definiert, wenn die entsprechenden Grenzen überschritten werden. Mit passender Data-Management-Software können die Verläufe visualisiert, ausgewertet und archiviert werden (Abb. 4). 5 Qualitätssicherung nach der Produktion Für die Betrachtung der Qualitätssicherung nach der Produktion kommen grundsätzlich zwei Zeitpunkte in Frage. Auf der einen Seite könnte ein Kontrollpunkt am Ende des gesamten Fertigungsprozesses angesiedelt werden und somit nur das komplette Bauteil auf Funktionsfähigkeit und Qualität geprüft werden. Im Zuge einer integrierten Qualitätskontrolle sind jedoch Kontrollpunkte nach wesentlichen Fertigungsschritten innerhalb des Gesamtprozesses von größerem Interesse. Einen solchen wesentlichen Fertigungsschritt stellt bei Roboterschweißanlagen immer der Schweißprozess dar. Bei automatisierten Anlagen ist gemäß Definition festgelegt, dass Zuführung und Abtransport der Bauteile mechanisch oder automatisch erfolgen. Diese Schnittstellen bieten sich zur automatischen Qualitätskontrolle an. Die wesentlichen Qualitätsmerkmale einer Schweißverbindung sind neben offensichtlichen optischen Unzulänglichkeiten mit Sicherheit die Schweißnahtunregelmäßigkeiten gemäß der DIN EN 5817, Mängel aufgrund unzulässigen Verzuges, unzulässige Härteüberschreitungen oder sonstige unzulässige Überschreitungen mechanischer Eigenschaften. Wenn man die integrierte, automatische Qualitätskontrolle zur 100%-Kontrolle in den Prozess einbinden möchte, kommen zerstörende Prüfverfahren für die weitere Betrachtung nicht in Frage und können nur für stichprobenartige Prüfungen hinzugezogen werden. Abb. 4: Mit Schweißdata-Software können die zeitlichen Verläufe unterschiedlicher Parameter am PC verfolgt und dokumentiert bzw. archiviert werden. Jedoch: auch wenn hier alle Parameter innerhalb der Grenzen geblieben sind sowie weitere Kontrollen während der Produktion keine Auffälligkeiten gezeigt haben, bleibt eine Qualitätskontrolle nach der Produktion in vielen Fällen erforderlich jedenfalls zurzeit. Zur Kontrolle einer fertigen Schweißverbindung bieten sich zunächst Laserscanner an, die die Nahtoberfläche scannen und diese mit Templates vergleichen. Sie können äußere Fehler, Nähte mit zu großer Nahtüberhöhung oder unzulässigen Einbrandkerben erkennen und die Bauteile für weiterführende Maßnahmen entsprechend aussortieren. Dies beinhaltet auch die Prüfung auf unzulässigen Verzug, sodass Bauteile, die äußere Maßtoleranzen überschreiten, dem weiteren Fertigungsprozess entzogen werden. Neben diesen offensichtlichen, äußeren Mängeln können mit Hilfe von Ultra-Schall- Sensoren auch innenliegende Unregelmäßigkeiten wie Poren, Wurzelfehler oder unzureichende Durchschweißungen identifiziert werden. Hierzu wird ein Ultraschall-Prüfkopf durch einen Roboter in geeigneter Weise neben der Vortrag DVS Seite 4 von

5 fertigen Schweißnaht entlang geführt (Abb. 5) und die Messung wiederum mit zuvor definierten Templates verglichen. Die vorgestellten Qualitätskontroll- und somit -sicherungssteme für sich betrachtet kommen in der Schweißtechnik seit Jahren zum Einsatz. Im Zuge des Voranschreitens der Automatisierung wurden viele der zunächst manuell eingesetzten Systeme zur automatisierten Nutzung weiterentwickelt und tragen seit dem zur Steigerung der Qualität und somit der Wirtschaftlichkeit der Produktion bei. Dennoch müssen auch die Roboteranlagen, die mit derartigen Komponenten ausgerüstet sind, gewissen Anforderungen gerecht werden. Neben den erforderlichen Schnittstellen zur Weiterverarbeitung der in den Einzelsystemen erzeugten Signale, also hier eher die Vernetzung der Komponenten, müssen die mechanischen Eigenschaften der kompletten Anlage in der Lage sein, die erforderlichen Bewegungen in hinreichender Genauigkeit auszuführen. Für die Robotermechanik bedeutet das zum Beispiel dass sie die Signale der Fugenverfolgungssysteme zeitnah in programmierte Schweißbahn integriert und somit Veränderungen der Bahn ermöglicht. Die Daten aus der Fugenvermessung müssen den eingestellten Parametern überlagert werden. Die vorgegebenen Taktzeiten dürfen nicht verändert werden, wenn ein Bauteil aus Qualitätsgründen aus dem Prozess entfernt werden muss. Für die Führung von Lasersensoren oder insbesondere dem Ultraschall-Prüfkopf muss die Robotermechanik ausreichend genau und ruckarm über die oft raue Oberfläche neben einer Schweißnaht geführt werden. 8 Anwendungsbeispiele automatisierter, flexibler Fertigungsketten Abb. 5: Prototyp eines am Roboter montierten Ultraschall-Prüfkopfes zur Prüfung eines I-Stoßes in PC- Position. Bei unzulässigen Werten der Unregelmäßigkeiten würde die Stelle der Unregelmäßigkeit am Bauteil markiert oder das Bauteil gegebenenfalls aussortiert. Darüber hinaus sind weitere Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle denkbar, wie das Auftragen von Farbmitteln zur Farbeeindringprüfung und die anschließende Auswertung der Farbverhältnisse über optische Systeme. 7 Anforderungen an automatisierte Roboterschweißanlagen Die soeben vorgestellten Kontroll- und Diagnosesysteme sind jede für sich in vielen Anlagen verbreitet. Lichtbogen- und Lasersensoren zur Fugenverfolgung sind ebenso Standard, wie Schweißdatenüberwachung oder manuelle Ultraschallprüfung. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) geförderten Kooperationsprojekt Qualitätsgerechte 3D Laser-Schweißbearbeitung innovativer Schiffskonstruktionen (QuInLas) wurde erstmals ein durchgängiges Qualitätsüberwachungskonzept realisiert. Das Konsortium aus Universitäten, Forschungsinstituten, Zertifizierungs-Gesellschaften, Ministerien und Industriepartnern hat einen Bauteildemonstrator entwickelt, der sowohl eine vollautomatische vor- und während- und nach gelagerte Qualitätsüberwachung kombiniert (Abb. 6). Abb. 6: 3D-Layout der Demonstrator-Roboteranlage, die im Kooperationsprojekt QuInLas entwickelt wurde. Die drei Portal-Brücken tragen einen vorgelagerten Laser-Remote-Kopf (rechts), einen Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißkopf mit integrierter Prozessbeobachtung (mitte) und einen nach gelagerten Prüfkopf mit Laser-Scanner und Ultraschall- Prüfkopf (links) Vortrag DVS Seite 5 von

6 Die Integration verschiedener Qualitätssicherungswerkzeuge, die dem Prozess zeitlich als Pre-Prozess-Analyse vorgelagert sind, zeitgleich zum Prozess als In- und als Post- Prozess-Analyse dem Prozess nachgelagert sind, ermöglichen Aussagen über die Bauteilqualität. Auf Grundlage dieser anlagentechnischen Komponenten und in Verbindung mit dem theoretischen Wissen über den Prozess und der Bedeutung der einzelnen Parameter können so neuartige Schiffbaukonstruktionen entwickelt und produziert werden, dessen grundlegende Prinzipien auf andere Industrien wie z. B. dem Schienenfahrzeugbau übertragen werden können. 9 Zusammenfassung Qualität ist, wenn der Kunde zurückkommt und nicht das Produkt. Deswegen müssen sich diejenigen Unternehmen, die ihre Marktposition nicht durch Discounterpreise begründen können, stets auf die Qualität ihrer Produkte verlassen können. Um dies sicherzustellen, ist es erforderlich, Mängel möglichst früh zu erkennen und erforderliche Gegenmaßnahmen rechtzeitig einzusteuern. Je dichter die Qualitätsprüfung am Produktionszeitpunkt angesiedelt ist, desto früher kann Ausschuss erkannt und desto geringer können die entsprechenden Kosten ausfallen. Eine durchgehende Qualitätssicherung sollte also aus vorgelagerter, integrierter und nachgelagerter Qualitätskontrolle bestehen. Im Beitrag wurden verschiedene Möglichkeiten und Komponenten vorgestellt und dargestellt, wie und an welcher Stelle sie in die laufende Produktion einbezogen werden können. Dabei wurden sowohl altbewährte Systeme als auch Ergebnisse aus neuesten Forschungsprojekten zur Veranschaulichung herangezogen. Es wurden Systeme, die Informationen aus dem Bauteil selbst ziehen vorgestellt und Methoden, die auf die Fertigungsparameter zugreifen aufgezeigt. Aus den zahlreichen Anwendungsbeispielen im Felde wurde das aktuelle Forschungsprojekt Qualitätsgerechte 3D Laser- Schweißbearbeitung innovativer Schiffskonstruktionen (QuInLas) als Praxisbeispiel herangezogen, welches eine durchgängige Qualitätsprüfung während eines Laserstrahl-MSG- Hybird-Prozesses sicherstellen soll. Vortrag DVS Seite 6 von