Roboterprogrammierung Vorrichtungsbau: CAD-gestützt und leicht gemacht

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In der Schweißwerkstatt geht immer dann wertvolle Zeit verloren, wenn Anwender spontan mit einem Testbauteil im Technikum erscheinen, ohne dass sich vorher über eine passende Vorrichtung für das Bauteil abgestimmt wurde. Erfahrungen zeigen zudem, dass dieses kein Sonderfall, sondern eher die Regel ist. Dabei könnte eine Lösung für den Vorrichtungsbau ganz einfach sein.

CAD-Daten eines Kundenbauteils lassen sich schon im Vorfeld und vor dem Schweißversuch einlesen, virtuell und dreidimensional im Arbeitsbereich einer Roboteranlage der Wahl positionieren. Per Mausklick lässt sich dann eine passende Vorrichtung erzeugen. Ein weiterer Mausklick und schon ist das komplette Roboterprogramm fertig zum Download, mit allen relevanten Schweißparametern, sowie sämtlichen Fahr- und Suchbefehlen. Effizient und komfortabel erzeugt am PC im Büro und vor dem Gang ins Schweißlabor. Dort wird das Bauteil nur noch eingespannt und der Roboter kann sofort loslegen. (Bild 1)

Roboterprogrammierung im Vorrichtungsbau

Moderne Industrieroboter bieten in der Regel mindestens eine Möglichkeit zur sogenannten Offline-Programmierung (OLP), so dass die Roboter unabhängig von der Anlage und ohne deren Stillstand programmiert werden können. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen Ansätze stark voneinander und reichen von textbasierten Ansätzen bis zu dreidimensionalen digitalen Zwillingen. Leider ist es bis dato aber nur in Ausnahmefällen und mit hohem Aufwand möglich, Programme, die mit Werkzeugen eines Herstellers erstellt wurden, auf Robotersysteme anderer Hersteller zu übertragen. Das stellt sich einer modernen Schweißwerkstatt als gravierendes Hindernis heraus, wenn verschiedene Hersteller von Robotern und Stromquellen für Schweißversuche herangezogen oder womöglich sogar produktiv eingesetzt werden sollen. 

Die universelle und CAD-gestützte Roboter-Offlineprogrammierung verfolgt einen Ansatz, der herstellerübergreifend und damit sowohl für Cobots also auch für Industrieroboter einsetzbar ist. Dabei werden die Roboterbewegungen und Programme zunächst in einer Hochsprache entwickelt und dann in den proprietären Steuerungssyntax der verschiedenen Hersteller übersetzt. Diese Vorgehensweise wird von allen führenden Roboterherstellern unterstützt und bietet sich an, wenn man verschiedene Hersteller in seinen Werkshallen im Einsatz hat oder sich einfach eine gewisse Flexibilität bei der Auswahl behalten möchte.

Einige Offlineprogrammierlösungen wie Fastsuite, K-Virtual oder OTC Advanced gehen noch einige Schritte weiter und stellen von Anfang an CAD-orientierte Funktionen zur Verfügung, um Spann- und Schweißvorrichtungen optimal aufzubauen und virtuell zu testen.

Spannelemente clever positionieren

Die vorausschauende Integration von Spannelementen ist eine dieser Funktionen. Sie beschleunigt die kollisionsfreie Programmierung von Roboterbahnen erheblich. Statt fixierte Spannelemente umständlich zu umfahren, wird dabei vorweg das Bauteil mit allen Roboterbewegungen, sowie Anfahrts- und Rückzugspositionen per Mausklick programmiert. Anschließend wird dann der, von Brenner und Roboterarm überstrichene Arbeitsraum als dreidimensionales Volumenmodell dargestellt, das sogenannte „Swept-Volume“. Es lässt sich in die hauseigenen Konstruktionsprogramme übernehmen – beispielsweise für die Positionierung von Trag- und Absaugvorrichtungen (Bild 2).

Man erhält zudem eine klare Übersicht, wie sich Roboter und Werkzeug im Arbeitsraum der Anlage bewegen und welche Bereiche gar nicht erst tangiert werden. Folgerichtig können an diesen Stellen Spannelemente ohne Kollisionsgefahr angebracht werden. Dies bewirkt eine schnelle, intuitive und unkomplizierte Platzierung von Spannelementen.

CAD-gestützter Vorrichtungsbau

Eine weitere nützliche Funktion ist der CAD-gestützte Vorrichtungsbau. Die Vorgehensweise ist ähnlich wie zuvor beschriebenen: Zunächst wird ein neues Bauteil virtuell im dreidimensionalen Raum platziert, um dann für sämtliche Bewegungsbahnen, Anfahrtswege und Zwischenbewegungen die passenden Automatismen zu nutzen. Eine simulationsgestützte Testphase sichert ab, dass sich sämtliche Positionen in der optimalen Konfiguration mit den richtigen Arbeitswinkeln erreichen lassen. Nach Negativprüfung auf Störkonturen, Kollisionen oder Singularitäten ist das Roboterprogramm praktisch schon einsatzbereit und kann direkt in die Anlage geladen werden. Die Tragvorrichtung dazu lässt die Software per Mausklick raus.

Durch diesen Ansatz lassen sich Position, Lage, Ausrichtung und Drehung des Bauteils zudem jederzeit am Computer variieren. Man kann so komfortabel optimieren und testen, ob bestimmte Punkte und Bewegungsbahnen günstiger zu erreichen wären. Sobald eine bessere Konfiguration gefunden ist, genügt wieder ein Mausklick und man hat einen neuen Vorrichtungsentwurf parat. In einem abschließenden Schritt entsteht daraus das finale zweidimensionale Schnittmuster der Tragstruktur in DXF- oder STEP-Dateiformat, das dann mit einer gängigen CNC-Schneidanlage geschnitten und anschließend montiert werden kann (Bild 3) 

Alle Schritte lassen sich vollständig und unabhängig von der realen Verfügbarkeit der Werkstücke oder Roboteranlagen durchführen. Man gewinnt Flexibilität und wertvolle Produktionszeit, da nicht erst darauf gewartet werden muss, bis die ersten Bauteile geliefert werden. Dank CAD sind es nur einige Mausklicks bis zur Vorrichtung und den finalen Roboterprogrammen. Die Nebenzeit einer Schweißanlage reduziert sich so auf das absolute Minimum (Bild 4).

Praxisbeispiel

Die SMG Sportplatzmaschinenbau GmbH aus Vöhringen (SMG) setzt auf ein modernes Schweißrobotersystem mit mehreren Arbeitsräumen. Während auf einer Seite geschweißt wird, kann auf der anderen bereits vorbereitet und aufgespannt werden. Mittels CAD-gestützten Vorrichtungsbau werden neue Schweißbauteile vorab virtuell im Arbeitsraum platziert und optimiert. So entstehen geeignete Vorrichtungen und passende Roboterprogramme. Folglich kann man binnen kurzer Zeit schneiden, montieren und schweißen. CAD-gestützte Bedienkonzepte helfen SMG dabei, sich neue Anwendergruppen und interessierte Nachwuchskräfte zu erschließen. Gleichzeitig begeistern sich aber auch erfahrene Schweißfacharbeiter für dieses Konzept, da sie sich so auf die wesentlichen Prozessschritte konzentrieren können. Wovon abermals die Nachwuchskräfte profitieren. SMG nutzt CAD-gestützte Offline-Programmierung, um dem Fachkräftemangel von zwei Seiten zu begegnen: indem man die Programmierung von Schweißanlagen effizienter macht und gleichzeitig die Einstieghürden senkt.

Der Autor, Leo Bartevyan, ist Senior Account Manager, Digital Factory Solutions, Cenit AG.