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Roprof

Roboterschweißen von individuell gestalteten Stahlbauprofilen in kleinsten Stückzahlen

Problemstellung

Moderne öffentliche und in­dus­tri­el­le Gebäude wie Hallen oder Sportstadien wer­den in wesentlichen Teilen von kleinen und mittleren Stahlbauunternehmen realisiert. Auch hier hat die Automatisierung in der Fertigung längst Einzug gehalten, um Qua­li­tät und Wirtschaftlichkeit zu verbessern und die Existenz zu sichern. Dies trifft bislang nicht auf den wichtigen Bereich des Schweißens von Anbauteilen an Stahlträger zu. Hier findet zwar ein be­deu­ten­der Teil der Wertschöpfung statt, aber die Vielfalt verschiedener Bauteile in kleinsten Stückzahlen macht eine wirtschaftliche Automatisierung bislang unmöglich. Im Gegensatz dazu stehen ein starkes Bedürfnis zu automatisieren und ein hohes Nachfragepotential nach geeigneten Schweißroboteranlagen, die den speziellen An­for­der­ungen des Stahlbaus entsprechend gestaltet sind. Deshalb soll im Rah­men dieses Projektes eine Schweißroboteranlage realisiert wer­den, die das automatisierte Anschweißen von Profilbauteilen in allerkleinsten Stückzahlen ermöglicht. Damit sich die Anlagen wirtschaftlich in die Fertigung integrieren lassen, müssen sie flexibel, die Prozesszeiten kurz, die Zuverlässigkeit und Fertigungsqualität hoch und die Bedienung sehr einfach sein. Aktuell am Markt verfügbare Produkte wer­den diesen An­for­der­ungen nicht gerecht.

Roboterschweißen © IPS​/​TU Dort­mund
Roboterschweißen

Zielsetzung

Die Schlüsselkomponenten der Ent­wick­lung sind ein neuer, exakt den An­for­der­ungen der Stahlbauunternehmen ent­sprech­en­der mechanischer Aufbau des Robotersystems, eine automatische Roboterprogrammierung zum "Erlernen" neuer Schweißaufgaben in Sekundenschnelle und eine Sensorik, die dem Roboter das Erkennen und Kompensieren der im Stahlbau üblichen, großen Bauteilungenauigkeiten sicher ermöglicht. Angestrebte technische Funktionalität und Parameter sind die folgenden:

Zu schweißen sind unterschiedlichste Anbauteile an warm gewalzte oder geschweißte Stahlträger.

Die Baugruppen zeichnen sich in der Regel durch einen hohen Variantenreichtum in Form, Größe, Anzahl und Position der Anbauteile aus.

Es müssen kleine Stückzahlen bis hin zur Losgröße 1 gefertigt wer­den.

Die Anlagen müssen für einen hohen Durchsatz und Mehrschichtbetrieb geeignet sein.

Die Toleranzen im Stahlbau sind so groß, dass Maßabweichungen bei ei­nem au­to­ma­ti­sier­ten Schweißverfahren zu kompensieren sind.

Die Größe der Baugruppen überschreitet in der Regel den Arbeitsraum von Industrierobotern ohne Zusatzachsen.

Die Baugruppen müssen in ver­schie­de­ne Stellungen gedreht wer­den kön­nen, um die Zugänglichkeit der Schweißpositionen und eine prozessgerechte Nahtlage zu gewährleisten.

Die Bedienung der Anlagen muss durch ausgebildete Schweißer und auch durch Personal mit geringer Qualifikation mög­lich sein.

Die Programmierung der Anlage für ein neues Bauteil muss von diesem Personal innerhalb weniger Minuten durch­ge­führt wer­den kön­nen.

Um die schnelle und einfache Programmierung der Anlage gewährleisten zu kön­nen, muss die automatische Verarbeitung von CAD-Konstruktionsdaten der Bauteile mög­lich sein.

Vorgehensweise

Einsatzgebiet in der Pro­duk­tion:

In der Anlage kön­nen typische Baugruppen des Stahlbaus bestehend aus Profilen und Anbauteilen geschweißt wer­den. Das Heften der Komponenten erfolgt manuell, das Ausschweißen durch das Robotersystem. Mit dieser Aufteilung kann der zeitaufwendigste Arbeitsschritt automatisiert wer­den, wäh­rend Umfang und Risiken der Ent­wick­lung überschaubar bleiben.

Anlagenaufbau:

Das Anlagenlayout wird auf die speziellen An­for­der­ungen des Stahlbaus zugeschnitten. Die variable Größe der Baugruppen erfordert ein Robotersystem mit Zusatzachsen, das einen großen Arbeitsbereich abdecken kann. Für das Ausschweißen der Träger ist ein ge­eig­ne­ter Bauteilpositionierer zu entwickeln, um die Schweißpositionen für das Robotersystem zugänglich zu ma­chen und eine für den Schweißprozess günstige Werkstücklage zu gewährleisten.

Programmierung:

Die Programmierung der Anlage erfolgt vollautomatisch auf Basis von Daten einer CAD/CAM-Schnitt­stelle. Auf dem Markt sind aktuell keine Schnittstellen verfügbar, die sowohl die 3D-Geometrie der Baugruppe als auch die benötigten Schweißnahtinformationen übergeben kön­nen. Um dieses Problem zu überwinden, wurde vom Antragsteller Autocam bereits unter Einbeziehung führender CAD-Hersteller des Stahlbaus (bocad Software GmbH, Deutsch­land; Construsoft BV, Niederlande - Applikations­entwicklung für Tekla Corporation, Finnland) und des Deut­schen Stahlbauverbandes ein Kon­zept für eine geeignete Schnitt­stelle er­ar­bei­tet. Dabei stehen Marktakzeptanz und die Möglichkeit einer schnellen Einführung im Vordergrund. Deshalb soll für die Über­tra­gung der Geometrie der Baugruppenkomponenten auf den etablierten NC-Standard des Deut­schen Stahlbauverbandes zurückgegriffen wer­den. Die Zusammenbauinformationen der Baugruppe sowie Schweißnahtpositionen und Nahtmaße wer­den durch ein zusätzliches XML-Dokument übertragen. Die Planung sämtlicher Schweiß-, Transfer- und Messbewegungen des Roboters erfolgt vollautomatisch auf Basis der Schnittstellendaten. Der Anlagenbediener kann bei Bedarf sowohl die Schweißparameter als auch den Prozessablauf – Schweißfolge, -richtung, etc. – beeinflussen.

Fertigung:

Die automatisch erstellten Bearbeitungsprogramme kön­nen direkt auf der Roboter-steuerung ausgeführt wer­den. Die auf Basis des CAD-Modells be­stimm­ten Schweißnaht-positionen wer­den durch Vermessung des Bauteils korrigiert. Die Messbewegungen, die Ansteuerung der Sensorik und die Berechnung der korrigierten Bahnpositionen gehören zum Umfang der Bearbeitungsprogramme.

Forschungs- und Entwicklungspartner

Autocam In­for­ma­tions­tech­nik GmbH

Kaltenbach GmbH + Co. KG

Förderhinweis

Das ZIM-Vorhaben RoProf wird über die AiF im Rah­men des Pro­gramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deut­schen Bundestages ge­för­dert.

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Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dort­mund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dort­mund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dort­mund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Uni­ver­si­tät ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dort­mund Uni­ver­si­tät“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dort­mund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Uni­ver­si­tät mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dort­mund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dort­mun­der Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Uni­ver­si­tät. Ein größeres Angebot an inter­natio­nalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Ki­lo­me­ter entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Uni­ver­si­tät zu erreichen ist.

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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