04. Dezember 2022 
 
24. Oktober 2022

Ergonomie und Wirtschaftlichkeit

Das Mehrlagenschweißen ist eine schwere körperliche und monotone Tätigkeit in der metallverarbeitenden Industrie. Im Forschungsprojekt INTAS wurde ein intuitiver Assistenzroboter entwickelt, der einfach programmiert werden kann und den Prozess des Mehrlagenschweißens automatisiert. Die vom Fraunhofer IFF entwickelte Technologie wurde zum Patent angemeldet und soll demnächst zum industrietauglichen Produkt weiterentwickelt werden.

Foto: Fraunhofer IFFFoto: Fraunhofer IFF
Eingabegerät zur Roboterprogrammierung
Schwere körperliche Arbeit und der demografische Wandel führen dazu, dass metallverarbeitende Unternehmen stark vom Fachkräftemangel betroffen sind. Das Mehrlagenschweißen an großen Stahlbauteilen muss oft unter schweren, unergonomischen Arbeitsbedingungen ausgeführt werden und verursacht in vielen Fällen Beschwerden und Erkrankungen des Muskel- und Skelettsystems bei den Schweißern.

Im Forschungsprojekt INTAS wurde nach Lösungen gesucht, um das Mehrlagenschweißen zu automatisieren, die Arbeitenden von schwerer körperlicher Arbeit zu entlasten und somit auch den Nachwuchssorgen der Metallindustrie entgegenzuwirken. Entwicklungsziel war, eine Automatisierungslösung zu entwickeln, deren Bedienung und Handhabung weitgehend intuitiv und ohne spezielle Programmierkenntnisse erlernbar sein sollte.

Die Lösung ist ein intuitives Eingabegerät zur Programmierung eines Schweißroboters in Kombination mit einem Verfahren zur Detektion und geometrischen Erfassung der Schweißfuge mit anschließender Optimierung der Roboterbahnen, welche auch bei anderen Tätigkeiten an Großbauteilen, z.B. zum Abdichten oder Inspizieren, einsetzbar ist. „Dieses System soll in unserem Betrieb dazu dienen, bisher manuell durchgeführte Schweißarbeiten an Großbauteilen unter den Aspekten der Ergonomie und Wirtschaftlichkeit zu verbessern“, erklärt Lothar Schulze, verantwortlicher Schweißingenieur und Projektleiter bei der A.T.A. Anlagentechnik Aschersleben. Das Unternehmen ist Forschungspartner des Fraunhofer IFF in dem von der Investitionsbank Sachsen-Anhalt gefördertem Projekt.

„Im Kern geht es um neue Methoden zur Planung, Ausführung und Überwachung des mehrlagigen Schweißens mit Industrierobotern. Dabei war uns wichtig, dass die Lösung auch von Personen ohne umfangreiche Programmierkenntnisse sicher angewendet werden kann“, erläutert Torsten Felsch, Projektleiter am Fraunhofer IFF.

Wesentliche Komponente des Schweißassistenten ist das vom Fraunhofer IFF entwickelte Eingabegerät, ein dem Schweißbrenner nachempfundenes Handgerät zur Programmierung von Robotern. Das Eingabegerät wird vom Anwender entlang der Schweißfuge der zu verbindenden Teile geführt. Dadurch werden die Anfangs- und Endpositionen der Schweißnaht definiert. Eine im Hintergrund laufende Simulation kontrolliert die Positionsdaten und stellt fest, ob der Roboter die Schweißpunkte problemlos erreichen kann. Manchmal sind die Schweißnähte an diesen großen Baugruppen nur mit Hilfe eines Podests oder einer Leiter erreichbar „Um das zu vermeiden, wurde im Eingabegerät zusätzlich ein Abstandssensor integriert, damit auch schwer erreichbare Schweißfugen ohne direkten Kontakt aus entsprechendem Abstand mit dem Eingabegerät erfasst werden können“, führt Torsten Felsch weiter aus.

Werden bei der Simulation keine Probleme erkannt, scannt der Roboter in einer Testfahrt entlang der programmierten Bahn die zu schweißende Fuge. Dabei wird die Roboterbahn geprüft und eventuelle Ungenauigkeiten korrigiert, die sich durch die manuelle Eingabe durch den Nutzer eingeschlichen haben könnten. Gleichzeitig wird die Geometrie der Fuge analysiert sowie Art und Größe der Schweißverbindung automatisch erkannt. Mit diesen Daten werden mit Hilfe der entwickelten Software die Parameter des Schweißprozesses automatisch geplant. Nach abschließender Bestätigung durch den Nutzer kann der automatisierte Schweißprozess gestartet werden.

Durch ständigen Abgleich der Schweißparameter mit der vorhandenen Datenbank wird diese fortlaufend erweitert und optimiert. Hier kommen u.a. Methoden des Maschinellen Lernens zum Einsatz. Bei nachfolgenden Schweißvorgängen kann das System bereits eingelernte Routinen zur Verwendung vorschlagen oder bei abweichender Nahtgeometrie neue Parameter hinterlegen. Dabei werden u.a. auch die Werkzeugorientierung und Brennerhaltung, stechend bzw. schleppend, berücksichtigt. „Mit dieser Technologie betreten wir Neuland und lösen bestehende Probleme des automatisierten Mehrlagenschweißens“, so Lothar Schulze.

Der Assistenzroboter wurde erfolgreich in Betrieb genommen und wird aktuell unter Industriebedingungen beim Projektpartner A.T.A getestet und optimiert. Der Einsatz des Systems ist dabei auch für andere Anwendungen wie z.B. dem Abdichten großer Betonfertigteilmodule adaptierbar. Für die wesentlichen Technologien des entwickelten Eingabegeräts wurden vom Fraunhofer IFF Schutzrechte beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldet. Eine Vermarktung ist im kommenden Jahr gemeinsam mit dem Projektpartner geplant.

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