Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPEntwicklung intelligenter Schweißroboter für Anwendungen im Schiffbau
Der Spezialschiffbau in Deutschland ist geprägt durch geringe Losgrößen und den Einsatz unterschiedlicher Materialien. Ein wesentlicher Arbeitsschritt im Rahmen des Schiffskörperbaus stellt das Schweißen dar. Hierzu werden zurzeit überwiegend starre Anlagenkonzepte mit Schweißrobotern eingesetzt bzw. erfolgt das Schweißen nach wie vor von Hand. Konventionelle Schweißroboteranwendungen sind dabei gekennzeichnet durch eine geringe Flexibilität. Hierzu trägt nicht zuletzt der überwiegend anzutreffende Einsatz von Offline-Roboterprogrammiersystemen bei, welcher sich bei geringen Losgrößen oft als unwirtschaftlich darstellt. Ziel des aktuellen Forschungsvorhabens ist es, durch den Einsatz von flexiblen Anlagenkonzepten in Verbindung mit 3D-Sensorik wirtschaftliche Automatisierungslösungen für Schweißanwendungen im Schiffbau zu entwickeln.
Problemstellung
Die Programmierung von Schweißrobotern im Schiffbau erfolgt heute überwiegend mit Offline-Roboterprogrammiersystemen (OLP). Aufgrund des damit verbundenen Programmieraufwands sind entsprechende Systeme bei Einsatz im Bereich geringer Losgrößen insbesondere für kleinere und mittlere Werften oft unwirtschaftlich. Darüber hinaus bieten die damit verbundenen Gesamtsysteme im Bereich der Produktion oft nur eine geringe Flexibilität z.B. in Bezug auf Arbeitsräume sowie Bauteilgrößen und Bauteilpositionen. Erste Lösungen unter Verwendung von Kameratechnologie bzw. 3D-Sensorik und damit verbundenen Bilderfassungsstrategien konnten im Bereich der Verarbeitung konventioneller Materialien (Schiffbaustahl) bereits eine Verlagerung der Roboterprogrammierung in die Produktion realisieren und damit die Flexibilität in der Produktion erhöhen. Dabei werden die gehefteten Strukturen vor dem Schweißen sensorisch erfasst und basierend auf den aktuellen Sensordaten Roboterprogramme zum Schweißen der Strukturen an ihrer aktuellen Bauteillage erzeugt. Durch den Einsatz dieser Technologie ist es weiterhin auch möglich, den Arbeitsaufwand bei der Programmierung gegenüber OLP-Systemen signifikant zu reduzieren. Allerdings sind aktuelle Systeme mit optischer Sensorik bisher nicht für Materialien mit hohem Reflexionsgrad (z.B. Aluminium / CrNi) geeignet und das Gesamtkonzept der Produktionsanlage bisher auch nicht auf die Anforderungen einer sensorbasierten Roboterprogrammierung abgestimmt.
Zielstellung und Lösungsweg
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Systems zur Programmierung von Schweißrobotern im Schiffbau, welches basierend 3D-Sensordaten der aktuellen Bauteile die zum Schweißen benötigten Roboterprogramme weitestgehend automatisch erzeugt. Durch Einsatz geeigneter Sensorik in Verbindung mit angepassten Scanstrategien soll eine möglichst lückenlose Erfassung der Geometriedaten unabhängig vom Reflexionsverhalten der Materialoberfläche erreicht werden, wodurch auch die notwendige Benutzerinteraktion zur Anpassung der Roboterprogramme auf ein Minimum reduziert werden können. Weiterhin sollen in das Programmiersystem Verfahren zur Optimierung der Schweißstrategie integriert werden, so dass auch im Dünnblechbereich durch den Schweißprozess auftretende Deformationen der Bauteilgeometrie minimiert werden können. Ein weiteres Ziel ist die Nutzung der im Gesamtsystem verwendeten optischen Sensoren zur Qualitätssicherung nach dem Schweißprozess.
Nutzen
Durch die Realisierung intelligenter, flexibler Schweißanlagen für den Schiffbau wird es insbesondere kleineren und mittleren Werften ermöglicht auf die Anforderungen des Spezialschiffbaus angepasste Automatisierungstechnologie wirtschaftlich einzusetzen und damit die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber der internationalen Konkurrenz sicherzustellen. Der Einsatz einer sensorbasierten Programmierung der Schweißroboter gewährleistet dabei geringe Betriebskosten entsprechender Anlagen selbst im Bereich der Unikatfertigung bei höchster Flexibilität im Bereich der Produktion.
