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Das Merkblatt „DVS 0922-2 Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen – Steuerungs- und Programmierfunktionen“ richtet sich insbesondere an die Schweißaufsicht, die im Umfeld automatisierter Fertigungssysteme Verantwortung für die prozesssichere Umsetzung von Schweißaufgaben trägt. Es vermittelt ein grundlegendes Verständnis der Steuerungs- und Programmierfunktionen von Industrierobotersystemen beim Schutzgasschweißen und schafft damit eine wichtige Schnittstelle zwischen schweißtechnischer Fachverantwortung und roboterbasierter Fertigung.
Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.
Inhaltsverzeichnis
Geltungsbereich: Steuerung und Programmierung für Industrieroboter beim Schutzgasschweißen
Die im Merkblatt enthaltenen Begriffsbestimmungen und erläuternden Hinweise beziehen sich auf die Programmierung sowie Steuerung von Industrierobotern für das Schutzgasschweißen (nachfolgend „Roboter“). Die dargestellten Inhalte sind dabei nicht ausschließlich auf dieses Verfahren beschränkt, sondern können in geeigneter Weise auch auf andere schweißtechnische Prozesse übertragen werden.
Tipp der Redaktion: Lesen Sie auch den Beitrag „Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen“.
Zweck: Begriffsvereinheitlichung und funktionale Erläuterung von Robotersteuerungen im Schweißprozess
Das Merkblatt verfolgt das Ziel, die wesentlichen Funktionen bei der Programmierung und Steuerung von Industrierobotern im Schweißbereich systematisch darzustellen und nachvollziehbar zu erläutern. Dadurch soll sowohl Anwendern als auch Herstellern eine einheitliche und konsistente Verwendung der technischen Begriffe ermöglicht werden, um eine eindeutige Kommunikation sowie eine vergleichbare technische Bewertung von Robotersystemen sicherzustellen.
Programmierung von Industrierobotern im Schutzgasschweißen: Aufbau, Struktur und Programmierarten
Die Programmierung dient der Erstellung eines strukturierten Programms, das die Bewegungsabläufe sowie die technologischen Funktionen eines Industrieroboters festlegt. Ein solches Programm beginnt grundsätzlich mit einem definierten Programmanfang, der in der Regel durch die Ausgangs- bzw. Startposition des Roboters bestimmt ist, und endet mit einem entsprechenden Programmendbefehl.
Zwischen diesen beiden Punkten werden die eigentlichen Ablaufanweisungen abgebildet. Dazu gehören insbesondere
- Positions- und Orientierungsbefehle zur Definition der Roboterbewegung im Raum,
- strukturierende Elemente wie Verweise auf Unterprogramme sowie
- Steuerbefehle zum gezielten Ein- und Ausschalten von Peripheriegeräten, z.B. von Schweißstromquellen oder Drahtvorschubsystemen.
Grundsätzlich wird bei der Programmerstellung zwischen der Online-Programmierung (direkt) und der Offline-Programmierung (indirekt) unterschieden, wobei in der Praxis auch Mischformen beider Ansätze vorkommen.
- Bei der Online-Programmierung erfolgt die Erstellung des Programms direkt an der Robotersteuerung. Während dieses Vorgangs steht der Roboter nicht für den produktiven Einsatz zur Verfügung.
- Bei der Offline-Programmierung wird das Programm außerhalb der Anlage mithilfe spezieller Software auf einem separaten Rechner erstellt und anschließend auf die Robotersteuerung übertragen.
Online-Programmierung von Industrierobotern: Direkte Programmerstellung an der Robotersteuerung
Die Online-Programmierung (direkte Programmierung) bezeichnet die direkte Erstellung von Roboterprogrammen an der Steuerung des Industrieroboters. Innerhalb dieses Programmieransatzes werden drei unterschiedliche Programmierarten unterschieden:
- Playback-Programmierung
- Teach-in-Programmierung
- Sensorunterstützte Programmierung
Offline-Programmierung von Industrierobotern: Indirekte Programmerstellung außerhalb der Anlage und Simulation von Bewegungsabläufen
Die Offline-Programmierung (indirekte Programmierung) erfolgt nicht unmittelbar an der Robotersteuerung, sondern mithilfe spezieller Programmier- und Simulationssoftware auf einem separaten Rechner. Innerhalb dieser Umgebung werden die erforderlichen Raumpunkte in einem dreidimensionalen Koordinatensystem (X-, Y- und Z-Achse) definiert und mit den entsprechenden Werkzeug- bzw. Brennerorientierungen verknüpft.
Der gesamte Programmablauf wird anschließend in einer geeigneten Programmiersprache strukturiert und logisch aufgebaut. Auf dieser Grundlage entsteht ein vollständiges Roboterprogramm, das unabhängig von der laufenden Produktion erstellt werden kann und anschließend an die Robotersteuerung übertragen wird.
Vor der produktiven Ausführung im realen System ist das Programm grundsätzlich zu validieren. Insbesondere bei offline erstellten Programmen ist ein Testlauf mit reduzierter Geschwindigkeit erforderlich, um Kollisionen, Fehlbewegungen oder prozessbedingte Abweichungen frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden.
Im Rahmen der Offline-Programmierung werden verschiedene Programmiervarianten unterschieden, die sich insbesondere hinsichtlich ihres Automatisierungsgrads, der Simulationsgenauigkeit sowie der Integration realer Prozessdaten unterscheiden:
- Alphanumerische Offline-Programmierung von Industrierobotern: Textbasierte Definition von Bewegungsdaten und Prozessabläufen
- Makroprogrammierung von Industrierobotern: Aufgabenorientierte Programmstrukturierung durch vordefinierte Funktionsblöcke
- Grafische Offline-Programmierung auf Basis von CAD-Daten: Digitale Bahnplanung und Systemkalibrierung im Schweißprozess
Tipp der Redaktion: Fachbuch „Schweißnahtnachbehandlung“
- Nachbehandlungsverfahren von Schweißnähten
- Beispiele für Ermüdungsschäden
- Grundlagen der Ermüdungsfestigkeit
- Methoden zur Verbesserung der Nahtgeometrie und Veränderung des Spannungsprofils
- Pneumatic Impact Treatment (PIT)
- Einzug der HFMI-Technologie in nationale und internationale Regelwerke
- Vorteile der höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH, HFMI)
Steuerungsarten von Industrierobotern im Schweißprozess: Grundlagen und Einordnung
Die Wahl der geeigneten Steuerungsart ist von zentraler Bedeutung für die Qualität, Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit beim robotergestützten Schweißen. Sie bestimmt maßgeblich, wie Bewegungen im Raum ausgeführt, Geschwindigkeiten gesteuert und Schweißbahnen eingehalten werden. Abhängig von den Anforderungen an die Bahnführung und die Genauigkeit der Schweißnaht kommen unterschiedliche Steuerungskonzepte zum Einsatz, die sich insbesondere in der Art der Bewegungsdefinition und -ausführung unterscheiden.
Im Folgenden werden die wesentlichen Steuerungsarten dargestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für schweißtechnische Anwendungen eingeordnet.
Punkt-zu-Punkt-Steuerung (PTP): Einsatzgrenzen und Möglichkeiten im Roboterschweißen
Die Punkt-zu-Punkt-Steuerung (PTP, „point to point“) beschreibt eine Steuerungsart, bei der ausschließlich die Zielpositionen einzelner Raumpunkte vorgegeben werden, ohne dass die dazwischenliegende Bewegungsbahn des Tool Center Points (TCP) exakt definiert ist. Aus diesem Grund ist die PTP-Steuerung für das kontinuierliche Bahnschweißen im Regelfall nicht geeignet, da weder eine reproduzierbare Bahnführung noch eine konstante Geschwindigkeit der Brennerspitze sichergestellt werden kann. Zudem erfolgt die Vorgabe der Geschwindigkeit achsbezogen und nicht entlang der tatsächlichen Werkzeugbahn.
In der Praxis wird die PTP-Steuerung daher überwiegend für Nebenbewegungen eingesetzt, wie etwa Zustell-, Rückzugs- oder Versetzbewegungen zwischen einzelnen Schweißabschnitten.
Eine erweiterte Form stellt die synchrone PTP-Steuerung dar, bei der alle Roboterachsen ihre Zielposition zeitgleich erreichen. Durch diese Synchronisation kann die Bewegungskoordination verbessert werden. In Verbindung mit einer dichten Abfolge von programmierten Raumpunkten und entsprechender Zeitzuordnung lässt sich die PTP-Steuerung in eingeschränktem Umfang auch für einfache Bahnschweißaufgaben nutzen. Dabei gilt: Je kleiner die Abstände zwischen den definierten Punkten sind, desto genauer folgt der Roboter der gewünschten Bahn.
Bahnsteuerung (CP – Continuous Path): Präzise Bahnführung und konstante Prozessgeschwindigkeit im Roboterschweißen
Bei der Bahnsteuerung werden die Bewegungen der einzelnen Roboterachsen so koordiniert, dass der Tool Center Point (TCP) einer vorgegebenen Bahn im Raum kontinuierlich folgt. Dabei wird sichergestellt, dass die Bewegung zwischen definierten Raumpunkten mit konstanter Geschwindigkeit und unter Einhaltung einer vorgegebenen Brennerorientierung erfolgt. Diese Steuerungsart ist insbesondere für das Schweißen von durchgehenden Nähten von zentraler Bedeutung, da sie eine gleichmäßige Nahtqualität ermöglicht.
Der Programmieraufwand ist vergleichsweise gering, weil für lineare Bewegungen lediglich ein Start- und ein Endpunkt definiert werden müssen (Linearinterpolation). Für nichtlineare Bahnverläufe, etwa Kreis- oder Bogensegmente, sind mindestens drei Punkte erforderlich: ein Anfangspunkt, ein Zwischenpunkt auf der Bahn sowie ein Endpunkt. Grundsätzlich gilt, dass mit zunehmender Anzahl definierter Raumpunkte die Genauigkeit der Bahnabbildung weiter verbessert werden kann.
Die Vorgabe der Bewegungsgeschwindigkeit erfolgt üblicherweise in praxisüblichen Einheiten wie cm/min oder m/min. Die Umsetzung dieser Vorgaben erfolgt innerhalb der Robotersteuerung durch eine kontinuierliche Abstimmung und Verrechnung der einzelnen Achsbewegungen, sodass der TCP die gewünschte Bahn mit gleichbleibender Geschwindigkeit durchläuft.
Bahnsteuerung mit Hilfsachsen: Erweiterte Bewegungskoordination und optimierte Zugänglichkeit im Roboterschweißen
Der Einsatz von Hilfsachsen in Kombination mit dem Industrieroboter dient der Verbesserung der Zugänglichkeit und Erreichbarkeit von Schweißpositionen im Arbeitsraum. Durch zusätzliche Bewegungsmöglichkeiten, etwa über Dreh- oder Lineareinheiten, können auch komplexe Werkstückgeometrien prozessgerecht bearbeitet werden.
Die Hilfsachsen werden bereits bei der Programmerstellung berücksichtigt und in den Gesamtbewegungsablauf integriert. Abhängig von ihrer Bauart führen sie entweder translatorische oder rotatorische Bewegungen aus. Für sich genommen können Hilfsachsen im Punkt-zu-Punkt-Betrieb (PTP) oder im synchronisierten PTP-Modus verfahren werden.
In der schweißtechnischen Anwendung werden Hilfsachsen jedoch häufig gemeinsam mit dem Roboterarm vollsynchron betrieben. Durch diese koordinierte Bewegung aller Achsen im Gesamtsystem wird sichergestellt, dass der Tool Center Point (TCP) die vorgegebene Bahn mit konstanter Geschwindigkeit einhält. Dies ist insbesondere für die Qualität und Gleichmäßigkeit von Schweißnähten von entscheidender Bedeutung.
Den kompletten Beitrag finden Sie in „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.
Autor: Lic.jur./Wiss.Dok. Ernst Schneider
Ernst Schneider ist Experte für technisches Recht und Normung. Er berät technologieorientierte Unternehmen und ist Mitglied im Ausschuss Normenpraxis des DIN e.V.