iwb - RoFaLas - Robotergeführtes Remote-Laserstrahlschweißen mit dem Faserlaser

Ausgangssituation

Die Automatisierungsstrategie beim Laserstrahlschweißen richtete sich bislang vorwiegend nach der verwendeten Strahlquelle. Restriktive Randbedingung ist hierbei häufig die Strahlqualität des Lasers, aus der ein relativ geringer Arbeitsabstand der Optiksysteme bei vorgegebenen Werkstoffen, Qualitätsanforderungen und Arbeitsgeschwindigkeiten resultiert. Im Gegensatz zu konventionellen Lasersystemen stellt der Faserlaser eine innovative und leistungsstarke Strahlquelle mit hervorragender Strahlcharakteristk dar, mit der große Brennweiten zum Remote-Laserstrahlschweißen realisierbar sind. Das iwb erarbeitet in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt RoFaLas neue Werkzeuge und Methoden zum scannerlosen Remote-Laserstrahl-schweißen (RLS).

Abbildung 1: Remote-Laserstrahlschweißen mit dem Faserlaser (iwb, ipq 2006)

Gegenüber dem scannergeführten RLS erfolgt hierbei die Strahlablenkung nicht über in Scanneroptiken integrierte Spiegel, sondern über die Handachsen von herkömmlichen Industrierobotern. Dies stellt zur Gewährleistung gleich bleibend hoher Schweißqualität neue Herausforderungen an den Anwender.

Ziel des Projektes

Ziel des Projektes ist die Untersuchung und Qualifizierung des robotergeführten, scannerlosen Remote-Laserstrahlschweißens bei Leichtbauwerkstoffen. Die Schwerpunkte der Arbeit des iwb liegen dabei in der Druchführung von Grundlagenversuchen mit innovativen Strahlquellen (Faserlaser), sowie in der Planung der Roboterbahnen für gegebene Bauteile. Durch die Charakteristik von seriellen Industrierobotern ergibt sich zusammen mit einer Vielzahl von einstellbaren Laserparametern ein unendlich großer Suchraum für optimale Lösungen. Soll zusätzlich die Schweißreihenfolge einzelner Fügeabschnitte auf einem Bauteil taktzeitoptimiert bestimmt werden, sind heute gängige Programmiermethoden nicht mehr einsetzbar. Deshalb entwickelt das iwb zusammen mit Partnern aus der Industrie ein rechnergestützes Werkzeug zur Bahnplanung. Dieses soll anhand von Eingangsgrößen, wie der Schweißparameter, der Blechdicke und der Bauteilgeometrie, optimierte Roboterbahnen erzeugen.

Vorgehensweise

Zur Bestimmung der relevanten Schweißparameter werden in der Versuchsumgebung des iwb umfangreiche Grundlagenexperimente durchgeführt. Ausgehend von werkstoffkundlichen Untersuchungen mit gängigen Leichtbauwerkstoffen werden die Grenzen des Schweißprozesses mit der neuen Strahlquellen vor dem Hintergrund des vorliegenden kinematischen Konzepts untersucht und definiert.

Abbildung 2: Einschweisstiefen mit unterschiedlichen Faserlasersystemen (Oefele 2006)

Die ermittelten Schweißparameter dienen dann als Eingangsgrößen für die Berechnung der optimalen Roboterbewegung.

Abbildung 2/3/4: Anwendungsbeispiele (Quelle: KUKA)

Zur Vereinfachung der Roboterprogrammierung und Bahnplanung für den Bediener wird im Projekt RoFaLas ein Offline-Programmiertool entwickelt. Dabei wird zur Berechnung der Roboterbahnen zuerst eine Schweißaufgabe mit Maschinen-, Werkstück- und Prozessparametern definiert. Die Schweißaufgabe wird virtuell im 3D-CAD-System mit den spezifischen Eingangsparametern wie Schweißgeschwindigkeit, maximal möglicher Winkelbereich der Strahlanstellung, erforderliche Laserleistung, Position der Schweißnähte usw. abgebildet.

Abbildung 5: Definition der Schweißaufgabe (Munzert 2006)

In einer ersten übergeordneten Optimierungsphase über alle vorhandenen Schweißnähte werden mehrere Berechnungen mit dem Ziel einer minimalen Bewegung der schweren Grundachsen (1-3) des Robotersystems durchgeführt und so eine optimierte Schweißreihenfolge identifiziert.
In einer zweiten lokalen Optimierungsphase wird jede einzelne Schweißnaht mit Anfangs- und Endpunkt sowie den dort möglichen und unmöglichen Strahlanstellwinkeln, Roboterstellungen und Fokuslagen betrachtet. Diese werden variiert, mit den Stellungen aus der vor- sowie nachgeschalteten Schweißaufgabe verglichen und dadurch optimale lokale Roboterachsstellungen ermittelt.

Abbildung 6: Optimierung in Robcad (Munzert 2006)

Zur Generierung eines ausführbaren Robotercodes werden die ermittelten Daten in einem abschließenden Postprozessor umgewandelt. Die errechnete Lösung stellt letztendlich ein lokales Optimum dar und kann durch eine zufällige Variation der Roboterstellungen in der ersten Optimierungsphase sowie durch eine erhöhte Anzahl von Rechenoperationen noch verbessert werden.

Ergebnisse

Als wesentliche in dem Verbundprojekt angestrebte Ergebnisse können genannt werden:

Qualifikation des Faserlasers zum scannerlosen Remote-Laserstrahlschweißen (RLS) von komplexen Bauteilstrukturen

Unterstützung bei der Generierung von optimalen Roboterbahnen und Einstellung der Schweißparameter

Ermittlung der prozessseitigen Grenzwerte für die Schweißparameter beim RLS

Prozessqualifizierung anhand einer Referenzapplikation aus dem Fahrzeug- und Flugzeugbau

Status

laufend

Laufzeit

11/2005-12/2008

Letzte Aktualisierung

03.11.2008

Partner

EADS AG, KUKA Systems, KUKA Roboter, Precitec,
ipg

Förderer

BMBF (VDI Technologiezentrum)

Veranstaltungen

Laser 2007, Automatica 2008

Veröffentlichungen

Zäh, M. F.; Munzert, U.; Oefele, F.: Offline Concept for Optimization of Robot Paths for Remote Laser Welding without Scanners. Proceedings of the 10th international Research/Expert Conference "Trends in the Development of Machinery and Associated Technology", 11-15 September (2006), Barcelona, Spain.
Zäh, M.; Oefele, F.; Munzert, U.: Remote-Schweißen ganz ohne Scanner. Industrieanzeiger 3/2006. Leinfelden: Konradin Verlag, S. 31.
Zäh, M.F.; Reinhart, G.; Oefele, F.; Munzert, U.: Remote-Laserstrahlschweißen. wt Werkstattstechnik online. Jahrgang 96 (2006) H. 9.
Zäh, M.F.; Oefele, F.; Munzert, U.: Startschuss für RoFaLas. iwb newsletter 13 (2005) 3, S. 3-4.

Downloads

Handzettel

Weiterführende links

http://www.briolas.de/rofalas.html