Prozess und Anlagen Verknüpfung über Sensoren und ... · Sensorik für Bahnkorrektur...
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10.06.2016 Seite 1 Prozess und Anlagen – Verknüpfung über Sensoren und geeigneten Schnittstellen Thüringer Maschinenbautag, 15. Juni 2016 Prof. J.-P. Bergmann René Schürer* Peter Seidl*
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Prozess und Anlagen – Verknüpfung über Sensoren
und geeigneten Schnittstellen
Thüringer Maschinenbautag, 15. Juni 2016
Prof. J.-P. Bergmann
René Schürer*
Peter Seidl*
10.06.2016Seite 2
1. Motivation
2. Grundlagen Rührreibschweißen
3. Herausforderungen und technologischer Bedarf
4. Auswahl eines Maschinenkonzeptes
5. Regelungs- / Überwachungsmaßnahmen
6. Prozessbezogenes CAD - / CAM System
7. Möglichkeiten zur Bahnkorrektur
8. Stand der Technik vs. Zukunftsvision
Agenda
Grenzebach
TU Ilmenau
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1. Motivation
An- und Herausforderungen in den kommenden Jahren - Megatrends
GlobalisierungUrbanisierung
Ressourceneffizienz
Demografischer Wandel
Individualisierung
René Schürer
[Bilder: WWF, Wettercomassets.com]
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1. Motivation
An- und Herausforderungen in den kommenden Jahren - Megatrends
Globalisierung
Urbanisierung
Ressourceneffizienz
Demografischer Wandel
Individualisierung
Produktion in urbaner Umgebung
Bedarf an emissionsarmen Technologien
Leichtbau, Multi-Material-Mix
Erhöhung der Automatisierungsgrades
zur Kompensierung der älter werdenden
Gesellschaft
1910 2050Produkte mit Stückzahl 1
hohe Flexibilität
[Bilder: stat. Bundesamt, Urbanproduction]
René Schürer
10.06.2016Seite 5
1. Motivation
An- und Herausforderungen in den kommenden Jahren - Megatrends
Globalisierung
Urbanisierung
Ressourceneffizienz
Demografischer Wandel
Individualisierung
René Schürer
Fe
stp
hasenfü
gete
ch
nik
als
Lösung ?
Produktion in urbaner Umgebung
Bedarf an emissionsarmen Technologien
Leichtbau, Multi-Material-Mix
Erhöhung der Automatisierungsgrades
zur Kompensierung der älter werdenden
Gesellschaft
Produkte mit Stückzahl 1
hohe Flexibilität
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2. Grundlagen zum RührreibschweißenVerfahren
Messbare Größe
Prozesskräfte, Drehmomente, Temperaturen
René Schürer
z
x
y
FA
Fx
Fy
Werkzeug als zentrales Element
Interaktion mit dem Bauteil (Werkstoff)
Rührzone
RZ
EN AW7075 T651 5mm
[Bilder: DIN EN ISO 25239 -1]
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TransportwesenAutomotiveBehälterbauLuft und Raumfahrt
hervorragende mech. / metallurgische Eigenschaften
Einfaches Verfahrensprinzip, leicht automatisierbar
geringe Prozesstemperaturen (Mischverbindungen)
Keine Nahtvorbereitung, Zusatzwerkstoffe notwendig, kein Schutzgas
2. Grundlagen zum RührreibschweißenVorteile und Anwendungen
FSW WerkzeugCu-DHP Al99,5
Querschliff
Mischverbindung (EMob)
René Schürer
Energietechnik
Rohrleitung (Al)
[Bilder: SAPA, AUDI, Riftec, Eclipse, Shinkansen, Vorsicht-Hochspannung, Pixabay]
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2. Grundlagen zum RührreibschweißenAnlagentechnik
René Schürer
Steifigkeit Steifigkeit Steifigkeit Flexibilität
Invest
FlexibilitätInvest 3D Fähigkeit
3D Fähigkeit Invest
Aufstellfläche Steifigkeit
[Bilder: ESAB, HAGE, Grenzebach, Grenzebach, Pixabay]
3D Fähigkeit
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3.Herausforderungen / technologischer Bedarf
Prozessbezogenen Herausforderungen Bauteilbezogenen Herausforderungen
Spaltmaße
Wärmestau
- Komplexe Konturen
- Überwachung von Nahtimperfektionen durch
einen Bruch des Reibstiftes
𝑄𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑄𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠>FSW WZ Spanntechnik
Seiten-
fixierung
Qu
elle:
ES
AB
Quelle: DIN EN ISO 25239
Versatz bei Mischverbindungen
Prozesskräfte
René Schürer
δy
δz
Steife Gegenlage erforderlich -- 3D Fähigkeit ?
einzuschweißender
Deckel
Grundkörper
----Draufsicht----
δzBauteiltoleranzen
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3.Herausforderungen / technologischer Bedarf
Prozessbezogenen Herausforderungen
Steife Gegenlage erforderlich -- 3D Fähigkeit ?
FSW WZ Spanntechnik
Seiten-
fixierung
Qu
elle:
ES
AB
Quelle: DIN EN ISO 25239
Prozesskräfte
Technologischer Bedarf
Positionsregelung in y, z- Richtung
Messen und Regeln von Kräften
und Drehmomenten
Gewählte Regelgrößen müssen in allen
Raumrichtungen anwendbar sein
René Schürer
Versatz bei Mischverbindungen
δy
δz
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3.Herausforderungen / technologischer Bedarf
Technologischer Bedarf
Spaltmaßüberwachung
Temperaturerfassung
Regelung prozessrelevanter
Größen
simple Schweißbahnprogrammierung
Spaltmaße
Wärmestau
- Komplexe Konturen
- Überwachung von Nahtimperfektionen durch
einen Bruch des Reibstiftes
Bauteilbezogenen Herausforderungen
Analyse von Einzelkräften zur Bruch-
vorhersage
René Schürer
einzuschweißender
Deckel
Grundkörper
----Draufsicht----
𝑄𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑄𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠>
δzBauteiltoleranzen
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4. Auswahl eines Maschinenkonzeptes
Kundenspezifische
Schweißanlagen mit Schwerlast-
Industrierobotern
Übergeordneter Leitstand zur
ganzheitlichen Programmierung
und Überwachung der Anlage
Dreidimensionale Bearbeitung
komplexer Bauteile
Anforderungsgerechte Auswahl
der Führungsmaschine
Hohe Flexibilität durch mehrere
Bearbeitungsstationen bzw.
Spannvorrichtungen im
Arbeitsbereich des Roboters
Schlüsselfertige Installation
Peter Seidl
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5. Regelungs- / Überwachungsmaßnahmen
Industrie-Roboter bietet:in der Standardausstattung
3D - Fähigkeit
Positionsregelung
Sensor-Schnittstellen
FSW Prozess erfordert:
Axialkraft-Regelung
Bahntreue
Geringe Störeinflüssez.B. Schwingungen
FSW Applikation erfordert:
Wirtschaftlichkeit
Reproduzierbarkeit
Prozessüberwachung
Qualitätsüberwachung
Peter Seidl
Grenzebach „Master Control Unit“
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5. Regelungs- / Überwachungsmaßnahmen
Kraftregelung der Axialkraft
Ermittlung der Prozesskräfte
z.B. durch Scherkraftsensoren
Dynamisches Nachregeln der Höhenposition
des Reibwerkzeugs mittels der Achs-Antriebe
des Roboters (keine Zusatzantriebe)
Kompensation von Höhenschwankungen,
Wanddickenveränderungen und sonstigen
Fertigungstoleranzen
Bahnregelung
Bahnkorrektur auf Basis des mittels
CAM-System programmierten Schweißpfads
Positionserkennung durch Sensoren,
(z.B. Induktiv, Laser oder Kamera)
Nutzung einer kombinierten Kraft- und
Bahnreglung zum Schweißen von z.B.
Mischverbindungen in Stumpfstoß-Konfiguration
Peter Seidl
Human Machine Interface
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6. Generierung der Soll-Schweißbahndurch CAD - / CAM System
Verbleibende Diskrepanz zwischen Idealbahn gemäß CAM und realer Schweißposition
Ursache: Hohe Prozesskräfte + begrenzte Steifigkeit der kinematischen Kette eines Industrieroboters
Lösung: Nutzung einer kombinierten Kraft- und Bahnregelung zur Kompensation von Prozessstörungen
Peter Seidl
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7. Möglichkeiten zur BahnkorrekturIdealer versus Realer Bahnverlauf
Beispiel:
Mischverbindung Al-Knetwerkstoff zu Al-Gusswerkstoff
Mediendichtes Schweißen eines Blecheinlegers
Peter Seidl
vor Schweißung ohne Bahn-Korrektur mit Bahn-Korrektur
15mm
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7. Möglichkeiten zur BahnkorrekturSensorik für Bahnkorrektur
Sensor-
prinzip Induktiv
Laser-
triangulation Kamera
Anordnung
Erfassungs-
bereich
Vorteile - Einfach
- Preiswert
- Abtastrate
- Preiswert
- Auflösung
- Spaltmaße
Nachteile - Bewegungsraum
- Justage Sensor - Ref.
- lineare Bahn
- enge Kurvenradien - Kosten
- Beleuchtung
- Software Aufwand
Peter Seidl
[Bilder, Pixabay]
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8. Stand der Technik vs. Zukunftsvision
Umsetzung des robotisierten FSW Systems
Implementation Kraft- & Bahnregelung
Prozessbezogenes CAD / CAM System
Cloud-basierte Prozessanalyse – Big Data Analytics
Peter Seidl
„Intelligenter Schweißkopf“
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FLEXIBEL – PRÄZISE – RESSOURCENSCHONEND
Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
Peter Seidl*
Program Manager Friction Stir Welding
GRENZEBACH Maschinenbau GmbH
Albanusstr. 1
86663 Asbach-Bäumenheim / Hamlar
Phone: +49 (0)9 06 / 982 - 2506
E-mail: [email protected]
René Schürer*
Pressschweißen
Technische Universität Ilmenau
Gustav-Kirchhoff-Platz 2
98693 Ilmenau
Tel. +49 3677 693868
Mail: [email protected]
