Offline-Programmierung das Roboterschweißen und Roboterplasmaschneiden bei Trane

Mit über 26 000 Mitarbeitern und einem Umsatz von über 6 Milliarden Dollar ist Trane der Weltmarktführer für Klimageräte und kältetechnische Anlagen. Die Produktpalette der Klimaanlagen umfasst Anlagen für Haushalte, Gewerbe und Industrie. Trane ist weltweit über Vertriebsbüros, Partnerschaften und 29 Produktionsstandorte vertreten. Die beiden Werke in Frankreich in Charmes und Golbey sind seit Ende der 60er Jahre in Betrieb und produzieren Flüssigkeitskühler und Ventilatorkonvektoren. Der Betrieb in Charmes produziert mit über 500 Mitarbeitern Hochleistungsanlagen, von denen 60% für den Europäischen Markt bestimmt sind. Jeder Betrieb von Trane ist unabhängig und verfolgt drei Ziele: Fertigung von Produkten von hoher Qualität in der kürzesten Zeit und unter Beachtung der Sicherheitsbestimmungen.

Die meisten der Produkte, die in Charmes hergestellt werden, sind Standardprodukte, der Katalog bietet jedoch eine Vielzahl möglicher Optionen. Spezielle Produkte decken nur ca. 10% der Produktion ab. Alle Produkte werden nach Bestellung gefertigt. Von einer Durchlaufzeit von 20 bis 25 Tagen zwischen der Bestellung und der Lieferung werden ca. 5 Tage für die Montage benötigt.

Der Betrieb in Charmes hat zwei Fertigungslinien, eine für luftgekühlte Systeme und eine für wassergekühlte Systeme. Sie produzieren 14 beziehungsweise 5 Anlagen am Tag. Beide Fertigungslinien werden von der Fertigungseinheit der Röhrenwärmetauscher versorgt. Der Röhrenwärmetauscher ist in zwei Linien unterteilt: Tauscher mit grossem Gehäuse und Tauscher mit mittlerem Gehäuse. Für die Belange der Produktivität, der Qualität und der Sicherheit ist die Reduzierung der Fertigungszeit auf ein Minimum wesentlich. Ein Weg, um dieses Ziel zu erreichen, ist, die Aufgabe so früh wie möglich im Voraus zu definieren. Mit diesem Hintergrund hat Trane in den Jahren 2000 und 2001 begonnen, über den Einsatz von Robotern für das Schweißen der Wärmetauscher nachzudenken. Das Ziel war, die Fertigungskosten zu reduzieren und die Synchronisierung der Fertigungslinien zu verbessern.

Roboter: Verbesserung der Produktivität beim Schweißen und Antwort auf drei Probleme

Weitere Bedingungen erklären das Interesse bei Trane an der Umstellung auf Roboter. Saisonale Schwankungen haben einen sehr großen Einfluss auf die Produktion von Klima- und Kühlgeräten. Damit ist es notwendig, zur richtigen Zeit bevorzugt hoch qualifizierte Schweißer abrufen zu können. Darüber hinaus erfordert die Schweißqualität bei Druckbehältern eine dreimonatige Qualifizierung der Schweißer. Saisonale Schwankungen der Auslastung, Mitarbeiter, die schwer zu finden sind und kostenintensiv qualifiziert werden müssen, Qualitätsunterschiede bei manuellen Schweißen … Im Angesicht dieser drei Problemen scheint die Bearbeitung durch Roboter die richtige Wahl zu sein.

Das wiederum setzt voraus, dass die Roboter in der Lage sind, die Produkte zu Schweißen, aber die Konstruktion der Tauscher führte zu einer unkontrollierbaren Ungenauigkeit der Position des Gehäuses, die bis zu 20 mm bei einem 4 Meter langen Gehäuse sein konnte. Im Jahre 2002 begann die Entwicklungsabteilung die Produkte zu modifizieren, um die Teileposition zu gewährleisten, was Voraussetzung für jedes Roboterschweißen ist. Gleichzeitig wurde die Schweißstrategie verändert: um zu garantieren, dass die Zusammenstellung der Tauscher wiederholbar ist, muss die ersten Naht, die manuell geschweißt wird, konstant sein. Mit dem MAG-Prozess ist dieses nicht möglich, deshalb wurde für diesen ersten Prozess das MIG-Verfahren eingesetzt.

Mit einer amerikanischen Schwestergesellschaft, die bereits 5 Schweißroboter einsetzt, wurde ein Leistungsvergleich gestartet. Roboterhersteller wurden kontaktiert und der österreichische Hersteller IGM wurde ausgewählt, die Roboter zu liefern. Die empfohlene Installation, bestehend aus einer Zelle mit einem Roboter, der an einer längs verlaufenden Achse hängt, entsprach sehr gut der Vorstellung von Trane. Der Schweißkopf, der an der sechsten Roboterachse, eine Besonderheit von IGM, befestigt ist, reduziert die Größe des Schweißkopfes. Zwei rotierende Positionierer für die Teile erlauben ein gleichzeitiges Be- /Entladen der Baugruppe.

Offline-Programmierung bereits seit Beginn des Projektes beinhaltet

Die Erfahrungen des amerikanischen Betriebs zeigt, dass Programme für einen Tauscher zu teachen, den Einsatz des Roboters für eine ganze Woche erfordert. So wäre der Roboter in Charmes 25 Wochen blockiert. Das wurde als zu kostenintensiv erachtet und die Offline-Programmierung wurde bereits vom Beginn des Projektes an in Betracht gezogen. Das System act/weld, die Software für die Offline-Programmierung für Schweißroboter von Alma, wurde 2003 eingeführt. Die Software wurde als effizienter als die Lösung des Herstellers, betrachtet. Das detaillierte Wissen von Alma über die Steuerung der IGM-Roboter und die bestehende Zusammenarbeit zwischen Trane und Alma überzeugte den Projektleiter. Die 2D-Programmiersoftware für Schneiden und Stanzen von Alma wurde in der Produktion in Charmes und Golbey bereits seit mehreren Jahren eingesetzt. Die erste Zielvorgabe des Projektleiters war, dass die Programme auf dem Roboter nicht mehr angepasst werden müssen, dass alle Einstellungen und Abstimmungen bereits in der Software vorgenommnen werden müssen. “Das gesamte Programm muss wiederholbar und auf einem Computer verwendbar sein” war die Anforderung von Vincent Guerbeur, dem Qualitätsbeauftragten des Betriebes in Charmes, der dann Leiter der Schweißprozesse und verantwortlich für das Projekt Roboter wurde.

Die Roboterzelle und die Software act/weld wurden im April 2004 in Betrieb genommen. Alma führte dann die Kalibrierung (Abstimmen der virtuellen Zelle mit der reellen Zelle) der Software und der Zelle durch. Die Kalibrierung ist eine wichtige Voraussetzung für die Qualität der Programme. Auch wenn nichts mehr geändert werden musste, so war das Roboterschweißen ein unbekannter Prozess im Betrieb und alles musste erlernt werden. Glücklicherweise stellte Trane Vincent Guerbeur, Schweißtechniker, und zwei Roboterbediener für diese Aufgabe ab. “Am Ende der Schulung durch Alma mussten wir die Offline-Programmierung beherrschen, die Einstellungen kennen, eine Programmiermethode entwickeln, die richtige Konfiguration finden und diese auf dem Roboter testen” erinnert sich Vincent Guerbeur, in dem Bewusstsein, eine große Verantwortung in einem faszinierenden Aufgabengebiet zu tragen. Es dauerte ca. 2 Monaten bis act/weld komplett eingesetzt werden konnte und die notwendigen Einstellungen definiert waren. Vier weitere Monate waren nötig, um die Produktivitäts- und Qualitätsziele zu erreichen, die zu Beginn des Projektes gestellt wurden. Rund 30 Programme wurden in diesen 6 Monaten erstellt, die die gesamte Produktpalette umfassen.

Die gleiche Technologie, um das Mantelrohr in 3D zu schneiden

Ende 2004 begann das Management bei Trane darüber nachzudenken, die Fertigung der Mantelrohre, die bislang ausgelagert war, mit Robotern auszuführen. Das Mantelrohr ist der zentrale Teil eines Wärmetauschers, auf den verschiedene zylindrische oder rohrförmige Teile in angefaste Aussparungen geschweißt werden. Diese Aussparungen werden in die flachen Tafeln geschnitten, bevor der Mantel gerollt wird, wodurch die Fasen durch die Verformungen oft eine ungenügende Qualität haben. Das führt zu Ungenauigkeiten beim Schweißprozess, der wiederum wiederholbare Schweißnähte benötigt. Diese Qualitätsanforderung trifft mit Problemen bei der Einhaltung von Lieferterminen und Einkaufskosten von über 1,5 Mio EURO in 2004 zusammen. “Nach der erfolgreichen Einführung der Schweißroboter, fragten wir uns, ob wir die Mantelrohre selbst nicht besser und günstiger produzieren können, indem wir die gefasten Aussparungen mit einem Roboter selbst schneiden” sagt Stéphane Hacquard, Prozess- und Entwicklungsleiter des Betriebes in Charmes. Die Technologie des Plasmaschneidens mit einem Roboter (nachdem der Mantel gerollt wurde) gewährleistet eine gleich bleibende perfekte Qualität der Fasen und eine minimale Ungenauigkeit beim Schweißen. Aus einem wirtschaftlichen Gesichtspunkt betrachtet, bestätigte eine Analyse leicht die Relevanz dieses neuen Projektes, indem eine Kostenreduzierung von 35% im Vergleich zur ausgegliederten Fertigung möglich war.

IGM und Alma hatten die Machbarkeit dieses 3D-Schneidens geprüft und mussten mit Trane nur die Besonderheiten der virtuellen und der reellen Installation definieren. Die Zelle von IGM besteht aus einem Roboter auf einer Bodenschienen mit einer Linearachse, einem Positionierer mit einer rotierenden Achse und einem ELS Lasersensor. Der Roboter-Mechanismus wird von Kuka geliefert und die Steuerung ist eine IGM K5. Die Installation ist in der Fertigung der großen Gehäuse vor den Schweißzellen untergebracht. Nach den Erfahrungen von Trane mit dem Roboterschweißen war es deutlich einfacher, das Roboterschneiden einzuführen. Die Installation wurde bereits 2005 in Betrieb genommen. Ein Softwaremodul wurde zur act/weld-Installation hinzugefügt, um die Technologie 3D-Schneiden zu programmieren, sodass ein einziger Arbeitsplatz Programme für beide Roboter liefern kann.

Seit 2005 wurden rund 35 Schneidprogramme erstellt. Wie die Schweißteile werden die Schneidteile in die Software von Alma aus dem 3D-CAD-System (Inventor / Mechanical Desktop) im Format STEP importiert. Sie werden dann automatisch durch ein von Alma entwickeltes Makro in der virtuellen Zelle positioniert . Die Software programmiert auch den ELS Lasersensor, um die Schweißlinie nach dem Biegen des Mantels zu erkennen. “Das Teachen von Programmen war keine Option für das Roboterschneiden, und ohne die Software von Alma könnte das ganze Projekt nicht in Betracht gezogen worden sein” merkt Stéphane Hacquard im Rückblick an. Die Simulation beim Offline-Programmieren ermöglichte einen hohen Produktivitätszuwachs beim Schneiden der Mäntel. Romain Gotti, ein junger Techniker, der vor einigen Monaten in der Offline-Programmierung geschult wurde, entwickelte schnell eine Methode, um gerade Ausschnitte anstelle von gefasten Ausschnitten zu schneiden, um die Teile aufzunehmen, die an den Mantel geschweißt werden. Das vereinfachte die Positionierungen für das Schneiden erheblich.

Verbesserungen in allen Bereichen…

Wie beim Schweißen zwei Jahre zuvor, hat das Roboterschweißen den richtigen Durchlauf erreicht und die Leitung bei Trane hat ein sehr positives Feedback sowohl in Bezug auf die Qualität als auch auf die Produktivität durch die Integration der beiden Roboterprozesse erhalten. Trane hat die Ziele erreicht, sowohl aus einem wirtschaftlichen Standpunkt als auch bei der Qualität und der Fertigungsorganisation. Die Erhöhung der Produktivität ist selbsterklärend: wurden in 2001/2002 pro Tag 8 bis 9 Tauscher mit 55 Schweißern gefertigt, werden in 2008 je Tag über 12 Tauscher mit 32 Schweißern gefertigt.

Die hohe Qualität der Software-Kalibrierung und die umfassende Erfahrung von Alma mit IGM-Steuerungen führte zu einem systematischen Abtasten von drei Punkten mit dem Schweißkopf und der Nahtverfolgung in einem Kreisbogen bei jedem Programm. Dadurch kann Trane im Gegenzug Programme offline erstellen, die auf dem Roboter nicht mehr korrigiert werden müssen.

Für neue Produkte, die Ende 2008 in die Fertigung kommen, wird die Software von Alma für das Schweißen intensiv gefragt sein. Das zeigt einen weiteren Vorteil der Offline-Programmierung. “Dank act/weld können wir nun an der Entwicklung neuer Produkte teilhaben, vorausgesetzt wir planen vorsichtig” betont Vincent Guerbeur. Die Kapazität wurde indessen bereits bei den mittleren Gehäusen, die bisher jedoch nicht mit Robotern gefertigt werden, in der Offline-Programmierung mit berücksichtigt. Wenn die Auslastung bei den großen Gehäusen nachlässt, stehen die Programme für die Fertigung der mittleren Gehäuse bereit.

Wenn man die aktuelle Auslastung der Fertigung der großen Gehäuse betrachtet, kann der Roboter nicht alle Schweißvorgänge ausführen und die einfachsten Schweißnähte werden nach wie vor manuell ausgeführt. Ein zweiter Schweißroboter wird dafür in 2009 hinzukommen.

Wenn das Management von Trane nach den Hauptkomponenten der erfolgreichen Integration der Offline-Programmierung in den Fertigungsprozess gefragt wird, wird die Wichtigkeit der Zusammenarbeit zwischen Roboterhersteller und Alma hervorgehoben. Die technische Erfahrung von Alma und die Standhaftigkeit während des gesamten Projektes waren ausschlaggebend. Für den Kunden ist es eine wichtige Voraussetzung, ausreichend Zeit und Personal für die Roboterintegration zur Verfügung zu stellen, um das Projekt erfolgreich zu machen. Das ist insbesondere wichtig, wenn der Roboter und die Offline-Programmierung gleichzeitig eingeführt werden. Das Projekt wird umso erfolgreicher, wenn die für die Offline-Programmierung verantwortliche Person am Roboterprozess gut ausgebildet wurde. Der Beweis, dass Roboter Menschen brauchen, um ihre volle Leistung zu erbringen…

© 2008 – Alma

www.trane.com