Kühlmittelkreisläufe in Schweißapplikationen automatisch überwachen

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Kühlmittelkreisläufe regeln rechnet sich 

Punktschweißroboter stehen in den hoch automatisierten Produktionsanlagen der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer mitunter zu Hunderten in einer Montagehalle. Der Schweißprozess muss zuverlässig laufen, um eine reibungslose Fertigung zu gewährleisten. Dabei spielt die optimale Kühlung der Schweißkappen eine entscheidende Rolle. Die möglichst genaue Überwachung und Regelung der Kühlwassermenge zu den einzelnen Schweißzangen der Roboter ist deshalb gleich aus mehreren Gründen sinnvoll: Die Durchflussmenge wird immer dem Bedarf angepasst, nicht nur im normalen Betrieb sondern auch im Teilsystembetrieb sowie bei Anlagenerweiterungen. Zudem benötigt man weniger Kühlwasser ohne auf optimale Kühlbedingungen zu verzichten. Durch geregelte Durchflüsse gehören Schließschläge im Kühlwasserkreis, die zu Druckstößen im System und einem Verlust der Schweißkappen führen können, der Vergangenheit an. Neue Plug-and-Play-Systemlösungen für die geregelte Schweißzangenkühlung bauen jetzt so kompakt, dass sie direkt neben der Versorgungsplattform des Roboters an der Bodenplatte Platz finden.
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Kompakte Systemlösung zum Regeln und Überwachen von Kühlmittelkreisläufen in Schweißapplikationen. (Bild: Bürkert)

Beim Punktschweißen ist die Kühlung der Roboterschweißzangen bzw. des vordersten Teiles der Schweißkappen, absolut zwingend, um die durch die hohen Ströme hervorgerufene Wärmelast gezielt abzuführen. Die verwendeten Kappen sind bei diesem Verfahren zwar von vornherein als Verschleißteile ausgelegt, die regelmäßig getauscht werden müssen, aber führt man die Wärme nicht oder nur unzureichend ab, erhöht sich der Verschleiß und die Wechselintervalle verkürzen sich extrem. Dadurch entstehen nicht nur höhere Kosten, sondern es kommt zu zusätzlichem Produktionsausfall durch wartungsbedingte Anlagenstillstände.

Richtig kühlen ist nicht einfach

Um dies zu verhindern, strömen an die Schweißkappen der Punktschweißroboter, je nach Werkstoff und Ausführung, zwischen vier und acht Liter Kühlwasser pro Minute und Kappe. Das Kühlwasser hat dabei im Nennbetrieb eine Temperatur zwischen +20 °C und +40 °C und wird mit einem Druck von bis zu ca. 8 bar beaufschlagt. Nur wenn die Mengen überwacht werden, kann man jedoch sicher sein, dass die Kühlung im laufenden Betrieb auch ordnungsgemäß gewährleistet ist. Da die Schweißkappen trotz der Kühlung abnutzen, können beispielsweise Leckagen entstehen. Werden sie nicht rechtzeitig erkannt, kann austretendes Kühlwasser zu Anlagenstillständen führen und sogar zu einer Beschädigung anderer empfindlicher Anlagenkomponenten. Außerdem besteht für den Bediener das Risiko, durch Kühlwasseraustritt oder durch nassen Boden gefährdet zu werden. Die Kühlsysteme müssen also Leckagen oder Kappenverluste sehr schnell erkennen und im Fall der Fälle den Kühlmittelfluss sofort unterbrechen und absperren. Zu den schnellen Reaktionszeiten kommen aber noch weitere Anforderungen:
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An die Kühlwasser-durchsatzregelung angepasstes Regelkegelprofil. (Bild: Bürkert)

So sollte das Kühlsystem flexibel auf sich ändernde Bedingungen reagieren, z.B. den Kühlwasserdurchsatz an die Anzahl der sich im Betrieb befindenden Schweißroboter anpassen. Das garantiert nicht nur bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine optimale Kühlung, sondern sorgt auch dafür, dass die Pumpwerkleistung bestmöglich ausgenutzt werden kann.

Und nicht zuletzt spielt auch der Platzbedarf eine entscheidende Rolle. Die bisherigen Lösungen zur Kühlung der Schweißkappen bestehen meist aus Komponenten verschiedener Hersteller. Ein Durchflusswächter, ein Vorlauf- und ein Rücklaufventil, ein Rückzugzylinder sowie unter Umständen pneumatische Ansteuerventile sind miteinander verrohrt. Einer der wesentlichen Nachteile dieser Konstruktionsweise ist der relativ große Platzbedarf, der sich durchaus mit einem Haushalts-Kühlschrank vergleichen lässt. Gerade in Anlagen, in denen viele Roboter auf engem Raum gemeinsam arbeiten, kann dies zum Problem werden.

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Kompakte, regelbare Kühlmittelkreisläufe – Systemlösung

Abhilfe schafft eine kompakte Systemlösung, die als anschlussfertige Plug-and-Play-Lösung entwickelt wurde. Die Schweißkappenkühlung (Bild 1), die das Resultat jahrzehntelanger Erfahrung ist, besteht im Prinzip aus Pneumatik- und Kühlmitteleinheit sowie dem Prozessregler, der direkt mit der übergeordneten Robotersteuerung oder SPS kommuniziert. Das erlaubt eine permanente Regelung der durch die Zangen fließenden Kühlwassermenge. Der verwendete Durchflusssensor arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,4 % vom Messwert (unter Referenzbedingungen) bei einer Fließgeschwindigkeit zwischen 0,3 m/s und 10 m/s.
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Die Montage ist direkt auf der Roboterplattform neben der Versorgungseinheit möglich. (Bild: Bürkert)

Da alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind und keine aufwändige Verrohrung notwendig ist, wiegt das komplette Kühlsystem nur knapp 27 kg und braucht nur ein Bruchteil des Platzes konventioneller Lösungen. Es lässt sich dadurch prozessnah anbringen, z.B. direkt am Roboterfuß neben der Versorgungseinheit. Beim Schweißen wird der Roboter dann nicht durch das Kühlsystem im seinem Arbeitsbereich eingeschränkt. Der Controller, über den das System konfiguriert wird, lässt sich an einer beliebigen, gut sichtbaren Position (außen am Schutzgitter) montieren. Meist bleibt jedoch bei der Inbetriebnahme nicht viel zu tun, denn das System ist bereits werksseitig auf die gängigen Zweikreiszangen mit 16-mm-Kappen voreingestellt. Maximalbegrenzung und Sollwert sind bereits im Controller hinterlegt. Nur in Sonderfällen werden andere Werte am Controller menügeführt manuell angepasst.

Praxisgerechte Inbetriebnahme von Kühlmittelkreisläufen
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Die Montage ist prozessnah möglich. (Bild: Bürkert)

Auch sonst ist die Inbetriebnahme einfach. Codierte Anschlusstechnik und farbige Schläuche erleichtern die Inbetriebnahme von Pneumatik- und Kühlmitteleinheit. Zur Inbetriebnahme müssen nur die Luftversorgungsleitung an der Eingangsseite der Pneumatikeinheit mittels Absperrhahn geöffnet und die Druckluftverbindungen geprüft werden. Ist das System dicht und mit ausreichend Druck versorgt (Druckschalterrückmeldung), kann die Kühlmitteleinheit in Betrieb gesetzt werden.

Durch das Signal „System Run“ von der Robotersteuerung oder SPS wird nun der Schweißkappenkühlprozess in Gang gesetzt und betrieben. Der Controller regelt nun den voreingestellten Sollwert aus (Bild 2). Mit Überschreiten des unteren Grenzwertes und nicht Überschreiten des oberen Grenzwertes wird ein Signal (Wasserfluss i.O.) generiert und eine LED zeigt den regulären Kühlbetrieb an.

Vorteile geregelter Kühlmittelkreisläufen

Einmal in Betrieb genommen, kann das Kühlsystem dann seine Vorteile so richtig ausspielen (Bild 3): Durch die direkte Anbindung des sensiblen Durchflusssensors und des Prozessreglers an die übergeordnete Robotersteuerung oder SPS ist der Kühlwasserdurchfluss jederzeit regelbar und wird an den tatsächlichen Bedarf angepasst. Die Schweißkappen werden von Anfang an ausreichend gekühlt und ein daraus resultierendes Kappenkleben wird zuverlässig verhindert. Außerdem gleicht das System die Wasserwiderstände unterschiedlicher Kühlungsleitungen durch die Regelung aus oder erkennt sie – wenn ungeeignet – sofort als fehlerhaft. Die werksseitigen Voreinstellungen sorgen zudem für eine Vereinheitlichung der Kühlwasserkreise, was letztendlich den Service deutlich erleichtert. Der geregelte Kühlwasserdurchfluss macht darüber hinaus eine nachträgliche manuelle Kalibrierung nach Veränderungen oder Erweiterungen überflüssig. Die Kühlmittelmenge ist reproduzierbar, Fehler werden schnell erkannt. Letztendlich verbessert sich dadurch die Schweißqualität und Prozesszuverlässigkeit. Und last but not least ergeben sich auch noch Einsparungen in den Betriebskosten, denn die bedarfsgerechte Regelung senkt den Energieverbrauch. Außerdem müssen Pumpen nicht mehr überdimensioniert werden, um genug Reserven zu haben. Die Kühlmittelkreisläufe in Schweißapplikationen zu regeln rechnet sich dadurch innerhalb kurzer Zeit.

Autor: Hartmuth Lotha, Field Segment Management bei Bürkert Fluid Control Systems

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Bürkert Fluid Control

Hartmuth Lotha, Field Segment Management bei Bürkert Fluid Control Systems

Bürkert Fluid Control Systems ist ein weltweit führender Hersteller von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen für Flüssigkeiten und Gase. Die Produkte von Bürkert kommen in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen zum Einsatz – das Spektrum reicht von Brauereien und Laboren bis zur Medizin-, Bio- und Raumfahrttechnik. Mit einem Portfolio von über 30.000 Produkten deckt Bürkert als einziger Anbieter alle Komponenten des Fluid Control Regelkreises aus Messen, Steuern und Regeln ab: von Magnetventilen über Prozess- und Analyseventile bis zu pneumatischen Aktoren und Sensoren.

Das Unternehmen mit Stammsitz im süddeutschen Ingelfingen verfügt über ein weit gespanntes Vertriebsnetz in 36 Ländern und beschäftigt weltweit über 2.500 Mitarbeiter. In fünf Systemhäusern in Deutschland, China und den USA sowie vier Forschungs- und Entwicklungszentren entwickelt Bürkert kontinuierlich kundenspezifische Systemlösungen und innovative Produkte. Ergänzt wird die Produktpalette mit dem umfassenden Serviceangebot BürkertPlus, das Kunden den kompletten Produktlebenszyklus begleitet.

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