Robotik und Sensorik
Roboter
Die Nachahmung menschlicher Fähigkeiten durch mechanische Einheiten war immer ein Interesse der Ingenierwissenschaften. Die fortschreitende Entwicklung der Feinmechanik im 18. Jahrhundert und die damit verbundenen Fertigungsmöglichkeiten trugen dazu bei, daß immer wieder Versuche unternommen wurden, Roboter und Androiden zu entwerfen. Eines der bekanntesten Beispiele ist der "Schriftsteller" von Pierre Jaquet-Droz. Er ist einer von drei Androiden, der mit einer Nockensteuerung ausgestattet in der Lage ist, über eine im Arm untergebrachte Kinematik, Texte bis zu 40 Zeichen Länge zu schreiben.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Roboter überwiegend als technisches Kuriosum zur Schau gestellt, wie z.B. der Roboter Sabor II. Er konnte als einer der ersten Roboter durch Funkbefehle gesteuert seine Gliedmaßen bewegen und mit Hilfe eines eingebauten Plattenspielers sprechen.
Industrielle Anwendung fanden Roboter erst durch den Einsatz von programmierbaren Steuerungen. 1954 meldete George C. Devol ein Patent für einen programmierbaren Manipulator an. Zusammen mit Joseph Engelberger entwickelte er im Jahr 1959 auf der Basis einer Marktstudie den ersten funktionstüchtigen Prototypen eines Industrieroboters.
Moderne Roboteranlagen für den Einsatz in der Schweißtechnik werden üblicherweise in 6-Achs-Knickarmbauweise ausgeführt. Programmierbare Steuerungen sind in der Lage komplexe Bearbeitungsaufgaben zu verarbeiten und mit einer Vielzahl von Peripheriegeräten zu kommunizieren. Externe Positionierachsen, Spanneinrichtungen, automatische Brennerreinigung, Schutzeinrichtungen und Sensoren zur Kontrolle des Schweißprozesses machen den Roboter zu einem flexiblen und leistungsfähigen Fertigungsmittel.
Sensoren
Beim automatisierten Schweißen werden Sensoren in diversen Bereichen eingesetzt. Toleranzbehaftete Bauteile und thermisch bedingter Bauteilverzug erfordern eine Kompensation der Bahnabweichungen durch Sensoren. Weiterhin werden Sensoren zur Vereinfachung der Programmierung, Prozeßüberwachung und Regelung der Schweißparameter eingesetzt. Um den vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, nutzen die Sensoren unterschiedliche physikalische Prinzipien zur Signalgewinnung. Grundsätzlich lassen sich Sensoren in folgende Kategorien einteilen.
Die Integration verschiedener Sensorprinzipien mit digitalen Auswertemethoden eröffnen ein großes Leistungspektrum der Sensorik. Intelligente Steuerungen können die Nachteile einiger Sensoren kompensieren und deren Einsatzgebiet erweitern sowie deren Präzision steigern.
Entwicklungen
Der Einsatz berührender und berührungslos arbeitender Sensoren ist mittlerweile industrieller Standard geworden. Bedingt durch physikalische Einsatzgrenzen dieser Systeme werden die zu diesen Prinzipien zählende Sensoren jedoch nur eingeschränkt verwendet.
Der Lichtbogensensor hat als ein primäre Prozeßgrößen auswertender Sensor den Vorteil, ohne konstruktive Veränderungen des Brenners nachlauffehlerfrei den Prozeß zu beobachten. Seit den 70er Jahren ist der Lichtbogensensor ein Forschungsschwerpunkt am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik. Sein Prinzip beruht auf einer Stromstärkenänderung, die durch eine Widerstandsänderung der leitenden Strecke zwischen Kontaktrohr und Lichtbogenfußpunkt verursacht wird.
Beim UP-Doppeldrahtschweißen hat der Lichtbogensensor zur Schweißkopfführung bei gleichzeitiger Orientierungsanpassung Anwendung gefunden.
Lichtbogensensoren beim Metall-Schutzgasschweißen sind in der Lage entweder eine Korrektur des Bahnverlaufs bei einer gleichzeitigen Orientierungsanpassung des Brenners, eine Füllgradregelung oder eine Eckenerkennung zu realisieren.
Mit dem am ISF entwickelten Brenner mit schnell kreisförmig ausgelenkter Drahtelektrode wird durch eine Unterdrückung des inneren Selbstausgleichs eine deutliche Verbesserung der Signalamplitude erreicht. Zusammen mit der erweiterten Signalerfassung aufgrund der Brennerkinematik ist die Integration der einzelnen Sensormodule zu einem Lichtbogensensorsystem möglich.
Durch eine Zuordung des Schweißparameterfeldes zum Kontaktrohrabstand ist eine Vereinfachung in der Handhabung der Lichtbogensensorsysteme gelungen. Ausgehend von dieser Entwicklung kann ein Sensorsystem entwickelt werden, daß selbsteinstellend optimale Regelparameter findet.
Auch im Bereich des Hochleistungsschweißens ist der Einsatz von Sensoren zur exakten Positionierung notwendig, um durch hohe Schweißvorschubgeschwindigkeiten auftretende Bahntoleranzen zu kompensieren.
Optische Sensoren waren bisher durch hohe Investitionskosten, umfangreiche Anbauten und aufwendige Datenaufbereitungsverfahren nur in einzelnen Bereichen der Schweißtechnik sinnvoll einzusetzen. Die fortschreitende Entwicklung im Bereich der optischen Medien und steigende Rechnerkapazität haben eine Verbesserung optischer Sensoren bei gleichzeitiger Kostenminimierung zur Folge. Die vielfältige Einsatzmöglichkeit und der hohe Informationsgehalt optischer Auswerteverfahren machen die optische Analyse zu einem zukunftsorientiertem Sensorprinzip.
Gerätetechnische Ausstattung
Dem Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik stehen folgende Anlagen zur Bearbeitung von Forschungsprojekten zur Verfügung.
Zwei komlette Bearbeitungsstationen zum Schweißen und Schneiden mit einem Orbital Dreh-/Kipptisch in Standard und Doppelständerbauweise und je einem 6 Achs-Knickarmroboter der Firma Cloos.
Diverse Stromquellen unterschiedlicher Hersteller zum Schweißen und Schneiden.
Alle zur Erfassung des Schweißprozesses erforderlichen Meßinstrumentarien (Transientenrecorder, Hochgeschwindigkeitskamera, etc.)
Die wissenschaftliche Arbeit wird unterstützt durch die Fachkenntnis der Softwareabteilung, einer Mechanischen Werkstatt und einer Elektro-Werkstatt.