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Schweißroboter, eigentlich "Schweißzangenroboter", werden weltweit zum Schweißen von Chassis-Teilen in den Produktionslinien der Automobilindustrie verwendet.
Mit Blick auf die ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich Leistung, Genauigkeit, Platzeinsparung und Komplexität in der Industrie, müssen Roboter und Schweißzangen schneller, leichter und genauer werden.
Zur Erinnerung: die Schweißzange mit einem Eigengewicht von rund 60 bis 70 kg befindet sich am Ende des Roboterarmes und muss spezifische Positionen am Chassis genau anfahren.

Und während der Roboter selbst durch elektrische Servomotoren angetrieben wird, betätigt man traditionell die Schweißzange über einen servo-pneumatischen Aktuator, der einen Pneumatikzylinder enthält.

Aus verschiedenen Gründen wird jedoch der Ruf nach "Druckluft-freier" Produktion oder zumindest nach einer stark eingeschränkten Druckluftnutzung immer lauter.

Als Primärargument geht logischerweise die mangelnde Energieeffizienz vorweg. In Studien z.B. der Universität Kassel wird ein Systemwirkungsgrad von nur 10% benannt, bezogen auf den Aufwand an elektrischer Energie.
Leckage-Minimierung und Wärmerückgewinnung ändern dort noch nicht viel. Zentraler Punkt ist und bleibt die doppelte Umwandlung von elektrischer Energie in Druckluft und wieder in mechanische Energie bei Arbeits- und Betätigungsvorgängen. In diesem Kontext wird z.B. der BMV zitiert, der von Einsparmöglichkeiten in Höhe von 20-40% des Energieverbrauchs für Druckluftanwendungen in der Industrie bis zum Jahr 2020 spricht. Um eine Vorstellung der Größenordnung zu erhalten, wird eine Zahl von 4,7 Milliarden kWh genannt.

Als weiteren Grund lässt sich der Mangel an Kontrollierbarkeit oder Positionsgenauigkeit anführen. "100% genau" ist eine pneumatische Betätigungseinheit nur an den beiden Endlagepunkten, wenn der Zylinder leer oder komplett gefüllt ist. Jede Zwischenposition muss zwangsläufig durch die Komprimierbarkeit des Mediums unter Genauigkeitsverlust leiden.

Als dritten Grund dürfen, speziell was Schweißzangen angeht, die Massenverzögerungen benannt werden. Denn auch wenn der Pneumatik-Stellzylinder an sich leicht ist, muss an Robotern letztlich seine Peripherie in Form der Druckluftzuführung, evtl. Druckminderer, Regler, Sensoren, etc. "mitgeschleppt" und kompensiert werden, so beim Beginn als auch am Ende der Bewegung. Selbst wenn es nur um Sekundenbruchteile geht, entsteht hinreichend Totzeit, die den Takt belastet.
Mitgeschleppte Massen wirken wiederum auf vorgenannte Gründe in Positionierungsgenauigkeit und Energie-verbrauch.

Zuletzt sei als vierter Grund noch die Einschränkung in der Flexibilität aufgeführt. Je mehr Versorgungsleitungen ein Roboter führen muss, desto stärker wird sein Bewegungsraum eingeschränkt.

Eine seit Jahren bekannte Alternative wäre die servo-elektrische Betätigung der Schweißzange, allerdings wurden dieser Option als Nachteile die höheren Investitionskosten und vielfach der Mangel an Stellkraft vorgehalten, wenn die Baugröße in etwa gleich zum Pneumatik-Zylinder sein soll.

Die höheren Investitionskosten des servo-elektrischen Systems lassen sich nicht wegdiskutieren, doch in einer Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung wären sie schnell amortisiert durch die Energieeinsparung und die zusätzlichen Vorteile in Prozesssicherheit, Geschwindigkeitsgewinn und Wartungsarmut.

Was darüber hinaus den Faktor "Stellkraft" angeht: Vielfach wird bei der Umsetzung eines rotativen Elektroan-triebes in Linearbewegung an klassische Kugelumlaufspindeln gedacht. Bei dieser Bauform liegt die Kritik jedoch in der relativ geringen Belastbarkeit, der Lärmemission, Vibrationen und geringerer Lebensdauer.

Geht man mit dem Konstruktionsprinzip über auf z.B. Rollengewindespindeln, die Exlar als Grundlage seiner Linearantriebe verwendet, sind drei Vorteile im Vergleich zu Kugelumlaufspindeln unmittelbar zu erkennen:
1.    Auf gleicher Längeneinheit liegen weitaus mehr Kontaktpunkte zwischen Rolle und Gewindespindel. Dadurch werden Lasten erheblich besser abgetragen und die Reibung verringert, was wiederum die Lebensdauer erhöht.
2.    Während Kugeln im Umlauf mehrfach die Richtung wechseln und sogar gegeneinander laufen, bleiben die Rollen immer positioniert und synchron mit der Spindel. Damit lassen sich höhere Umdrehungszahlen und Lineargeschwindigkeiten erreichen und Energieverluste reduzieren.
3.    Dadurch, dass eben keine Kugeln "umlaufen" entstehen weitaus weniger Vibrationen und Lärmemissionen.

Im nächsten Schritt werden Motor und Spindel kompakt in ein Gehäuse integriert. Statt klassischen Kupplungen oder Riementrieb/Getriebe nutzt Exlar das sogenannte "Inverted Design", in dem die Planetenrollengewindeeinheit in einem geschliffenen Hohlzylinder läuft.

Der Hohlzylinder wird direkt als Rotor des Servomotors verwendet und hält die formangepassten Neodym Eisen Bor Magneten.

Diese Auslegung verfügt über höchste Energiedichte, außerordentliche Hitzefestigkeit und ein geringes Rastmoment. Der spezielle Aufbau des Stators (T-Lam) bietet ein sehr kompaktes und effizientes Design mit 80-prozentiger Platz-Ausnutzung, minimalen Verlusten in den Rändern und einer Isolationsklasse von 180 (H).

Insofern unterscheidet Exlar nicht mehr zwischen der Mechanik des Rollengewindes und der des Motors.

Die daraus resultierenden Vorteile sind:
1.    die hohe Lebensdauer des Rollengewindes
2.    die Steuerbarkeit eines Servoantriebes
3.    die Kompaktheit einer integrierten Lösung mit weniger Bauteilen.

Im Detail:
1. Lebensdauer
Vergleiche zeigen, dass Rollengewinde durch die andere Art der Lastaufnahme gegenüber Kugelumlaufspindeln die ca. 15-fache Lebensdauer aufweisen.
In Schweißzangenanwendungen, die typischerweise auf rund 15 Mio. Schweißpunkte veranschlagt werden, benötigen Lösungen mit Exlar-Aktuatoren im Normalfall keine Wartung oder Überarbeitung!

2. Andruck-Wiederholbarkeit
Eine wesentliche Forderung an jeglichen Aktuator einer Schweißzange ist, dass der Anpressdruck bei jedem Schweißpunkt möglichst gleich sein soll.
Hier setzte früher Kritik an, weil sich speziell in der "Aufwärm-Phase" des Motors die Charakteristik eines elektro-mechanischen Aktuators ändert.
Für Exlar-Aktuatoren ist diese Problematik keine Herausforderung,  weil sich die Andruckkraft eines GSX40 Aktuators für Schweißzangen in einer Breite von 0,75 % oder 50 N um die nominale Andruckvorgabe bei Umgebungstemperatur von 40 °C bewegt.
Damit sind gleichmäßige und verlässliche Schweißpunkte über den gesamten Produktionszyklus hin garantiert.

3. Integration
Ausgehend von der kompakten und modularen Bauform verfügt Exlar über die kürzesten Aktuatoren im Markt, die darüber hinaus mit zusätzlichen Eigenschaften ergänzt werden können, so z.B. mit elektrischer Bremse oder Druckmesszellen, um Kräfte unmittelbar am Druckpunkt zu messen.

Außerdem benötigen diese Systeme keine eigenständige Kühlung, die Umgebungsluft reicht zur Wärmeabfuhr aus. Ein weiterer Punkt, der den Roboter entlastet und die Systemeffizienz erhöht.

Fazit:
Viele namhafte Roboterhersteller haben bereits Exlar-Aktuatoren für Schweißzangen im Angebot.

Durch die schiere Größe der weltweiten Fahrzeugproduktion und der Erfordernis, auch in der Produktion massiv Ressourcen und Energie zu sparen, liegt hier noch ein weites Feld zur Umrüstung und zur "Druckluft-freien Produktion".

Erfordernisse, die unschwer vom Schweißen auf andere Fertigungsarten wie Clinchen, Stanzen, Pressen und Biegen, aber auch auf andere Aufgaben wie z.B. Dosieren über Farbkartuschen in Lackieranlagen, selbst mit Ex-Schutz, übertragen werden können.

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