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In den Hallen der Meyer Werft Papenburg werden die Teile der Kreuzfaht-Schiffe zusammengebaut.
Großes Schweißportal und kleine Steuerung
Per Nahtsensor werden während des automatisierten Laser-Hybrid-Schweißens Daten kommuniziert, um den Aufsetzer exakt zu positionieren.
Die CNC-Steuerung ist ein offenes System, bei dem neue und erweiterte Funktionen ohne Hilfskonstruktionen möglich sind.

Die Maschine ist hallenfüllend: 40 m lang und 6 m hoch bringt sie eine Masse von 260 t auf den Boden. Die gigantische Laser-Hybrid-Schweißanlage steht bei der Meyer Werft in Papenburg. Sie schweißt Teile der berühmten Aida-Schiffe. Die Ansprüche der Werft an die Maschinen, die für die Produktion eines Kreuzfahrtschiffes benötigt werden, sind hoch. Die Schweißanlage ist mit einem 12-kW-CO2-Laser von Trumpf und einer 900 A MIG Stromquelle ausgestattet. „Durch diese Anlage wird die Anzahl der Verbindungsstellen über die Länge eines Schiffes reduziert und damit werden Kosten gespart“, verkündet der Maschinenbauer, Held Systems Deutschland aus Heusenstamm, nicht ohne Stolz. Mit in zentraler Funktion bei diesem Projekt dabei: Die IBH Automation Gesellschaft für Steuerungstechnik aus Kornwestheim. Von dort stammen die Steuerung der Schweißnahtverfolgung, das Management der Schnittstellen und die Dateninformationsübertragung.

Schweißen auf hohem Niveau

Dabei scheint die Aufgabe der Maschine auf den ersten Blick gar nicht so kompliziert. Auf liegende Panelbleche, die später im Innenbereich der Schiffe das Deck und die Zwischenwände bilden, werden zur Versteifung senkrecht stehende, sogenannte Aufsetzer, geschweißt. Bis zu 30 m sind die Versteifungsstücke lang, die mit dem Laser-Hybrid-Schweißverfahren verbunden werden. Im Schweißportal wird die Naht zwischen Aufsetzer und Panelblech selbstständig gesucht und verbunden. Sobald ein Aufsetzer verschweißt ist, wird das Panel zur nächsten Naht weitertransportiert. Nur bei Störungen – wenn beispielsweise der Spalt zu breit ist oder wenn Schmutz den Vorgang zu stören droht – muss der Bediener eingreifen. An die Güte der Schweißnaht werden auf der Werft hohe Anforderungen gestellt. Denn wenn das Blech das Schweißportal verlässt, wandert es weitgehend direkt an die Position im Schiff. Penibel überwachen Kameras und Sensoren deshalb den Fügeprozess.

CNC-integrierte Schweißnaht-Führung

Basis für die Lösung bildet dabei eine besondere Schweißnahtführung: „Wir sprechen von einer CNC-integrierten Schweißnahtführung“, erläutert Dr. Walter Schwabe, Geschäftsführender Gesellschafter der IBS Automation aus Chemnitz. Im Gegensatz zu bekannten technischen Lösungen zur Schweißnahtverfolgung, werden nicht die im Programm hinterlegten Positionen im Interpolator korrigiert, sondern es wird ein neues NC-Programm in der CNC automatisch generiert. In der Praxis kann die IBH-CNC-Steuerung 8005 NT mit CNC-integrierter Nahtführung Schweißbahnen mit einer Geschwindigkeit oberhalb von 10 m/min bei einem Bahnradius von 40 mm und einer Bahngenauigkeit von +50 µm generieren. Dies gelingt nur, wenn tief in das CNC-Betriebsystem eingegriffen wird. Als sogenannter Compile-Zyklus wird die Schweißnaht-Erkennung auf die CNC aufgesetzt. Als einer der wenigen Hersteller in Deutschland stellt IBH diese Schnittstelle zur Verfügung.

Bei Maschinenbauern ist diese Schnittstelle durchaus beliebt, lassen sich doch über sie leicht bestimmte Funktionen und eigene Software-Entwicklungen in C++ in die CNC-Software einbinden. Ohne über eine aufwändige Sondersoftware zu gehen, können über diese offene Tür für Zusatzfunktionen spezielle Kundenanforderungen vergleichsweise einfach realisiert werden. „Damit kann jeder OEM eigenes Know-how in die Steuerung einbringen“, verdeutlicht IBH-Geschäftsführer Roland Jaensch die Vorteile dieser offenen Strategie.

Neben der CNC-integrierten Schweißnaht-Führung wurde bei der Anlage auf der Werft eine Online-Nahtgeometriekontrolle eingesetzt. Über Profibus ist sie an die Steuerung angeschlossen. Der Informationsverkehr ist hoch, denn in beide Richtungen werden Datenpakete übertragen. Die Steuerung überträgt auch während der aktiven CNC-integrierten Schweißnaht-Führung Parameter zum Nahtsensor. „Somit werden Parameteränderungen ‚on-the-fly’ möglich“, erläutert Jaensch. Und Dr. Schwabe ergänzt: „Da der Nahtsensor neben der Position der definierten Schweißnaht wie Überlappstoß, I-Naht oder Kehlnaht auch weitere Daten wie Spalt oder Winkel der Kehlnaht übertragen kann, werden anwendungsspezifische Datenstrukturen kommuniziert.“

Achsen und Echtzeitkommunikation

Außerdem hat die Steuerung mehr als 30 Sercos-Achsen zu bewältigen. „Und wir mussten sehr viele Schnittstellen managen“, berichtet Jaensch. Wenn er dies fast beiläufig erwähnt, dann klingt das nach einer Selbstverständlichkeit. Tatsächlich aber bildet eine solche Anbindung fast ein eigenes Arbeitsfeld.

Die IBH-Techniker machten die Steuerung für weitere Anforderungen fit. Dazu gehört auch das Thema Kommunikation. Denn die Daten für die Maschine kommen direkt aus der Konstruktion. Vom dortigen CAD/CAM-System werden sie in NC-Programme überführt. „Die Anlage arbeitet sozusagen just in time“, verdeutlicht Jaensch den Ablauf. Sowohl an der Maschine direkt, wie auch in der Konstruktion steht ein Bedienfeld, das auch über den Fortgang des Prozesses Auskunft gibt. Auch nicht von jeder Steuerung ohne umständliche und unter Umständen störanfällige Verstärkungsmaßnahmen zu bewältigen: die gut 30 m, die in der Fertigungshalle der Werft zwischen Maschine und Konstruktionsbüro liegen. Die Kommunikation läuft ohne Verzögerung. „Wenn wir Echtzeit sagen, dann meinen wir das auch so“, bestätigt Jaensch.

Offenheit bietet Flexibilität für die Zukunft

Bei einem solchen Ansturm von Daten und Anforderungen bringt eine PC-basierte Steuerung kostengünstig viele Andockmöglichkeiten von Hause aus mit. Ob Ethernet, USB oder welcher Bus auch immer angeschlossen werden soll – bei einem echt offenen System müssen dafür keine Hilfskonstruktionen angestrengt werden. „Wir sind gut im Integrieren“, stellt Jaensch fest. Die Philosophie des offenen Systems ist für ihn bei dieser Laserschweißanlage wieder einmal „voll aufgegangen“.

In zwei Industrie-PCs ist die Steuerung untergebracht. Deren standardisierte Architektur erlaubt es dem Anwender, Features vom klassischen PC zu nutzen. So kann er beispielsweise die Datensicherung problemlos selbst vornehmen. Standardisierte Schnittstellen – wie Ethernet oder USB –, die im Consumer-Markt üblich sind, erlauben ein Datenhandling ohne Spezialkenntnisse. Die Steuerung lässt sich deshalb auch einfach in ein vorhandenes PC-Netzwerk einbinden. Sollte eventuell doch einmal ein Problem auftauchen – via Remote Control kann der IBH Service umgehend darauf reagieren. Der Anwender erhält somit eine weitreichende Produktionssicherheit.

Ein weiterer Nutzen offenbarte sich während der Inbetriebnahme: Die Dokumentation direkt auf der Maschine. So wurden gezielt Teile der Dokumentation als HTML und PDF ausgelesen und in die Visualisierung eingebunden. Der Bediener kann sich so schnell und mithilfe von gewohnten Browser-Funktionen (Such/Finden-Optionen) im Steuerungs-Bedienungs-Menü an der Maschine informieren, ohne lange dicke Handbücher wälzen zu müssen.

Zur Frage nach der Zukunftssicherheit der Steuerungen meint Jaensch: „Im Grunde altern die offenen CNCs nicht.“ Denn die technische Entwicklung bringe schnellere Prozessoren und verbesserte Arbeitsspeicher. Neuerungen könnten immer wieder als Upgrade zur Leistungsverbesserung einfließen.