Automatiserad kaminproduktion 4.0: digital tvilling för svetsrobotar

Automatiserad svetsning av kaminer och fortsatt produktutveckling – detta är målet för företaget HASE Kaminofenbau GmbH från Trier. Den innovativa kamintillverkaren från sydvästra Tyskland lanserar en till två nya modeller varje år. Tack vare ett optimalt samspel mellan en digital tvilling och svetsrobotar från KUKA står HASE idag väl rustade för att hantera den ökande efterfrågan.

Automation ger gemytlig trivsel för allt fler: Efterfrågan på moderna kaminer ökar

Mysig värme, sprakande ved, glödande eld: En kamin representerar gemytlighet för fler och fler människor och är en självklar del i mångas vardagsrum. Därför ökar också efterfrågan stadigt hos kamintillverkaren HASE från Trier. Det familjeägda företaget grundades 1979 och tillverkar idag upp till 15 000 kaminer per år – och det snabbare och effektivare än tidigare tack vare automation. Och värt att notera: HASE tillverkar alla kaminer till 100 procent i sin anläggning i Rheinland-Pfalz med cirka 200 medarbetare. Förutom "Made in Germany" förlitar sig kaminspecialisten på innovativa tekniska lösningar; både genom att lansera nya kaminmodeller varje år, den egna smarta programvaran iQ för ren förbränning samt genom att automatisera produktionen med hjälp av robotar – och därmed effektivisera företagets processer. Gränssnittet mellan fysiska maskiner och digitala applikationer spelar en avgörande roll i detta.

På grund av en allt större brist på kvalificerade yrkessvetsare var det enda sättet att möta den kraftiga efterfrågeökningen på marknaden att automatisera vår produktion.

Florian Fischer, chef för produktionsutveckling på HASE

Tillgodose hög efterfrågan genom automatiserad produktion

Den ökande efterfrågan på moderna och rena kaminer innebar en rad utmaningar för det regionalt producerande företaget. "En kamin har dussintals svetsar – att svetsa dem alla manuellt tar mycket lång tid", förklarar Florian Fischer, chef för produktionsutvecklingen hos HASE. "Eftersom bristen på kvalificerade yrkessvetsare blev ett större och större problem, och våra produktionsanläggningar blivit äldre, var det enda sättet att möta den kraftiga efterfrågeökningen att automatisera vår produktion." Tack vare att robotarna nu tar över det krävande svetsandet av kaminerna, även på grund av värmeutvecklingen, kan medarbetarna koncentrera sig på sitt hantverk. Till exempel svetsning av brännkammardörrar där arbetsområdet ändå är för trångt för en svetsrobot.

Digital tvilling som en central del i svetsanläggningen

Målet med produktionslösningen var tydligt: Använda svetsrobotar i syfte att öka produktiviteten, säkerställa kvaliteten och samtidigt avlasta medarbetarna. Men HASE vore inte den innovativa kamintillverkare som HASE är känt för om företaget inte tänkte framtidsorienterat. "Målet var att bygga en toppmodern, flexibel robotanläggning, även för produktion av framtida ännu inte utvecklade modeller. Den nya anläggningen fick dock inte begränsa våra konstruktörers kreativitet eller orsaka nertider i produktionen", berättar Florian Fischer. "Därför spelar även den digitala tvillingen en avgörande roll."

Hos HASE Kaminofenbau i Trier möts traditionellt hantverk och innovativ automation.

Eftersom HASE har förlitat sig på KUKA:s robotar i 20 år föll valet på den ledande leverantören av intelligent robotteknik även för detta projekt. Det som lockade till samarbetet var inte bara möjligheten att använda KUKA-hårdvara i form av två KUKA-robotar av typen KR CYBERTECH nano ARC HW, en KUKA-linjärenhet av typen KL250-3 samt en lägesställare. Det var främst programvaran KUKA.Sim och dess samspel med den digitala tvillingen som blev en game changer för HASE. Simuleringsprogramvaran ger en verklighetstrogen bild av robotapplikationen och det innan den fysiska anläggningen tagits i drift. Rörelsesekvenserna som programmerats för roboten offline avbildas i realtid och cykeltiderna kan analyseras och optimeras. Och med KUKA.Sim ArcWelding AddOn kan även de automatiska svetsapplikationerna simuleras. Det går till exempel att definiera framkörningspositioner eller den optimala inriktningen som robotarna ska ha under svetsprocessen.

Snabbare programmering av kaminmodeller offline

"Alla svets- och rörelsesekvenser som våra båda robotar ska utföra på linjärenheten simulerar vi i förväg med hjälp av KUKA.Sim, helt oberoende av den fysiska anläggningen", berättar HASE-programmeraren Martin Altmeier. "Tack vare det kan vi programmera ett kaminprogram offline på bara två timmar med hjälp av den digitala tvillingen. Om vi gjorde det online skulle vi behöva ta anläggningen ur drift i två veckor. Detta visar: Utan offlineprogrammering med simuleringsprogramvaran skulle vår produktion och utveckling av nya modeller inte gå så snabbt och enkelt."

De båda svetsrobotarna KR CYBERTECH nano ARC svetsar komponenternas fogar på linjärskenan.

Även konstruktörernas design av nya kaminmodeller kan jämföras med den fysiska verkligheten under prototypfasen med KUKA.Sim och det på ett mycket tidigt stadium. Med hjälp av den digitala tvillingen kan HASE simulera sina svetsprocesser ett till ett och konstruktörerna får en identisk avbildning av den senare produktionsprocessen. HASE kan alltså testa svetsprocesser för nya kaminer med den digitala tvillingen och sedan skapa svetsprogram till robotcellen baserat på denna simulering.

Automation möter flexibilitet

När programmet för en kaminmodell är färdigt kan robotarna direkt börja producera. Maskinoperatören placerar kaminen i anläggningen med hjälp av en lyftanordning och startar programmet. Lägesställaren lyfter den häftsvetsade kaminen, som väger mellan 20 och 100 kg, beroende på modell, till önskad position. På linjärskenan svetsar de båda svetsrobotarna KR CYBERTECH nano ARC – som är anslutna till två TPS 500i Fronius-strömkällor – automatiskt komponenternas fogar i föreskriven ordningsföljd. "I den föregående simuleringen ser vi vilken robot som bör utföra vilken svetsfog och vid vilken tidpunkt", förklarar programmeraren Martin Altmeier, "så att vi inte får några deformationer, så att fogarna blir täta och optimal cykeltid kan uppnås."

Tack vare den digitala tvillingen får konstruktörerna en identisk avbildning av produktionsprocessen redan under prototypfasen.

Risken för fel reduceras till ett minimum

Ytterligare en fördel: Genom att använda olika användarnivåer med tydliga rollprofiler, t.ex. en nivå för operatörer, har HASE minskat risken för fel orsakade av manövreringsfel nästan till noll. Dessutom sparas alla aktuella program i KUKA-programvaran. Så även om ett fel uppstår kan alla data återställas omedelbart. "Vi ville koppla ihop den virtuella världen på ett optimalt sätt med den fysiska verkligheten", berättar Bernd von der Bank, som arbetar på KUKA:s långvariga systempartner Paul von der Bank GmbH, när han beskriver sin avsikt med projektet. "Oavsett om jag gör en anpassning i anläggningen eller i simuleringen så uppdateras båda systemen parallellt. Det faktum att simuleringen överensstämmer så väl med den fysiska anläggningen är unikt på automationsmarknaden."

Kaminproffsen hos HASE, automationsexperterna hos KUKA och systempartnern Paul von der Bank GmbH arbetar här sida vid sida.

KUKA:s applikationer ger 100 % överensstämmelse mellan den virtuella och verkliga styrningen

Med ett tydligt mål i sikte, att KUKA.Sim och svetsrobotarna skulle samverka optimalt, utvecklade HASE, integratören Paul von der Bank GmbH och KUKA Customer Service tillsammans programvaran tills den skräddarsydda lösningen var klar. Det var framför allt HASE:s expertis som var avgörande för det lyckade slutresultatet. "Utmaningen med elsvetsning är att den virtuella världen inte har några toleranser", förklarar Bernd von der Bank. "Men det har fogningsteknik i den fysiska verkligheten."

Den skräddarsydda automationslösningen gör det möjligt för HASE att tillverka vitt skilda kaminmodeller.

Modulär programvaruarkitektur uppfyllde kundens önskemål

För att simuleringen av svetsfogarna och svetsparametrarna skulle överensstämma ett till ett med robotstyrningens arbete och "inlärningen i efterhand" skulle bli så begränsad som möjligt, anpassades KUKA.Sim till HASE:s krav gemensamt av projektets tre deltagare. Den moduluppbyggda programvaruarkitekturen var en förutsättning för detta! En viktig fördel: Nästan 100 % konsistenta driftdata så att den virtuella och fysiska styrningen arbetar med exakt samma data. På detta sätt lägger KUKA.Sim grunden för en virtuell idrifttagning.

Tack vare den moduluppbyggda produktarkitekturen kunde programvaran anpassas exakt till HASE:s kravspec.

Ökad produktivitet med avancerad robotanläggning

Tack vare den optimala interaktionen mellan den digitala tvillingen och robotarna kunde HASE minska svetstiden per kamin från 45 minuter till 15 minuter. Tack vare den goda erfarenheten med den första anläggningen har HASE byggt ytterligare en anläggning, som är identisk med den första. Som ett resultat har arbetstiden som krävs för programmering och styrning kunnat reduceras. De två nya systemen ersätter fem av företagets tidigare system. Detta har inneburit en avsevärd utrymmesvinst i produktionsmiljön!

Hög precision och effektivitet: Tack vare den optimala interaktionen mellan den digitala tvillingen och robotarna kunde svetstiden per kamin reduceras från 45 till 15 minuter.

Offline kan vi programmera ett kaminprogram på bara två timmar med den digitala tvillingen. Om vi gjorde det online skulle vi behöva ta anläggningen ur drift i två veckor.

Martin Altmeier, programmerare hos HASE Kaminofenbau GmbH

Kamintillverkaren kan nu producera upp till 25 000 kaminer per år, jämfört med maximalt 15 000 tidigare. "Dessa två avancerade robotanläggningar är den största svetstekniska innovation vi varit delaktiga i", sammanfattar Florian Fischer. "Det svåraste med automation är att ta fram en lösning som täcker en så bred produktportfölj som möjligt. Tillsammans med KUKA och Paul von der Bank GmbH fann vi en lösning på denna utmaning." Hemligheten bakom projektets framgång ligger även i det gemensamma arbetet: KUKA erbjöd HASE ett allroundpaket och utvecklade en skräddarsydd lösning tillsammans med kunden och systempartnern på plats.

Automation som möjlighet

Med tanke på den ökande bristen på kvalificerad arbetskraft ser även HASE:s anställda automationslösningen som ett sätt att säkra sina arbetsplatser liksom arbetsgivarens fortlevnad – inte som ett hot mot sina jobb. HASE vill fortsätta på den inslagna vägen med ett jordnära hantverk kombinerat med innovativ automation. Företaget arbetar redan tillsammans med KUKA på koncept för automatiserad kantning och lackering samt svetsning av komponenter. Målet är att kunna utveckla många fler moderna, rena kaminer – för ännu mer sprakande trivsel i människors vardagsrum.