Lasrobots opereren steeds zelfstandiger

De kwaliteit van het laswerk is hoog, consistent en verbetert continu

Robotlassen is een in de loop van de jaren tachtig ontwikkelde productietechniek waarbij de lastoorts wordt aangestuurd middels een robot. Deze is in staat zonder menselijke tussenkomst laswerkzaamheden snel en nauwkeurig uit te voeren. Behalve dat de lasrobots en de bijbehorende technieken steeds slimmer worden, vertonen de kosten al jaren een dalende lijn. Niet zo vreemd dus dat steeds meer bedrijven overgaan tot implementatie.

Evidente voordelen

Er zijn diverse vormen van gerobotiseerd lassen in gebruik. De belangrijkste zijn TIG-, MIG- en MAG-lassen, laser- en plasmalassen. Vooralsnog wordt in circa 80% van de gevallen MIG/MAG-lassen gebruikt omdat daarbij geen voorbehandeling nodig is, de techniek in alle posities kan worden toegepast en deze bovendien goed te automatiseren valt.

Momenteel wordt 20% van alle industriële robots ingezet voor lasdoeleinden

De kwaliteit van het laswerk is in alle gevallen hoog, consistent en verbetert nog continu. Tel daar nog de verkorte productietijd en dus de lagere productiekosten bij op, en de voordelen zijn evident (zie ook kader). Momenteel wordt 20% van alle industriële robots ingezet voor lasdoeleinden. Dat gebeurt in uiteenlopende sectoren, variërend van de voedingsmiddelen-, de verpakkings- en de auto-industrie tot de machine- en apparatenbouw en de montage- en installatietechniek. Doordat de kosten gaandeweg significant zijn gedaald, gaan steeds meer bedrijven over tot de inzet van lasrobots.

Voor- en nadelen robotlassen
Voordelen:
- door het gebruik van robots voor ‘routine’klussen is de professional inzetbaar voor complexe(re) werkzaamheden;
- robots werken sneller dan de mens en bovendien non-stop. De cyclustijd is daardoor korter, de dagelijkse productie hoger;
- van de gevaren verbonden aan het lasproces − hitte, vonken, intens licht en gevaarlijke dampen – ondervindt de lasrobot geen hinder;
- door de efficiënte manier van werken wordt verspilling van materialen (bijvoorbeeld lasdraad) en (bescherm)gas voorkomen wat een aanzienlijke kostenbesparing oplevert.

Nadelen:
- hoge initiële aanschafkosten;
- het werken met lasrobots vergt bijkomende opleiding(en);
- elk proces vergt een eigen programma;
- het kan soms lang duren tot de juiste inrichting van de programmatuur is gevonden (vaak een kwestie van ‘trial and error’).

Complexiteit

Een lasrobot is een ingenieuze combinatie van robotica, sensortechnologie, regelsystemen en kunstmatige intelligentie die in staat is om precies, flexibel en snel te werken. De twee hoofdonderdelen zijn de manipulator, als mechanische eenheid, en de controller die te beschouwen is als het brein van de robot. In combinatie met kunstmatige of artificiële intelligentie (kortweg AI) of middels een zelflerend expertprogramma, is een robot in staat steeds zelfstandiger te functioneren.

De complexiteit van het systeem is terug te voeren tot de complexiteit van de daarvoor benodigde programma’s. Die wordt met name zichtbaar bij kleine productieaantallen van hoogwaardige producten − 'high mix, low volume' − waarbij voor elk project een aparte programmeerstap nodig is. Mede om die reden wordt steeds vaker offline programmeren toegepast, omdat het programmeren dan buiten de productie om kan plaatsvinden.

Voor typische seriegroottes van enkele tientallen tot enkele honderden stuks zou het programmeren van een lasrobotsysteem te veel tijd in beslag nemen. In dat geval is een lascobot – 'collaboratieve robot' – een goed alternatief: deze is minder storingsgevoelig en geschikt voor zowel kleine als middelgrote oplagen.

Reikwijdte

De gebruikelijke lasrobot bestaat uit een arm met aan het uiteinde één of meerdere laselektroden. De arm is doorgaans in staat langs een zestal assen te bewegen, dan wel op basis van een lineair x-y-z-systeem. Enkele jaren geleden is daar een 7-assige variant bijgekomen. Het grote voordeel daarvan is dat de robot kan blijven stilstaan op de sokkel en toch zijdelings kan bewegen. Niet alleen wordt het daardoor mogelijk om 'om het hoekje' te lassen, ook neemt het werkbereik aan de binnencirkel van de robot toe. Bij een zogeheten handlingrobot wordt het te lassen werkstuk aan de robot bevestigd, die dan behalve voor het laswerk ook zorgt voor de aan- en afvoer van het materiaal.

Voor een goed functioneren van de robot moeten de lastaken voldoende zijn gespecificeerd, moet de aangesloten stroombron over voldoende vermogen beschikken en dient uiteraard de juiste lastoorts te zijn gemonteerd. De reikwijdte van de lasrobot is daarbij bepalend voor de grootte van het laswerkstuk. De meeste standaard lasrobots voeren de voorgeprogrammeerde handelingen exact uit. Sensoren maken het daarbij mogelijk acties realtime bij te sturen, waardoor de nauwkeurigheid verder toeneemt. Behalve het gebruik van de juiste apparatuur, is het ook en met name van belang voldoende tijd te investeren in het testen van de apparatuur en de training van de operators.

Innovaties

Lasrobots en de bijbehorende technieken worden steeds slimmer. Voorbeelden daarvan zijn onder meer:

• Een lasnaadvolgsysteem: een hightech systeem waarbij een sensor de lasnaad scant. De software vergelijkt de positie van de lastoorts met de geprogrammeerde baan, waarna zo nodig bijstelling volgt. Deze exacte positionering draagt bij aan een hoge, constante laskwaliteit.
• Machine vision: een vorm van automatische inspectie waarbij 2D- en 3D-camera’s dienst doen als de 'ogen' van de robot, en waarbij deze aan de hand van een scan wordt geprogrammeerd. Dit gebeurt op basis van machine learning (zie kader).
• Dankzij de inzet van Virtual Reality-technologie kunnen lasrobots tegenwoordig offline worden geprogrammeerd, zonder dat daarvoor programmeerkennis nodig is. Daarbij worden met behulp van camera’s zowel de lasposities als de stand van de toorts vastgelegd en omgezet in een programma voor de lasrobot.
• Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): een productieproces waarmee metalen onderdelen met behulp van een standaard lasrobot worden opgebouwd uit lasdraad. Deze vorm van 3D printen wordt steeds belangrijker en kan worden gebruikt voor het produceren van unieke stukken, kleine series of prototypen met een complexe (interne) geometrie of voor producten die uit meerdere materialen bestaan.

Machine learning (ML)
Machine learning is een vorm van kunstmatige intelligentie. Artificial Intelligence, kortweg AI, is een overkoepelende term voor systemen of machines die de menselijke intelligentie nabootsen. Machine learning is gericht op de bouw van systemen die kunnen leren van reeds verwerkte data of die in staat zijn data te gebruiken om zo tot betere prestaties te komen.
Voor machine learning worden in de regel globaal twee soorten algoritmen gebruikt: supervised learning en unsupervised learning, oftewel leren met en zonder toezicht. In het eerste geval vervult de gegevensbeheerder de rol van tussenpersoon. Hij/zij leert het algoritme als het ware welke conclusies dienen te worden getrokken. In het tweede geval leert de computer complexe processen en patronen te identificeren, zonder verdere menselijke tussenkomst.

Digitale toorts

De huidige generatie lasrobots is in toenemende mate zelflerend, in staat de te maken las te scannen en op basis daarvan zelf het lasprogramma te genereren. Behalve de mechanische eenheid, leveren fabrikanten tegenwoordig doorgaans ook speciale software die het mogelijk maakt om de meeste te lassen onderdelen in een 3D CAD-pakket te tekenen. Deze onderdelen worden vervolgens als basis gebruikt voor het programmeren van de lasrobot.

Lasrobots zijn geen 'banenkillers'

Door met een digitale lastoorts als het ware langs het werkstuk te gaan, wordt voor elke las het lasproces, de snelheid en de beste hoek en richting vastgesteld. Voorts zijn er lasrobots die zijn uitgevoerd met draaitafels, zodat er bij elke las een optimale positie kan worden gekozen. Ook stroomsterkte en amperage worden daar al ingesteld. Dit betekent dat de robot gewoon doorwerkt, terwijl het daaropvolgende programma al in voorbereiding is. Omdat de huidige generatie lasrobots doorgaans in staat is zelf het te lassen product te zoeken, hoeft het inspannen van het werkstuk niet langer op de millimeter nauwkeurig plaats te vinden.

Opmars

De opmars van lasrobots is inmiddels een gegeven. De kwaliteit van het laswerk is als gezegd hoog, consistent en verbetert per lichting. Dankzij digitalisering en softwareontwikkeling sluiten lasrobots bovendien steeds beter aan bij de trend van 'high mix, low volume'. De angst dat robots gaandeweg de werkzaamheden van de mens zullen overnemen, is daarbij slechts ten dele gegrond.

Allereerst is er de stijgende vraag naar programmeurs. Uiteraard dienen die te beschikken over de nodige kennis van het lasproces, om al tijdens het programmeren te kunnen anticiperen op de werkzaamheden die de lasrobot moet gaan verrichten. En dan is er nog de operator lasrobot. Van hem/haar wordt verwacht dat hij/zij in staat is de lasrobot te bedienen, hieraan aanpassingen kan aanbrengen en dat hij/zij deze opnieuw weet in te stellen. Tot het takenpakket behoren voorts nog het uitvoeren van kwaliteitscontroles, het schoonhouden van de werkplek en het verhelpen en – waar mogelijk – voorkomen van storingen. Ook zal het nodig zijn – en blijven − om op gezette tijden specifieke laswerkzaamheden handmatig uit te voeren.

Met dank aan: Kuka en Valk Welding