Automating a robot cell welding process

Abstract

Today, the importance of sustainable and effective energy usage is rapidly growing. SWEP International AB leads the manufacturing of brazed plate heat exchangers that offer effective heating and cooling applications used in a wide range of systems and industries. In their manufacturing process, stud bolts are manually welded onto the heat exchanger surface. A project to fully automate this process using an industrial robot has already begun at SWEP to increase the process productivity, quality, and repeatability. First, the robot uses an attached touch probe to measure points on the surface and sides of a heat exchanger to calculate a center reference point and account for any inclination. Then, the robot uses an attached weld gun to weld stud bolts onto the surface. The purpose of this bachelor thesis was to continue their project of creating a fully automated solution that will fully replace the manual bolt welding station in the future.
The first objective was to study their existing semi-automated solution and perform quality analysis by testing different amounts of current, weld time duration, and shielding gas flow. A bend test, torque test, and visual inspection were then performed to understand how each weld parameter affects the weld result. From this, a suitable set of parameter values were determined.
The positional accuracy of two different methods for calculating the center reference point was then measured. In these accuracy tests, it was seen that the tolerances were not being met. Improvements were made to both methods to increase their accuracy. Lastly, it was concluded which method should be used in the automated welding process.
The welding unit that supplies the current and gas flow was then set up to measure and monitor the welding parameters to create a fail-safe system that stops the process if any parameter is measured outside its tolerance.
A control structure was then implemented to operate the original robot program via PROFINET (industry standard for data communication over Industrial Ethernet). A programmable logic controller (PLC) and Human-Machine-Interface (HMI) were programmed in Siemens TIA Portal, and additions were made to the robot program in ABB RobotStudio. This created an automated solution for the bolt welding process where the HMI can be used to create a work order, create different bolt configuration recipes, control the program flow, and monitor the process.
Finally, ideas were presented on how SWEP can further improve the positional accuracy, as well as ideas for future work to create a fully automated solution that is ready to replace the manual welding process used today in their production process.

Abstract (Swedish)

Idag fortsätter vikten av hållbar och effektiv energianvändning att växa. SWEP International AB leder utvecklingen och tillverkningen av lödda plattvärmeväxlare, som erbjuder en av de mest effektiva lösningarna för värme- och kylapplikationer till en bred mängd av olika system och industrier. I deras tillverkningsprocess svetsas bultar fast manuellt på värmeväxlarens yta och ett projekt med mål att helt automatisera denna process med hjälp av en industrirobot har påbörjats på SWEP, för ökad produktivitet, kvalitet och repeterbarhet. Denna robot använder först en kontaktbaserad mätprob för att mäta punkter på ytan samt sidorna av en värmeväxlare. Detta görs för att beräkna värmeväxlarens mittpunkt med hänsyn till eventuell lutning av värmeväxlaren eller dess underlag. Roboten använder sedan en ansluten svetspistol för att svetsa fast bultar på värmeväxlarens yta. Syftet med detta examensarbete var att fortsätta arbetet i deras projekt med att skapa en helautomatiserad lösning som i framtiden kan ersätta den manuella svetsprocessen.
Det första uppdraget var att studera deras befintliga halvautomatiska lösning samt utföra kvalitetsanalys på denna lösning. Denna analys genomfördes genom att testa olika värden av ström, svetstid och gasflöde. Sedan utfördes ett böjtest, vridmomenttest och visuell inspektion för att förstå hur varje parameter påverkar svetsresultatet. Utifrån detta bestämdes en lämplig uppsättning av parametervärden.
Därefter mättes noggrannheten i positioneringen av bultarna, där det fanns två olika algoritmer som beräknar mittpunkten av värmeväxlaren. I dessa noggrannhetstester konstaterades det att toleranserna inte var uppfyllda. Förbättringar gjordes till de två algoritmerna för att öka deras noggrannhet. Slutligen bestämdes vilken av de två metoderna som bör användas i den automatiserade svetsprocessen.
Svetsenheten som levererar ström och gasflöde till processen konfigurerades sedan till att mäta och övervaka dess svetsparametrar för att skapa ett säkert system som stoppar processen om någon parameter blir uppmätt utanför dess tolerans.
En kontrollstruktur implementerades sedan till att styra det ursprungliga robotprogrammet via PROFINET (branschstandard för datakommunikation över industriell Ethernet). Ett programmerbart styrsystem (PLC) och ett människa-maskingränssnitt (HMI) programmerades i Siemens TIA Portal och robotprogrammet i ABB RobotStudio vidareutvecklades. Detta skapade en automatiserad lösning för bultsvetsprocessen där gränssnittet kan användas för att initiera en ny arbetsorder, skapa olika recept med bultkonfigurationer, styra programflödet och övervaka processen.
Slutligen presenterades idéer om hur SWEP ytterligare kan förbättra positionsnoggrannheten, samt idéer för framtida arbete med att skapa en helautomatiserad lösning som är redo att ersätta den manuella svetsprocess som används idag i deras produktion.

• author: Ljunglöv, Elias
• supervisor: Anders Robertsson; Ramesh Saagi
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEL05 20221
• year: 2022
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Technology and Engineering
• keywords: stud bolt welding quality, accuracy in automated welds, welding unit fail-safe, brazed plate heat exchangers, programmable logic controller, human-machine interface
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 3115
• language: English
• id: 9092903
• date added to LUP: 2022-06-28 11:18:09
• date last changed: 2022-06-28 11:18:09