工業(yè) 4.0 時代壁爐生產的自動化技術：焊接機器人的數字孿生技術

實現毛坯爐的自動化焊接并同時覆蓋多樣化產品組合 – 這是德國特里爾 HASE Kaminofenbau 公司的目標。這家來自德國西南部的創(chuàng)新型壁爐制造商每年向市場推出一到兩款新產品。得益于 KUKA 的數字孿生和焊接機器人的完美協(xié)同，HASE 如今能夠輕松應對日益增長的市場需求。

自動化技術賦能舒適生活：現代壁爐引領家居新趨勢

舒適的暖意、噼啪作響的柴火、熊熊燃燒的火焰：對越來越多人而言，壁爐象征著純粹的舒適感，成為客廳中不可或缺的存在。這一趨勢使得位于特里爾的壁爐制造商 HASE 的市場需求持續(xù)攀升。這家成立于 1979 年的家族企業(yè)現年產量達 15,000 臺壁爐 - 自動化使其生產效率顯著提升。其獨特優(yōu)勢在于：所有壁爐均在 HASE 位于萊茵蘭-普法爾茨州的工廠生產，該工廠擁有約 200 名員工。除了 “Made in Germany” （德國制造）的品質加持外，這位壁爐專家還聚焦于創(chuàng)新技術解決方案 – 從年度新型號開發(fā)、智能燃燒軟件 iQ，到機器人生產自動化，全面提升工藝效率。在這一過程中，物理設備與數字應用之間的接口發(fā)揮著決定性作用。?

由于焊接專業(yè)人才日益短缺，我們唯有通過生產自動化才能從市場熱潮中獲益。

HASE 生產開發(fā)部經理 Florian Fischer 表示：

通過自動化生產滿足高需求

不斷增長的現代環(huán)保壁爐需求，給這家區(qū)域生產企業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。“一臺壁爐包含數十道焊縫，如果完全依賴手工焊接，將耗費大量時間。”，HASE 生產開發(fā)部經理 Florian Fischer 指出。“面對日益嚴峻的焊接專業(yè)人才短缺及設備老化挑戰(zhàn)，我們唯有通過生產自動化才能真正把握市場增長機遇。”通過讓機器人承擔毛坯爐的高要求焊接工作（包括考慮溫度變化的影響），員工可以專注于核心工藝。以壁爐燃燒室門的焊接為例，此類作業(yè)區(qū)域對焊接機器人而言空間過于狹窄，仍需人工操作。?

數字孿生：焊接設備的核心

這家制造企業(yè)的目標明確：通過焊接機器人提高生產效率、保障卓越品質，同時減輕員工負擔。作為創(chuàng)新型壁爐制造商，HASE 若不具備前瞻性思維，便不足以成為 HASE。“我們致力于打造一套高度靈活的現代化機器人系統(tǒng)，使其能夠應對未來尚未問世的爐型，既不影響設計師的設計自由度，也不會因此導致生產停擺”，Fischer 解釋道。“因此，數字孿生也發(fā)揮著決定性作用。”

在特里爾的 HASE Kaminofenbau 公司，傳統(tǒng)手工藝與創(chuàng)新自動化技術實現了深度融合。

基于 20 年對 KUKA 機器人的信任，HASE 在最新項目中依然選擇了這家行業(yè)領先的智能機器人技術供應商。此次合作的顯著優(yōu)勢不僅體現在可以使用 KUKA 硬件 - 包括兩臺 KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW、KUKA KL250-3 直線導軌和變位機。對 HASE 而言，真正的變革在于其與 KUKA.Sim 軟件及數字孿生的協(xié)同效應。仿真軟件能讓機器人應用在虛擬環(huán)境中提前“活”起來 – 甚至在設備投產之前。離線編程的機器人運動流程通過實時映射進行呈現，并針對其節(jié)拍時間進行分析和優(yōu)化。此外，KUKA.Sim ArcWelding AddOn 還可對自動焊接應用進行仿真。例如，可通過該插件定義焊接流程中機器人的接近位置或最佳姿態(tài)。

離線編程加速爐型開發(fā)

“我們利用 KUKA.Sim 軟件，在完全獨立于實體設備的環(huán)境中對兩臺機器人在直線導軌上的所有焊接工序和運動軌跡進行預先仿真”，HASE 程序員 Martin Altmeier 說道。“借助數字孿生技術，我們在離線環(huán)境下僅需兩小時即可完成壁爐程序編程。而在線操作則需讓設備停產兩周方能實現。結論顯而易見：若非通過仿真軟件實現離線編程，我們的新產品研發(fā)與生產絕不可能達到如此高效便捷的水平。”

在直線導軌上，兩臺 KR CYBERTECH nano ARC 焊接機器人協(xié)同作業(yè)，精準完成部件焊縫加工。

借助 KUKA.Sim 仿真軟件，設計師可在原型階段就將新爐型的設計構想與實際生產需求進行匹配。同時，HASE 通過數字孿生技術實現了焊接工序的 1:1 精準仿真，使設計團隊提前獲得與未來生產過程完全一致的數字化鏡像模型。如此一來，HASE 能夠借助數字孿生技術為新型壁爐測試焊接流程，并最終基于此為機器人單元創(chuàng)建相應的焊接程序。

自動化與靈活性的完美融合

一旦爐型程序開發(fā)完成后，機器人可立即投入生產。操作人員通過起重裝置將爐體裝入設備，啟動程序后，變位機根據型號差異（20 至 100kg ）自動提升預裝爐體至目標工位。在直線導軌上，兩臺焊接機器人 KR CYBERTECH nano ARC?– 連接著兩臺 Fronius TPS 500i 電源 – 自動按照既定順序焊接部件焊縫。“我們事先通過仿真精確確定了每臺機器人何時最適合承擔哪條焊縫的焊接任務”，程序員 Altmeier 解釋說，“這樣我們就能確保無延遲、焊縫嚴密，并實現最佳周期時間。”

得益于數字孿生技術，設計師在原型階段即可獲得與真實生產過程完全一致的數字化鏡像模型。

將故障風險降至最低?

另一個優(yōu)勢是：通過劃分清晰的用戶層級（如操作員角色），HASE 公司將人為操作失誤導致的故障風險降至近乎為零。此外，所有當前程序均備份于 KUKA 軟件 - 即便出現故障，所有數據也能立即恢復。“我們的目標是將虛擬與現實世界無縫連接”，KUKA 長期系統(tǒng)合作伙伴 Paul von der Bank GmbH 公司的 Bernd von der Bank 如此描述他在該項目中的初衷。“無論在實體設備還是仿真系統(tǒng)中進行調整，兩者都會同步響應。這種虛實無縫銜接的技術，目前市場獨此一家。”?

HASE 壁爐專家、KUKA 自動化專家和系統(tǒng)合作伙伴 Paul von der Bank GmbH 攜手合作。

KUKA 應用程序提供虛擬與現實完全一致的控制體系

在實現 KUKA.Sim?與焊接機器人完美協(xié)作的過程中，HASE、集成商 Paul von der Bank GmbH 和 KUKA 客戶服務部門通力合作，共同推進了軟件升級并成功開發(fā)出量身定制的解決方案。尤其是 HASE 的專業(yè)技術，對這一成功成果起到了決定性作用。“電阻焊的挑戰(zhàn)在于虛擬世界沒有任何容差”，von der Bank 如此說道。“而現實中的連接工藝則恰恰相反 – 容差裕量相當可觀。”?

軟件的模塊化架構滿足客戶需求

為確保焊接接縫的仿真效果及焊接參數與機器人控制系統(tǒng)完美匹配，并盡可能減少“二次示教工作量”，所有參與方共同根據 HASE 公司的需求對 KUKA.Sim?進行了改造 – 這一切的實現正是得益于軟件的模塊化架構設計！關鍵優(yōu)勢在于：數據保持 100% 一致性，虛擬控制系統(tǒng)與實體控制系統(tǒng)可完全基于相同參數運行。由此，KUKA.Sim 為虛擬調試奠定了基礎。

高端機器人系統(tǒng)助力生產力躍升

得益于數字孿生與機器人的卓越協(xié)同，HASE 成功將每臺壁爐的焊接時間從 45 分鐘縮短至 15 分鐘。鑒于該系統(tǒng)的成功經驗，HASE 目前已建成第二臺完全相同的系統(tǒng)。這意味著編程和控制的工作量大幅減少。這兩套新系統(tǒng)取代了原有的五套舊系統(tǒng) – 為生產節(jié)省了大量空間！

精準高效：得益于數字孿生與機器人的卓越協(xié)同，單臺壁爐焊接時間從 45 分鐘大幅縮減至 15 分鐘。

借助數字孿生技術，我們僅需 2 小時即可離線完成壁爐程序編程 – 而在線操作則需讓設備停產兩周方能實現。

Martin Altmeier，HASE Kaminofenbau GmbH 程序員

如今，該壁爐制造商年產能可達 25,000 臺壁爐，而此前最高產量僅為 15,000 臺。“這兩套高端機器人系統(tǒng)是我們焊接技術史上最重大的革新”，Fischer 總結道。“自動化的最大難點在于找到兼顧多樣化產品組合的解決方案。我們已與 KUKA 及 Paul von der Bank GmbH 通力合作，成功攻克了這一技術挑戰(zhàn)。”該項目的成功秘訣正源于多方協(xié)作：KUKA 為 HASE 提供了全方位服務方案，并與客戶和當地系統(tǒng)合作伙伴共同開發(fā)出定制化解決方案。

自動化：危機中的機遇

面對日益加劇的技術人才短缺，HASE 員工并未將自動化解決方案視為崗位威脅，而是將其視作企業(yè)存續(xù)的保障。HASE 決心堅定不移地走出一條傳統(tǒng)手工技藝與創(chuàng)新自動化相融合的中庸之道，目前正與 KUKA 共同研發(fā)自動化折邊、噴涂以及組件焊接的整體解決方案。打造更多現代環(huán)保的壁爐產品 – 讓躍動爐火溫暖萬千家庭