工业 4.0 时代壁炉生产的自动化技术：焊接机器人的数字孪生技术

实现毛坯炉的自动化焊接并同时覆盖多样化产品组合 – 这是德国特里尔 HASE Kaminofenbau 公司的目标。这家来自德国西南部的创新型壁炉制造商每年向市场推出一到两款新产品。得益于 KUKA 的数字孪生和焊接机器人的完美协同，HASE 如今能够轻松应对日益增长的市场需求。

自动化技术赋能舒适生活：现代壁炉引领家居新趋势

舒适的暖意、噼啪作响的柴火、熊熊燃烧的火焰：对越来越多人而言，壁炉象征着纯粹的舒适感，成为客厅中不可或缺的存在。这一趋势使得位于特里尔的壁炉制造商 HASE 的市场需求持续攀升。这家成立于 1979 年的家族企业现年产量达 15,000 台壁炉 - 自动化使其生产效率显著提升。其独特优势在于：所有壁炉均在 HASE 位于莱茵兰-普法尔茨州的工厂生产，该工厂拥有约 200 名员工。除了 “Made in Germany” （德国制造）的品质加持外，这位壁炉专家还聚焦于创新技术解决方案 – 从年度新型号开发、智能燃烧软件 iQ，到机器人生产自动化，全面提升工艺效率。在这一过程中，物理设备与数字应用之间的接口发挥着决定性作用。

由于焊接专业人才日益短缺，我们唯有通过生产自动化才能从市场热潮中获益。

HASE 生产开发部经理 Florian Fischer 表示：

通过自动化生产满足高需求

不断增长的现代环保壁炉需求，给这家区域生产企业带来了诸多挑战。“一台壁炉包含数十道焊缝，如果完全依赖手工焊接，将耗费大量时间。”，HASE 生产开发部经理 Florian Fischer 指出。“面对日益严峻的焊接专业人才短缺及设备老化挑战，我们唯有通过生产自动化才能真正把握市场增长机遇。”通过让机器人承担毛坯炉的高要求焊接工作（包括考虑温度变化的影响），员工可以专注于核心工艺。以壁炉燃烧室门的焊接为例，此类作业区域对焊接机器人而言空间过于狭窄，仍需人工操作。

数字孪生：焊接设备的核心

这家制造企业的目标明确：通过焊接机器人提高生产效率、保障卓越品质，同时减轻员工负担。作为创新型壁炉制造商，HASE 若不具备前瞻性思维，便不足以成为 HASE。“我们致力于打造一套高度灵活的现代化机器人系统，使其能够应对未来尚未问世的炉型，既不影响设计师的设计自由度，也不会因此导致生产停摆”，Fischer 解释道。“因此，数字孪生也发挥着决定性作用。”

在特里尔的 HASE Kaminofenbau 公司，传统手工艺与创新自动化技术实现了深度融合。

基于 20 年对 KUKA 机器人的信任，HASE 在最新项目中依然选择了这家行业领先的智能机器人技术供应商。此次合作的显著优势不仅体现在可以使用 KUKA 硬件 - 包括两台 KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW、KUKA KL250-3 直线导轨和变位机。对 HASE 而言，真正的变革在于其与 KUKA.Sim 软件及数字孪生的协同效应。仿真软件能让机器人应用在虚拟环境中提前“活”起来 – 甚至在设备投产之前。离线编程的机器人运动流程通过实时映射进行呈现，并针对其节拍时间进行分析和优化。此外，KUKA.Sim ArcWelding AddOn 还可对自动焊接应用进行仿真。例如，可通过该插件定义焊接流程中机器人的接近位置或最佳姿态。

离线编程加速炉型开发

“我们利用 KUKA.Sim 软件，在完全独立于实体设备的环境中对两台机器人在直线导轨上的所有焊接工序和运动轨迹进行预先仿真”，HASE 程序员 Martin Altmeier 说道。“借助数字孪生技术，我们在离线环境下仅需两小时即可完成壁炉程序编程。而在线操作则需让设备停产两周方能实现。结论显而易见：若非通过仿真软件实现离线编程，我们的新产品研发与生产绝不可能达到如此高效便捷的水平。”

在直线导轨上，两台 KR CYBERTECH nano ARC 焊接机器人协同作业，精准完成部件焊缝加工。

借助 KUKA.Sim 仿真软件，设计师可在原型阶段就将新炉型的设计构想与实际生产需求进行匹配。同时，HASE 通过数字孪生技术实现了焊接工序的 1:1 精准仿真，使设计团队提前获得与未来生产过程完全一致的数字化镜像模型。如此一来，HASE 能够借助数字孪生技术为新型壁炉测试焊接流程，并最终基于此为机器人单元创建相应的焊接程序。

自动化与灵活性的完美融合

一旦炉型程序开发完成后，机器人可立即投入生产。操作人员通过起重装置将炉体装入设备，启动程序后，变位机根据型号差异（20 至 100kg ）自动提升预装炉体至目标工位。在直线导轨上，两台焊接机器人 KR CYBERTECH nano ARC – 连接着两台 Fronius TPS 500i 电源 – 自动按照既定顺序焊接部件焊缝。“我们事先通过仿真精确确定了每台机器人何时最适合承担哪条焊缝的焊接任务”，程序员 Altmeier 解释说，“这样我们就能确保无延迟、焊缝严密，并实现最佳周期时间。”

得益于数字孪生技术，设计师在原型阶段即可获得与真实生产过程完全一致的数字化镜像模型。

将故障风险降至最低

另一个优势是：通过划分清晰的用户层级（如操作员角色），HASE 公司将人为操作失误导致的故障风险降至近乎为零。此外，所有当前程序均备份于 KUKA 软件 - 即便出现故障，所有数据也能立即恢复。“我们的目标是将虚拟与现实世界无缝连接”，KUKA 长期系统合作伙伴 Paul von der Bank GmbH 公司的 Bernd von der Bank 如此描述他在该项目中的初衷。“无论在实体设备还是仿真系统中进行调整，两者都会同步响应。这种虚实无缝衔接的技术，目前市场独此一家。”

HASE 壁炉专家、KUKA 自动化专家和系统合作伙伴 Paul von der Bank GmbH 携手合作。

KUKA 应用程序提供虚拟与现实完全一致的控制体系

在实现 KUKA.Sim 与焊接机器人完美协作的过程中，HASE、集成商 Paul von der Bank GmbH 和 KUKA 客户服务部门通力合作，共同推进了软件升级并成功开发出量身定制的解决方案。尤其是 HASE 的专业技术，对这一成功成果起到了决定性作用。“电阻焊的挑战在于虚拟世界没有任何容差”，von der Bank 如此说道。“而现实中的连接工艺则恰恰相反 – 容差裕量相当可观。”

软件的模块化架构满足客户需求

为确保焊接接缝的仿真效果及焊接参数与机器人控制系统完美匹配，并尽可能减少“二次示教工作量”，所有参与方共同根据 HASE 公司的需求对 KUKA.Sim 进行了改造 – 这一切的实现正是得益于软件的模块化架构设计！关键优势在于：数据保持 100% 一致性，虚拟控制系统与实体控制系统可完全基于相同参数运行。由此，KUKA.Sim 为虚拟调试奠定了基础。

高端机器人系统助力生产力跃升

得益于数字孪生与机器人的卓越协同，HASE 成功将每台壁炉的焊接时间从 45 分钟缩短至 15 分钟。鉴于该系统的成功经验，HASE 目前已建成第二台完全相同的系统。这意味着编程和控制的工作量大幅减少。这两套新系统取代了原有的五套旧系统 – 为生产节省了大量空间！

精准高效：得益于数字孪生与机器人的卓越协同，单台壁炉焊接时间从 45 分钟大幅缩减至 15 分钟。

借助数字孪生技术，我们仅需 2 小时即可离线完成壁炉程序编程 – 而在线操作则需让设备停产两周方能实现。

Martin Altmeier，HASE Kaminofenbau GmbH 程序员

如今，该壁炉制造商年产能可达 25,000 台壁炉，而此前最高产量仅为 15,000 台。“这两套高端机器人系统是我们焊接技术史上最重大的革新”，Fischer 总结道。“自动化的最大难点在于找到兼顾多样化产品组合的解决方案。我们已与 KUKA 及 Paul von der Bank GmbH 通力合作，成功攻克了这一技术挑战。”该项目的成功秘诀正源于多方协作：KUKA 为 HASE 提供了全方位服务方案，并与客户和当地系统合作伙伴共同开发出定制化解决方案。

自动化：危机中的机遇

面对日益加剧的技术人才短缺，HASE 员工并未将自动化解决方案视为岗位威胁，而是将其视作企业存续的保障。HASE 决心坚定不移地走出一条传统手工技艺与创新自动化相融合的中庸之道，目前正与 KUKA 共同研发自动化折边、喷涂以及组件焊接的整体解决方案。打造更多现代环保的壁炉产品 – 让跃动炉火温暖万千家庭