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EVT Eye Vision Technology

Präzise laserbasierte, optische 3D-Schweißnahtinspektion

| Autor/ Redakteur: Klara Steinschneider / Frauke Finus

Die optische Kontrolle einer Schweißnaht ist zwar eine sehr gefragte Anwendung in der industriellen Fertigung, stellt die Bildverarbeiter aber auch immer noch vor viele Herausforderungen. Eine Methode ist die der 3D-Inspektion mit zum Beispiel Lasertriangulationssensoren.

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Blauer Laser auf Schweißnaht.
( Bild: EVT Eye Vision Technology )

Im diesem Beitrag soll umrissen werden, was inspiziert werden kann, wo einige mögliche Schwierigkeiten liegen und wie ein Einsatz in der Roboterautomatisierung aussehen kann. Mithilfe der industriellen Bildverarbeitung lassen sich beispielsweise folgende Schweißnahtfehler erkennen: Risse in oder neben der Naht, Zündstellen neben der Naht, Schweißspritzer, nicht aufgefüllte Endkrater, Oberflächenporen, mangelhafter Nahtansatz, unregelmäßige Nahtbreite oder Verwurzelung.

Das äußere Erscheinungsbild einer Schweißnaht lässt aufgrund von Erfahrungen gewisse Rückschlüsse über die Güte einer Schweißverbindung zu. Zwar ist die optische Prüfung mit 3D-Sensoren zerstörungsfrei, die automatisierte Auswertung mit Hilfe der Bildverarbeitung wird aber durch die spezifischen Strukturen der Schweißnähte erschwert. Manche der oben genannten Merkmale sind zudem nur in einem bestimmten Toleranzbereich unzulässig.

Schweißnahtgeometrie mit einem Lasertriangulationssensor messen

Gewisse Schweißnahtunregelmäßigkeiten wie oben erwähnt sind unerwünscht, aber andere wie überlappende Nähte, sind erwünscht und werden aus Sicherheitsgründen verlangt. Hinzu kommt, die oft ungünstige und unregelmäßige Beleuchtungssituation. Durch diese Herausforderungen ist oft ein 3D-System die beste Wahl. Prinzipiell wird eine Schweißnahtgeometrie am besten mit einem Lasertriangulationssensor gemessen. Dieses besteht üblicherweise aus einer Kamera die schräg auf eine Laserlinie schaut. Das Objekt oder der Sensor müssen dabei bewegt werden, so dass die Kombination aus Laserlinie und Kamera über die Schweißnaht fahren.

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Nachteil ist dabei, dass das Messprinzip keine überflüssigen Informationen erlaubt, das heißt Fehler in der Laserkalibrierung beeinflussen direkt das Messergebnis. Hinzu kommen noch Komplikationen wie Reflexionen und die benötigte Genauigkeit und Geschwindigkeit. Zusätzlich erfordert die Positionierung in den sechs Freiheitsgraden welche die dreidimensionale Orientierung jedes 3D-Profils im Raum bestimmen, einen Positionierungspunkt. Die sechs Freiheitsgrade können eingeteilt werden in:

  • x-, y-, z-Verschiebung
  • x-, y-Verkippung
  • Rotation z-Achse

Eine gute Aufnahme beginnt mit der korrekten Positionierung in das Messsystem. Stimmt die Positionierung nicht, treten die Messfehler auf und das Ergebnis wird unbrauchbar. Die Positionierung benötigt ein eine bestimmte Objektreferenz, die zu Orientierung dienen kann. Die Software Eye Vision von EVT Eye Vision Technology kann einerseits sowohl bei der Positionierung helfen als auch Lagefehler ausgleichen. Und andererseits die aufgenommenen Profildaten der Schweißnaht auswerten. Diese werden mit einem zuvor eingelernten Musterprofil verglichen und so können Fehler in der Naht erkannt werden.

Ein Teil der Schwierigkeiten kann durch die richtige Laserlinie behoben werden. Einerseits kann ein blauer Laser die Reflexionen reduzieren und die Genauigkeit erhöhen. Auch an die Auflösung und Qualität des Lasers sollte gedacht werden, mit einer homogenen Helligkeit der Länge und Breite. Der Eye Scan AT 3D mit blauer Laser Option, 405 nm 160 mW Class wäre beispielsweise eine gute Wahl.

Schwierigkeiten beim Einsatz von Schweißrobotern

Schweißaufgaben stellen mit über 40 % ein Gros der mit Robotik automatisierten Aufgaben dar. Die Automobilindustrie ist wie zu erwarten führend in der Roboterautomatisierung. Besonders in der Automobilherstellung sind aufgrund der Toleranzen und präziser Einspannvorrichtungen gute Voraussetzung dafür gegeben, Schweißvorgänge mit Robotik zu automatisieren. Der Einsatz von der Robotik in Schweißnahtprozessen ermöglicht eine hohe Schweißnahtgüte und senkt das Risiko von Benutzungs- und Einstellfehlern. Aber selbst nach dem Schweißvorgang durch einen Roboter soll die Schweißnaht nochmals geprüft werden – und das selbstverständlich automatisch. Dabei können verschiedene Schwierigkeiten auftreten, wie Reflexionen, oder auch dass die Beschaffenheit der Oberfläche des Schweißgutes nicht konstant ist, das heißt Beschichtung der Bauteile könnte auch bei gleichen Typs variieren und darauf muss auch das Prüfprogramm reagieren können.

Zwei Möglichkeiten für die Einbindung des Prüfsystems in eine Roboterstraße wären: erstens die Einbindung der Prüfung in den Schweißprozess der Schweißzelle oder zweitens die Prüfung in einer gesonderten Prüfzelle mit eigenem Roboter durchzuführen. Beide Möglichkeiten haben Vor- und Nachteile.

Die erste Möglichkeit würde verlangen, dass der 3D-Sensor direkt auf dem Roboter montiert ist und zwar so dass die Naht direkt nach dem Schweißen inspiziert werden kann. Dies spart den Einsatz eines extra Roboters, aber der Sensor muss besser geeignet sein, so nahe am Schweißgerät montiert zu sein. Voraussetzung dafür ist der Schutz des 3D-Sensors vor der rauen Schweißumgebung. Der Einfluss von Hitze, Staub und Metallspritzern wirkt sich negativ auf die optische Erkennung aus und kann zum Beispiel durch IP-Schutzgehäuse und Schutzkappe minimiert werden.

Bei der zweiten Möglichkeit wird ein eigens für die Prüfung bereit gestellter Roboter mit einem 3D-Sensor ausgestattet. Dies erfordert einen extra Roboter, der Sensor ist dadurch aber gut vor Verunreinigung und Schweißspritzern geschützt. Nach der Prüfung kann zum Beispiel bei den Mehr- und Nacharbeiten, der Produktionsmitarbeiter über eine Visualisierung Informationen zu den Fehlern am Bauteil bekommen und diese gegebenenfalls beseitigen.

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