Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fugenfolgeregelung für das Fügen mit Laserstrahlung mittels koaxialer texturbasierter Bildverarbeitung

Um die Festigkeit einer Schweißverbindung zu gewährleisten, muss bei Laser-Fügeprozessen (LFP) der fokussierte Laserstrahl relativ zur Stoßfuge präzise geführt werden. Zurzeit werden Lichtschnitt-Triangulations-Sensoren (LTS) zur Detektion der Fugenposition eingesetzt. Um deren zuverlässige Funktion sicher zu stellen, muss ein LTS in lateraler Position vorlaufend mit Sicherheitsabstand zum Schweißprozess angeordnet sein. Hierdurch entsteht eine Störkontur, welche die Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes zum Werkstück einschränkt. Beim Fügen von Kehlnähten an 3D-Strukturen mit einspringenden Ecken ist eine Fugenfolgeregelung (FFR) bis in diese Ecken hinein mit LTS praktisch unmöglich. Beim Fügen von I-Nähten am Stumpfstoß müssen die Kanten entsprechend vorbereitet und strukturiert sein, damit die Fuge für LTS erkennbar bleibt - technische Nullspalte ohne Höhenversatz sind mit LTS nicht zu detektieren.

Ziel von FLOKATI ist die Implementierung, Verifizierung und Validierung des texturbasierten Maschinen-Sehen. Ein kompakter Bildsensor wird koaxial im optischen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes (LBK) angeordnet. Das Schmelzbad und die Fuge sind während des LFP stets gleichzeitig und unabhängig von der Bewegungsrichtung des LBK sichtbar. Mittels texturbasierter Bildanalyse (TBA) wird die Position des Laserfokus relativ zur Fuge auch an technischen Nullspalten ermittelt. Die für die FFR erforderliche Echtzeitimplementierung der TBA wird mit PC-Hardware wirtschaftlich umgesetzt.

FLOKATI ermöglicht vollautomatisierte flexible Roboter-Schweiß-Systeme (RSS), welche eigenständig einer Fuge folgen und Abweichungen durch thermischen Verzug kompensieren können (Industrie 4.0). Der Aufwand für die Bahnprogrammierung reduziert sich auf das Teach-In der Startposition einer Fuge, so dass auch kleine Losgrößen wirtschaftlich gefügt werden können. Damit steigt die Wettbewerbsfähigkeit von KMU im Maschinen- und Metallbau, also Hersteller und Anwender vollautomatisierter RSS.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen von FLOKATI wurde die texturbasierte Fugenfolge weiterentwickelt, evaluiert und an industrienahen Demonstrator-Bauteilen erfolgreich getestet. Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Die entwickelte grafische Teach-In Unterstützung erlaubt eine deutliche Verkürzung der Prozesskette von der Bahnplanung über die Bahnprogrammierung bis hin zum Fügeprozess. Zur Akzeptanz einer solchen Sensorik gehört auch die Visualisierung der Prozesszone und die lückenlose Dokumentation der Prozesse.

Die opto-mechanische Integration des robusten Fugenfolgesensors schränkt die Zugänglichkeit zu 3D-Stahlbau-Strukturen nicht ein.

Die Algorithmen, die in die Entwicklung eingeflossen sind zur Erkennung von Texturen auf Metallblechen, sind so in der industriellen Umgebung selten eingesetzt worden.

Der wissenschaftlich-technische Nutzen ist als hoch einzustufen, da mit diesem Verfahren die Detektion eines technischen Nullspalts anhand von Graubildwerten nachgewiesen wurde. Dies war bis dato eine große technische Herausforderung und konnte durch bestehende Sensoren nur unzureichend oder mit sehr hohem technischem Aufwand gelöst werden. Daher stellen die Ergebnisse aus dem Vorhaben FLOKATI auch ein großes wirtschaftliches Potential für die Industrie dar, da bestehende Konzepte zur Fugenfolge neu gedacht und deutlich effizienter gestaltet werden können.

Graubildkameras, welche heute bereits zur Prozessbeobachtung in die Bearbeitungsoptik integriert werden, werden durch die Ergebnisse von FLOKATI in die Lage versetzt, eine prozesssichere Fugenfolge zu realisieren. Die Integration eines weiteren Fugenfolge-Sensors, z.B. auf Basis eines Lichtschnittverfahrens, kann dadurch entfallen.

Dadurch trägt die texturbasierte Fugenfolge als innovative Technologie zur weiteren Vereinfachung der Systemtechnik und damit zu einem gesteigerten Kundennutzen bei. Einer Verwertung der Ergebnisse steht somit grundsätzlich nichts im Wege.