Mit 3D-Kontrolle zu automatischen Schweißvorgängen großer Stahlbauteile

Große Stahlteile (> 50 m²) werden oft als Einzelstücke manuell geschweißt. Um diese Prozesse automatisieren zu können, ergeben sich für die Messtechnik zwei Aufgaben: die 3D-Positionierung des Schweißgerätes und die Prozesskontrolle an der Schweißnaht. Das Fraunhofer IOF Jena entwickelte hierfür ein 3D-Sensorsystem, das sowohl den Fügespalt als auch die Schweißnaht hochaufgelöst vermessen kann.

Angebracht ist die multispektrale 3D-Sensorik an einem Schweißroboter, der insbesondere mittelständischen Betrieben eine kostengünstige sowie flexible Fertigung von Stahlbauteilen ermöglichen soll. So wurde unter anderem ein mobiles Seilzugsystem von der TH Deggendorf entwickelt, welches eine preisintensive stationäre Portalanlage ersetzen kann.

Mobile Schweißplattform

Mit dieser mobilen Schweißplattform können Schweißroboter und die 3D-Sensorik über Kopf hängend und an einem vom Projektpartner Sibau entwickelten Multifunktionsträger über das Werkstück bewegt werden. Daraus ergeben sich folgende Anforderungen an das 3D-Sensorsystem: Es muss einerseits die Kollisionen zwischen der Plattform und dem Werkstück verhindern und andererseits die Schweißbahn exakt vermessen. Im Zuge dessen wurden zwei separate Sensorsysteme gefertigt. Während ein einzelner Sensor auf der Plattform mitgeführt wird, um so Position und etwaige Hindernisse auf der Bahn zu erkennen, orientiert sich die um Größenordnungen präzisere Schweißsensorik am Fügespalt selbst.

Die 3D-Sensorik

Für die Orientierung der Plattform wurde ein Time-of-Flight-Sensor (ToF-Sensor) gewählt, der bis zu 300.000 Punkte/Messungen bei 15 Messungen/s liefert und Entfernungen bis zu 13 m messen kann. Die mit dem ToF-Sensor erfassten 3D-Daten können schließlich an eine Schweißfachkraft weitergeleitet werden, die damit den Arbeitsbereich des Schweißroboters für den eigentlichen Schweißvorgang definiert. Am Fügespalt angekommen, beginnt die Arbeit des am Fraunhofer IOF entwickelten multimodalen Sensorsystems. Dieses besteht aus einem miniaturisiertem 3D-Sensor, der bei einem Messfeld von 400 x 400 mm mehr als 30 3D-Datensätze/s mit je 1 MP Auflösung liefert. Dadurch können auch teils rostige bzw. hochreflektierende Oberflächen der Fügepartner erkannt und in 3D vermessen werden. Je nach Anwendung, kann das 3D-Sensorsystem für verschiedene Wellenlängen bis hin zum UV- und SWIR-Spektralbereich umgerüstet werden.

Der Schweißvorgang

Mittels der zuvor gewonnenen 2D- und 3D-Daten definiert die Schweißfachkraft den Anfangs- und Endpunkt der Schweißnaht im Fügespalt. Dabei erleichtert eine Darstellung als Topografie oder in Falschfarben die Interpretation der 3D-Messpunkte. Zudem können Flächenschnitte automatisch vom System ermittelt und als linienhafte Schweißbahn vorgeschlagen werden. Während des Schweißprozesses wird der Prozess mit einer zusätzlichen LWIR-Kamera in 2D aufgenommen. Diese und zwei Hyperspektralkameras blicken auf bzw. kurz hinter das Schmelzbad. Im Anschluss an den Schweißvorgang kann die Naht nochmals, mit einer Auflösung von 200 μm, in 3D erfasst werden. Die Kalibrierung aller Sensoren in ein Koordinatensystem ermöglicht schließlich die Zusammenführung und Korrelation der multimodalen Daten.  

Die entwickelte Sensorplattform wurde als Teilprojekt »3D-Sensoriken für klein- und großräumige Prozesse im Stahlbau – Geometrieerfassung, Bahnplanung und 3D-multispektral-Registrierung« (FKZ 03ZZ0450) im Verbundvorhaben »3D-Multisensorik und Handhabungssysteme für die Automatisierung im Stahlbau« vom BMBF gefördert.