3D-Profilmessung in der Roboterzelle: Schweißnaht, Beschichtung und Kontur an Metallteilen prüfen

Eine Schweißnaht kann auf dem Kamerabild sauber aussehen und trotzdem zu flach oder zu schmal sein. Der Grund ist einfach: Eine 2D-Kamera sieht die Fläche, aber nicht die Höhe. Bei Schweißnähten, Kleberaupen, Beschichtungen und Konturen entscheidet jedoch das Profil über die Funktion. Genau hier setzt die 3D-Profilmessung in der Roboterzelle an. Ein robotergeführter Profilsensor fährt die Naht ab, verfolgt ihre Position und liefert Höhe, Breite und Vollständigkeit, auch auf dunklem, spiegelndem und öligem Metall. Dieser Leitfaden zeigt, wo die 2D-Kamera an Grenzen stößt und worauf es beim Profilscan in der Zelle ankommt.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine 2D-Kamera sieht die Fläche, aber nicht die Höhe, während bei Schweißnaht, Kleberaupe, Beschichtung und Kontur das Profil über die Funktion entscheidet.
Ein Profilsensor nimmt je Scanpunkt ein vollständiges Querschnittsprofil auf und macht so Höhe, Breite, Querschnittsfläche und Position messbar.
Zur Nahtführung bestimmt der Sensor die Spalt- oder Nutposition und gibt sie an die SPS, die den Roboter oder das Bauteil in dokumentierten Anwendungen mit geforderten Genauigkeiten um ±0,3 mm nachführt.
Auf dunklem, spiegelndem und öligem Metall entscheidet der Dynamikbereich des Sensors, der dunkle und helle Anteile in einer Aufnahme gemeinsam erfasst, weshalb mit Testmustern im Realzustand geprüft werden sollte.
Am Roboterarm hält eine encoder-synchronisierte Erfassung die Auflösung entlang der Naht konstant, auch bei schwankender Bahngeschwindigkeit, etwa mit einem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000.

Warum Höhe und Volumen 2D-Kameras überfordern

Eine 2D-Zeilen- oder Flächenkamera erfasst Lage, Kontrast und Unterbrechungen. Sie erkennt, ob eine Naht vorhanden ist und wo sie verläuft, aber sie misst weder ihre Höhe noch ihr Volumen. Bei einer Schweißnaht oder einer Kleberaupe sind genau diese Größen maßgeblich, denn eine zu niedrige Raupe hält nicht, und eine zu hohe stört den nachfolgenden Fügeprozess.

Ein Profilsensor löst dieses Problem, indem er je Scanpunkt ein vollständiges Querschnittsprofil aufnimmt. Aus der aneinandergereihten Folge dieser Profile entsteht ein 3D-Bild der Naht, aus dem sich Höhe, Breite, Querschnittsfläche und Position ableiten lassen. In dokumentierten Anwendungen ersetzt dieser Ansatz eine reine Zeilenkamera dort, wo Fehler höhenrelevant sind, etwa bei der Prüfung von Beschichtungshöhe oder Raupengeometrie. Der Unterschied ist grundlegend: Die 2D-Kamera beantwortet die Frage, wo etwas ist, der Profilsensor die Frage, wie hoch und wie viel.

Nahtführung und Nutposition: dem Roboter den Weg zeigen

Ein Profilsensor prüft nicht nur, er führt auch. Beim Schweißen und Fügen verläuft die reale Naht selten exakt dort, wo das Programm sie erwartet, weil Bauteile toleranzbedingt streuen. Der Sensor bestimmt die Spalt- oder Nutposition und gibt sie an die Steuerung, die den Roboter oder das Bauteil nachführt. In dokumentierten Fällen werden dabei Genauigkeiten um +/-0,3 mm gefordert.

Die Ausgabe geht typischerweise an die SPS, die die Nachführung iterativ oder rechnerisch übernimmt. Ein anschauliches Beispiel aus der Anwendungspraxis betrifft die Wendelposition an Statoren. Dort wird ein Rohr mit einer Wendelung in einer angetriebenen Aufnahme gedreht, und ein 2D-Profilsensor blickt mit seiner Laserlinie über die Wendel. Er erhält ein wellenförmiges Profil und bestimmt daraus die Position von Hoch- und Tiefpunkt. Anhand dieser Messung errechnet die SPS, wie weit das Rohr weitergedreht werden muss, damit eine spätere Stanzung an der richtigen Stelle sitzt. Die starre Zuführung über eine Negativform, in die ein Werker das Teil drückt, wird so durch eine messgeführte Positionierung ersetzt.

Beschichtung, Kleberaupe und Kontur: was ein Profilscan liefert

Das Anwendungsfeld reicht weit über die Schweißnaht hinaus. Ein Profilscan liefert überall dort einen Mehrwert, wo Höhe, Breite und Position eines Merkmals über Gut oder Schlecht entscheiden.

Beschichtung: Gleichmäßigkeit und Höhe einer Beschichtung lassen sich flächig prüfen, etwa an Bipolarplatten, bei denen bereits geringe Höhenunterschiede über die Fläche relevant sind. Der Sensor erkennt Ungleichmäßigkeiten, die eine reine Grauwertkamera nicht auflöst.
Kleber- und Schaumraupe: Auf Batteriedeckeln, Trägern und Blechen wird die Raupe nach Höhe, Breite und Position bewertet, sodass Unterbrechungen und Volumenfehler auffallen, bevor gefügt wird.
Kontur: An roll-geformten Profilen prüft der Sensor die Kontur inline, in dokumentierten Anwendungen bei Bandgeschwindigkeiten von 80 bis 140 m/min, und meldet Abweichungen von der Sollform.

In all diesen Fällen ersetzt das Profil eine spätere, teure Fehlererkennung in der Beschichtung oder Verpackung durch eine Prüfung direkt am Prozess.

Dunkle, spiegelnde und ölige Oberflächen stabil erfassen

Metall ist für optische Sensoren eine schwierige Oberfläche. Dunkler Stahl reflektiert wenig, spiegelnde Bereiche werfen das Licht gerichtet zurück, und ein Farbanlauf oder Ölfilm verändert die Reflexion zusätzlich. Der Dynamikbereich des Sensors entscheidet gerade auf dunklem Stahl mit rötlichem Farbanlauf darüber, ob die Naht sicher erfasst wird.

Der Dynamikbereich des Sensors macht hier den Unterschied. Er beschreibt, wie gut ein Sensor sehr dunkle und sehr helle Anteile in einer einzigen Aufnahme gemeinsam erfasst, ohne dass dunkle Bereiche absaufen oder glänzende überstrahlen. Ein hoher Dynamikbereich erlaubt es, ein mattes und ein spiegelndes Merkmal am selben Bauteil zuverlässig zu messen. Wie bei jeder Metallanwendung gilt: Die Erfassung sollte mit Testmustern im Realzustand geprüft werden, also gegebenenfalls ölig, nass, gebogen oder mit Farbanlauf. Ein Test am sauberen, trockenen Muster sagt wenig über die Stabilität in der Serie aus, in der Nässe, Biegung und schimmernde Oberflächen zusammenkommen.

Sensor am Roboterarm: Encoder-Synchronisation und Mehrkopf-Aufbau

Damit ein Profilscan verwertbar ist, muss jede Profillinie einer definierten Position entlang der Bahn zugeordnet werden. Robotergeführte Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 werden dazu encoder-synchronisiert betrieben. Der Encoder liefert die Wegposition, sodass die Auflösung entlang der Naht konstant bleibt, auch wenn die Bahngeschwindigkeit des Roboters schwankt. Ohne diese Synchronisation würde ein schnellerer Bahnabschnitt weniger Profile liefern und die Geometrie verzerren.

Für statische Höhen- und Ebenheitsprüfungen, bei denen das Teil in Ruhe erfasst wird, bietet sich ergänzend ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 an, der eine Fläche in einer Aufnahme erfasst, ohne dass eine Verfahrbewegung nötig ist. Kommen mehrere Blickrichtungen oder lange, geschwungene Nähte zusammen, koordiniert eine High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X den Mehrkopf-Aufbau mit bis zu zwei Messköpfen desselben Typs, sodass sie gerade und geschwungene Nahtabschnitte gemeinsam abdecken. So lassen sich auch komplexe Bauteilgeometrien ohne Totzonen erfassen.

Soll-Ist-Vergleich und Rohdatenausgabe an den Integrator

Am Ende steht die Frage, was mit den Profildaten geschieht. In vielen Projekten wird das gemessene Profil gegen eine CAD-Sollkontur abgeglichen, sodass Abweichungen quantifiziert und nicht nur qualitativ beurteilt werden. Dafür muss der Sensor Höhen- und Profildaten in einer Form ausgeben, die der Integrator weiterverarbeiten kann.

Offene Datenschnittstellen gehören deshalb ins Lastenheft. In dokumentierten Anwendungen fordern Kunden ausdrücklich eine Ausgabe über eine Programmierschnittstelle oder als Rohdaten über EtherCAT, um die Auswertung in ihre eigene Software oder die des Integrators einzubinden. Parallel meldet der Sensor ein Gut- oder Schlecht-Ergebnis an die SPS, die im selben Takt über Nacharbeit oder Ausschleusung entscheidet. Wer diese Ausgabe früh mit dem Integrator abstimmt, vermeidet, dass ein technisch funktionierender Scan an einer fehlenden Schnittstelle scheitert.

Häufige Fragen

F Warum reicht eine 2D-Kamera für die Schweißnahtprüfung nicht aus?

Eine 2D-Kamera erkennt Lage und Unterbrechungen einer Naht, misst aber weder ihre Höhe noch ihr Volumen. Bei Schweißnähten und Kleberaupen sind genau Höhe und Querschnitt für die Funktion maßgeblich. Ein Profilsensor liefert je Scanpunkt ein Querschnittsprofil und macht damit Höhe, Breite und Vollständigkeit messbar.

F Wie genau lässt sich eine Naht- oder Nutposition verfolgen?

In dokumentierten Anwendungen werden Genauigkeiten um +/-0,3 mm für die Spalt- und Nutverfolgung gefordert. Der Sensor gibt die Position an die SPS, die den Roboter oder das Bauteil iterativ oder rechnerisch nachführt. Die tatsächlich erreichbare Genauigkeit sollte am realen Bauteil und unter realer Oberfläche verifiziert werden.

F Funktioniert die Profilmessung auf dunklem und glänzendem Stahl?

Ja, sofern der Sensor einen ausreichenden Dynamikbereich hat. Dunkler Stahl reflektiert wenig, spiegelnde Flächen werfen das Licht gerichtet zurück, und ein hoher Dynamikbereich erfasst beide Anteile in einer Aufnahme. Weil Farbanlauf, Öl und Nässe die Reflexion zusätzlich verändern, sollte die Erfassung mit Testmustern im Realzustand geprüft werden.

F Was bedeutet Encoder-Synchronisation beim robotergeführten Scan?

Ein Encoder liefert die Wegposition entlang der Bahn, sodass jeder Profillinie eine definierte Position zugeordnet wird. Dadurch bleibt die Auflösung konstant, auch wenn die Bahngeschwindigkeit des Roboters schwankt. Ohne Synchronisation würden schnellere Bahnabschnitte weniger Profile liefern und die gemessene Geometrie verzerren.

F Wann ist ein 3D Laser-Snapshot-Sensor sinnvoll, wann ein Laser-Profilsensor?

Ein Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erfasst das Profil entlang einer Bahnbewegung und eignet sich für Nähte, Konturen und bewegte Prüfungen. Ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst eine Fläche in einer Aufnahme und eignet sich für statische Höhen- und Ebenheitsprüfungen, bei denen das Teil in Ruhe steht.

F Wie kommen die Messdaten zum Integrator?

Der Sensor gibt Höhen- und Profildaten über offene Schnittstellen aus, etwa über eine Programmierschnittstelle oder als Rohdaten über EtherCAT, sodass sie gegen eine CAD-Sollkontur abgeglichen werden können. Parallel meldet er ein Gut- oder Schlecht-Ergebnis an die SPS. Offene Datenschnittstellen sollten früh im Lastenheft festgehalten werden.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Automatisierung und Qualitätssicherung in der Metallverarbeitung: Der Überblick für QS- und Fertigungsleiter

Hauptartikel zum Thema: Bin Picking von Metallteilen: Guss-, Schmiede- und Stanzteile sicher aus der Kiste greifen

Weiterer Artikel im Thema: Roboterbeladung von Werkzeugmaschinen: CNC, Fräs- und Drehzellen mit Bildverarbeitung beschicken

Weiterer Artikel im Thema: 2D oder 3D? Roboterführung für Metallteile richtig auslegen

Weiterer Artikel im Thema: Robotergeführte Prüfstation für Metallteile: Oberfläche und Maß in einem Durchlauf prüfen