Kleberaupen und Schweißnähte automatisch prüfen: 3D-Inline-Inspektion am Roboter

Warum Kleberaupen und Schweißnähte zu 100 % geprüft werden müssen

Bei kaum einem anderen Prüfmerkmal hängen Funktion und Geometrie so direkt zusammen wie bei Raupe und Naht: Dichtheit und Festigkeit der Verbindung werden unmittelbar von Position, Höhe, Breite und Durchgängigkeit des Auftrags bestimmt. Eine Stichprobe ist dabei nicht ausreichend, da Fehler stets lokal auftreten und eine einzige Einschnürung auf zehn Metern Naht bereits zum Versagen führen kann. Die logische Konsequenz, die sich in immer mehr Lastenheften widerspiegelt, ist die 100%-Prüfung über die gesamte Nahtlänge.

Der reale Auslöser solcher Projekte ist selten die Norm, sondern die Reklamation. In dokumentierten Anwendungen fielen Qualitätsprobleme erst in nachgelagerten Prozessen auf, etwa in der Verpackung oder beim Endkunden, und lösten damit die Forderung nach einer Prüfung direkt an der Fügestation aus. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaden bereits mehrstufig: Nacharbeit, Sortieraktionen, Reklamationskosten und im ungünstigsten Fall der Verlust des Lieferantenstatus.

Das Anwendungsspektrum ist dabei breiter, als der Begriff „Kleberaupenprüfung" vermuten lässt. Es umfasst handapplizierte Kleberaupen auf Blechen von Batteriewannen, verleimte Möbelplatten, bis zu zehn Meter lange Schweißnähte an Seitenwänden von Schienenfahrzeugen sowie Auftragschweißen an großen Umformwerkzeugen. Allen Fällen gemeinsam ist, dass die Naht lang und teils gekrümmt ist und das funktionskritische Merkmal in der dritten Dimension liegt.

Die Grenze der 2D-Kamera: fehlende Tiefeninformation bei Höhe und Volumen

Der naheliegende erste Ansatz ist fast immer eine 2D-Kamera, der jedoch fast immer am selben Punkt scheitert. Eine 2D-Aufnahme zeigt zuverlässig, ob die Raupe vorhanden ist, wo sie liegt und ob sie unterbrochen ist. Was sie prinzipbedingt nicht zeigt, ist die Höhe der Raupe und die tatsächlich aufgetragene Materialmenge. Kontrast und Grauwert einer Draufsicht korrelieren nur schwach mit der realen Auftragsmenge: Eine breitgedrückte, zu flache Raupe kann im 2D-Bild besser aussehen als eine korrekte.

Genau Höhe und Volumen sind jedoch die funktionsentscheidenden Merkmale, da sie bestimmen, ob die Verklebung nach dem Fügen den Spalt füllt und die Verbindung dichtet. Ein Prüfsystem, das diese Merkmale nicht erfasst, prüft am eigentlichen Fehlerbild vorbei.

3D-Profilsensoren lösen dieses Problem strukturell. Ein Laserprofilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erfasst in jedem Scanpunkt das vollständige Querschnittsprofil der Raupe, einschließlich Höhe, Breite, Flankenform und Querschnittsfläche. Aus der Abfolge der Profile entlang der Naht entsteht ein lückenloses Höhenbild des gesamten Auftrags, aus dem sich alle geometrischen Merkmale ableiten lassen, darunter auch das Volumen je Nahtabschnitt.

Position, Höhe, Breite, Durchgängigkeit: Prüfmerkmale und typische Toleranzen

Die Prüfaufgabe gliedert sich in vier Merkmalsgruppen, die je Scanpunkt beziehungsweise je Nahtabschnitt bewertet werden: die Position der Raupe relativ zur Sollbahn, ihre Höhe und Breite, die Durchgängigkeit hinsichtlich Unterbrechungen und Einschnürungen sowie abgeleitete Größen wie Querschnittsfläche oder Volumen. In realen Projekten liegen die geforderten Toleranzen für die Raupengeometrie typischerweise zwischen 0,1 und 1 mm; für die Spaltverfolgung beim Schweißen werden Genauigkeiten von etwa 0,02 mm gefordert.

Für das Lastenheft ist entscheidend, dass die Bewertung über die gesamte Nahtlänge erfolgen muss und nicht nur an einzelnen Stützstellen. Eine Einschnürung von wenigen Millimetern Länge kann bereits über die Dichtheit entscheiden, weshalb das Prüfraster entsprechend fein ausgelegt sein muss. Die Auswertung hat jede lokale Verletzung der Grenzwerte zu melden, einschließlich der genauen Position entlang der Naht.

Hinzu kommt die Dokumentationspflicht: In auditierten Fertigungen genügt das OK/NG-Signal nicht. Je Naht werden die Messwerte, darunter Minimalhöhe sowie Position und Länge von Abweichungen, archiviert und der Seriennummer des Bauteils zugeordnet. Dieser Audit-Trail dient im Reklamationsfall als Nachweis, dass die Naht zum Fügezeitpunkt den Anforderungen entsprach, und muss von Anfang an im Schnittstellenkonzept berücksichtigt werden.

Sensor am Roboterarm: gerade und geschwungene Nähte nachführen und prüfen

Lange und gekrümmte Nähte lassen sich nicht sinnvoll unter einem stationären Sensor durchfahren. In dokumentierten Anwendungen wird der Profilsensor daher am Roboterarm über die Naht geführt, auf gängigen 6-Achs-Robotern in Einzel- oder Doppelkopf-Konfiguration. Bei der Modellreihe LJ-S8000 lassen sich bis zu zwei Messköpfe an einem Controller betreiben, etwa um beide Nahtflanken gleichzeitig zu erfassen. Mit mehreren Sensoren der Modellreihe LJ-S8000 können zudem breite Auftragsbereiche durch die Kombination einzelner Laserlinien abgedeckt werden.

Besonders attraktiv ist die Doppelrolle des Sensors innerhalb derselben Zelle: Vor beziehungsweise während des Prozesses übernimmt er die Nahtführung, indem er die Spaltposition erfasst und die Roboterbahn korrigiert; nach dem Prozess dient er der Prüfung der fertigen Naht. In dokumentierten Anwendungen wurden Spaltverfolgung und Endprüfung auf diese Weise mit derselben Sensorik realisiert, ohne zwei getrennte Systeme integrieren zu müssen.

Eine wesentliche technische Voraussetzung ist die Encoder-Synchronisation. Da die Bahngeschwindigkeit des Roboters über die Nahtlänge nicht konstant ist und er in Kurven sowie an Umorientierungspunkten langsamer wird, koppeln encoder-synchronisierte Scans die Profilaufnahme an den realen Verfahrweg. Dadurch bleibt die Ortsauflösung entlang der Naht konstant und Längenmaße werden korrekt erfasst. Ohne diese Kopplung entstehen in Kurven verzerrte Höhenbilder, ein Fehler, der in Eigenintegrationen häufig auftritt.

Soll-Ist-Vergleich gegen CAD: Höhendaten und Profildaten weiterverarbeiten

Bei komplexen Bauteilen genügt die merkmalsweise Prüfung nicht immer. Gefordert ist in solchen Fällen der flächige Vergleich der gescannten Ist-Kontur gegen die CAD-Sollkontur. In dokumentierten Projekten übernimmt diesen Abgleich typischerweise der Integrator oder Maschinenbauer in einer eigenen Auswertesoftware: Der Profilsensor liefert die Höhen- und Profildaten der Naht, die nachgelagerte Software registriert sie gegen das CAD-Modell und bewertet die Abweichungen.

Für das Lastenheft ergibt sich daraus eine klare Anforderung: Die Datenschnittstelle muss offen spezifiziert sein. Welche Daten stellt der Sensor-Controller bereit, in welchem Format, mit welcher Auflösung und über welche Schnittstelle? Diese Fragen gehören in die Machbarkeitsphase, denn wer sie erst bei der Inbetriebnahme stellt, riskiert, dass Prüfsystem und Auswertesoftware nicht zusammenpassen.

Zwei Grenzfälle verdienen besondere Aufmerksamkeit: stark gekrümmte Nähte, bei denen die Registrierung von Scan und CAD-Modell anspruchsvoll wird, sowie wechselnde Bauteilvarianten im selben Programm, bei denen je Variante eine eigene Sollkontur hinterlegt und automatisch umgeschaltet werden muss. Beide Fälle sollten im Machbarkeitstest mit realen Bauteilen explizit geprüft werden.

Vom manuellen Auftrag zur geschlossenen Qualitätsschleife in der Station

Besonders hoch ist der Nutzen der Inline-Prüfung dort, wo der Auftrag selbst streut: bei handapplizierten Kleberaupen. In dokumentierten Anwendungen, etwa bei Blechen für Batteriewannen, trägt ein Werker die Raupe auf, wobei die natürliche Streuung von Hand deutlich größer ist als bei einem Dosierroboter. Die 3D-Prüfung direkt nach dem Auftrag schließt hier die Qualitätsschleife: Der Werker erhält unmittelbares Feedback, Abweichungen werden korrigiert, bevor gefügt wird, und nicht erst, nachdem das Bauteil verbaut ist.

Prozessseitig bedeutet das: Die Messergebnisse gehen im selben Takt an die SPS zurück. Bei einer Abweichung wird das Bauteil zur Nacharbeit ausgeschleust oder direkt in der Station nachgebessert, etwa durch punktuelles Nachdosieren an der gemeldeten Position. Erst diese Rückmeldung macht aus der Prüfung eine Prozessverbesserung, denn ein Prüfsystem, das nur sortiert, senkt den Ausschuss nicht.

Der Weg dorthin führt, wie bei allen Aufgaben dieses Themenfelds, über den Machbarkeitstest mit Original-Testmustern: reales Raupenmaterial, wobei Farbe, Glanzgrad und Transparenz des Klebstoffs die Messung beeinflussen, reale Blechoberfläche, reale Nahtgeometrie einschließlich aller Krümmungen und Varianten. Erst dieser Test macht aus der Anforderung einer 100%-Prüfung eine belastbare Systemauslegung.

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