Nullpunktverschiebung für Schweißen, Bohren und Fügen: den Prozess auf das reale Bauteil ausrichten

Ein Schweißpunkt liegt neben der Sollposition, eine Bohrung ist versetzt oder eine Markierung sitzt schief auf der Kolbenstange. In der Metallverarbeitung entstehen solche Fehler nur selten, weil der eigentliche Prozess ungenau arbeitet. Häufiger liegt die Ursache darin, dass das Bauteil nicht dort positioniert ist, wo der Prozess es erwartet.

Die Nullpunktverschiebung setzt an diesem Punkt an. Anstatt das Bauteil mit hohem mechanischem Aufwand zu zentrieren, erfasst ein Bildverarbeitungs- oder Lasermesssystem seine tatsächliche Lage. Anschließend wird der Prozess um den ermittelten Versatz korrigiert.

Dieser Beitrag zeigt, wie Sie ein geeignetes Referenzmerkmal auswählen, den Korrekturwert zuverlässig an einen Roboter oder eine Achse übertragen und auch auf heißen oder spiegelnden Oberflächen präzise arbeiten. Die direkte Übergabe der absoluten Bauteilposition wird im Leitartikel behandelt. Im Mittelpunkt dieses Beitrags steht die Ermittlung und Nutzung des Korrekturwerts.

Wichtige Punkte im Überblick

Fehler wie ein versetzter Schweißpunkt oder eine schiefe Markierung entstehen nicht durch einen ungenauen Prozess, sondern weil das Bauteil nicht dort liegt, wo der Prozess es erwartet.
Werkstückträger, Fördertechnik und Roboter summieren ihre Einzeltoleranzen in dokumentierten Anwendungen zu mehreren Millimetern, während der Schweiß-, Bohr- oder Fügeschritt eine deutlich engere Lage verlangt.
Der wichtigste Auslegungsschritt ist die Wahl des Referenzmerkmals: eine Bohrung ist besonders robust, weil sie Position und oft auch eine Winkelinformation zugleich liefert.
Statt der absoluten Lage übergibt das System nur die Abweichung als Korrekturwert an Roboter oder Achse, sodass das bewährte Programm bestehen bleibt und lediglich um den Versatz verschoben wird.
Auf heißem und reflektierendem Material misst ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 die Naht- und Kantenposition über ein Höhenprofil aus sicherem Abstand, unabhängig von Farbe und Glanz.

Warum summierte Toleranzen von Zuführung, Träger und Roboter den Prozess treffen

Kein Element der Prozesskette arbeitet vollkommen fehlerfrei. Ein Werkstückträger kann Spiel aufweisen, die Fördertechnik kann das Bauteil mit einer gewissen Streuung ablegen und auch der Roboter verfügt über eine begrenzte Wiederholgenauigkeit. Jede einzelne Abweichung ist zunächst gering. In ihrer Summe können daraus jedoch mehrere Millimeter Unsicherheit am eigentlichen Prozesspunkt entstehen. Für Schweiß-, Bohr- oder Fügeprozesse ist diese Abweichung häufig zu groß.

Die Folgen sind in vielen Bereichen der Metallverarbeitung vergleichbar:

Ein Schweißpunkt wird versetzt gesetzt, weil das Stanzteil im Nest leicht verrutscht ist.
Eine Markierung liegt außermittig auf einer runden und reflektierenden Oberfläche.
Ein Greifer kollidiert, weil das Blech einige Millimeter neben der erwarteten Position liegt.
Ein Fügeteil wird verkippt eingesetzt, weil die Zentrierung für eine neue Variante nicht mehr ausreicht.

Auslöser für ein entsprechendes Projekt ist häufig eine Reklamation aufgrund eines Markier- oder Fügefehlers. Sobald ein solcher Fehler beim Kunden auftritt, wird meist eine vollständige Prozessabsicherung gefordert. Genau hier bietet die Nullpunktverschiebung einen entscheidenden Vorteil. Sie macht den Prozess nicht starrer, sondern erhöht seine Fähigkeit, Positionsabweichungen auszugleichen.

Das passende Referenzmerkmal auswählen: Kante, Bohrung, Naht oder Markierung

Der wichtigste Auslegungsschritt ist die Auswahl des Bezugsmerkmals. Das System benötigt ein Merkmal, das auf jedem Bauteil eindeutig vorhanden, wiederholbar erfassbar und ausreichend sichtbar ist. In der Praxis kommen dafür häufig Kanten, Bohrungen, Schweißnähte oder vorhandene Markierungen infrage. Jedes dieser Merkmale bietet spezifische Vorteile.

Eine Kante ist in vielen Fällen verfügbar und liefert eine eindeutige Richtung. Auf glänzendem oder öligem Blech kann ihr Grauwert jedoch schwanken. Die Beleuchtung hat daher großen Einfluss auf die Erkennungsstabilität.

Eine Bohrung oder ein Langloch ist häufig besonders robust. Das Merkmal liefert die Position und kann zusätzlich Informationen zur Winkellage enthalten. Zudem ist es im Kamerabild oft kontrastreich und klar abgrenzbar.

Eine Schweißnaht eignet sich vor allem dann, wenn der nachfolgende Prozess ohnehin auf diese Naht ausgerichtet ist. Das gilt beispielsweise für Nachschweißungen oder für Fügeprozesse entlang einer Naht.

Auch eine bereits vorhandene Markierung kann als Referenz dienen. Voraussetzung ist, dass sie zuverlässig und mit gleichbleibender Lage aufgebracht wurde. Schwankungen in Form, Kontrast oder Position können die Eignung als Bezugsmerkmal beeinträchtigen.

Bei allen Varianten muss die Oberfläche berücksichtigt werden. Ölfilme, Zunder und Reflexionen können ein grundsätzlich geeignetes Merkmal unzuverlässig machen. Das Referenzmerkmal sollte deshalb nicht anhand eines gereinigten Musterteils ausgewählt werden, sondern am realen Bauteil im tatsächlichen Produktionszustand.

Wenn ein Grauwertmerkmal keine ausreichende Stabilität bietet, kann ein Höhenmerkmal die bessere Wahl sein. Es ist weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz und lässt sich häufig mit einem Laser-Profilsensor zuverlässig erfassen.

Vom Ist zur Nullpunktverschiebung: Korrekturwert an Roboter und Achse übergeben

Das Grundprinzip ist einfach. Das System erfasst die Ist-Lage des Referenzmerkmals und vergleicht sie mit der eingelernten Sollposition. Die Differenz in X und Y sowie im Drehwinkel bildet den Korrekturwert. Falls erforderlich, wird zusätzlich die Abweichung in Z berücksichtigt.

Dieser Korrekturwert wird an den Roboter oder die zuständige Achse übertragen. Der Folgeprozess kann in seinem bestehenden Programm weiterlaufen. Lediglich der Bezugspunkt wird um den gemessenen Versatz korrigiert.

Gegenüber der direkten Ausgabe absoluter Koordinaten hat dieses Verfahren den Vorteil, dass nur geringfügig in den bestehenden Ablauf eingegriffen werden muss. Das bewährte Roboterprogramm bleibt erhalten. Es wird lediglich um die ermittelte Nullpunktverschiebung ergänzt.

So kann ein Laser eine Kolbenstange trotz einer ungenauen Zuführung an der richtigen Stelle beschriften. Ein Schweißroboter setzt den Schweißpunkt trotz des Spiels im Werkstückträger mittig, und eine Fügeanlage richtet ein Blechpaket trotz vorhandener Positionsabweichung korrekt aus.

Zur vollständigen Auslegung gehört auch die Frage, welches System den Korrekturwert empfängt. Nicht immer wird dieser direkt an den Roboter übertragen. Einige Betreiber bevorzugen die Kommunikation über die SPS. In anderen Anlagen wird eine separate Verfahrachse angebunden.

Im Lastenheft sollte daher frühzeitig festgelegt werden, ob der Empfänger der Roboter, eine Achse oder die übergeordnete Steuerung ist. Ebenso wichtig ist die Definition des Koordinatensystems, in dem der Korrekturwert erwartet wird. Je nach Prozess liegen die Anforderungen an die Korrekturgenauigkeit zwischen wenigen Zehntelmillimetern und etwa 0,05 mm.

Schweißnahtführung und Fügen: Position auch auf heißen und reflektierenden Oberflächen

Einige der anspruchsvollsten Messaufgaben finden direkt am Prozess statt. Dort herrschen häufig schwierige Bedingungen. Beim induktiven Biegen und Schweißen von Rohren muss beispielsweise der Abstand zwischen Naht und Induktor konstant gehalten werden. Gleichzeitig ist das Material heiß und stark reflektierend. Eine berührende Messung ist unter diesen Bedingungen meist nicht möglich. Auch eine Kamera kann durch wechselnde Reflexionen an ihre Grenzen kommen.

Hier spielt die Erfassung eines Höhenmerkmals ihre Stärke aus. Ein 2D- oder 3D-Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 misst die Position von Naht und Kanten aus sicherer Entfernung. Das System erfasst die Lage als Profil und arbeitet dabei weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz. In dokumentierten Anwendungen liegt der nutzbare Arbeitsbereich zwischen Naht und Werkzeug im Bereich einiger Zentimeter. Dadurch bleibt der erforderliche Sicherheitsabstand zum heißen Bauteil erhalten.

Beim Fügen von Blechpaketen und Baugruppen steht dagegen die Zentrierung vor dem eigentlichen Prozess im Mittelpunkt. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G ermittelt die Mitte oder eine Referenzkante und berechnet daraus den erforderlichen Versatz. Das Blechpaket kann dadurch auch bei einer ungenauen Zuführung mittig gefügt werden.

Für Anwendungen, die das Aufnehmen und gleichzeitige Ausrichten eines Bauteils erfordern, eignet sich die 2D-Roboterführung 2D VGR. Sie ermittelt Position und Drehwinkel und stellt den daraus berechneten Korrekturwert in einem Arbeitsschritt bereit.

Schnittstellen und Koordinatenabgleich: Profinet, EtherNet/IP, TCP/IP

Damit der Korrekturwert zuverlässig übertragen werden kann, müssen Messsystem und Steuerung miteinander kommunizieren können. Die Übergabe erfolgt typischerweise über Feldbusse wie Profinet und EtherNet/IP oder über eine TCP/IP-Verbindung. Ein markenunabhängig ausgelegtes System mit diesen Schnittstellen lässt die Wahl von Roboter und Steuerung flexibel.

Ein gemessener Versatz kann nur dann in eine sinnvolle Roboterbewegung umgesetzt werden, wenn Kamera und Roboter in einem gemeinsamen Koordinatensystem arbeiten. Dafür ist ein präziser Koordinatenabgleich erforderlich. Die Hand-Auge-Kalibrierung sollte möglichst werkzeuggestützt und wiederholbar durchgeführt werden. So lässt sie sich nach einem Werkzeugwechsel oder einer Wartung ohne langwierige manuelle Korrekturen reproduzieren.

Ein häufiger Sonderfall ist eine vorhandene SPS ohne freie Schnittstelle. In diesem Fall kann eine direkte Verbindung zur Robotersteuerung sinnvoll sein. Sie ermöglicht die Übertragung des Korrekturwerts, ohne die bereits stark ausgelastete Anlagensteuerung zusätzlich zu belasten.

Von der Reklamation zur Absicherung: Markier- und Fügeversatz vermeiden

Am Anfang eines solchen Projekts steht häufig ein konkreter Fehler. Ziel ist eine dauerhaft belastbare Prozessabsicherung. Der Weg dorthin führt über einen Machbarkeitsnachweis mit Originalteilen.

Stellen Sie Testmuster in allen relevanten Varianten und im tatsächlichen Produktionszustand bereit. Die Teile sollten beispielsweise ölig, zunderbehaftet, warm oder frisch bearbeitet sein. Gerade die Oberflächenbeschaffenheit entscheidet darüber, wie stabil sich das Referenzmerkmal erfassen lässt.

Die erforderliche Genauigkeit sollte aus der Toleranz des Folgeprozesses abgeleitet werden und nicht aus der allgemeinen Vorgabe, das System solle möglichst genau arbeiten. Nur ein konkreter, prozessbezogener Zielwert ermöglicht eine sinnvolle Auslegung der gesamten Kette aus Kamera, Beleuchtung, Kalibrierung und Roboter.

Im Machbarkeitstest sollte außerdem die Taktzeit unter realen Bedingungen überprüft werden. Ein System kann mit einem einzelnen Musterteil zuverlässig funktionieren und in der Serienproduktion dennoch an der Variantenvielfalt oder an der geforderten Zykluszeit scheitern.

Auch die Verantwortung für Integration und Inbetriebnahme sollte frühzeitig geklärt werden. Möglich sind die Eigenintegration durch den Maschinenbauer, die Unterstützung durch einen Applikationsingenieur oder die vollständige Umsetzung durch einen Integrator. Schnittstellen und Zuständigkeiten sollten vor der Bestellung eindeutig feststehen. So wird aus einer einzelnen Reklamation eine dauerhaft abgesicherte Fertigung.

Häufige Fragen

F Was ist eine Nullpunktverschiebung beim Roboterschweißen?

Bei einer Nullpunktverschiebung übergibt das System nicht die absolute Lage des Bauteils. Stattdessen ermittelt es die Abweichung eines Referenzmerkmals von seiner Sollposition und überträgt diese als Korrekturwert.

Der Schweißprozess läuft weiterhin mit seinem bestehenden Programm. Die Schweißbahn oder Position wird lediglich um den ermittelten Versatz korrigiert. Dadurch trifft der Schweißpunkt auch dann zuverlässig, wenn das Bauteil durch Werkstückträger und Zuführung nur ungenau positioniert bereitgestellt wird.

F Welches Referenzmerkmal eignet sich für die Positionskorrektur?

Geeignet ist jedes Merkmal, das auf allen Bauteilen eindeutig vorhanden, wiederholbar erfassbar und ausreichend sichtbar ist. Typische Beispiele sind Kanten, Bohrungen, Schweißnähte oder prozesssicher aufgebrachte Markierungen.

Eine Bohrung ist besonders robust, da sie die Position und häufig auch Informationen zur Winkellage liefert. Wenn ein Grauwertmerkmal auf glänzendem Blech nicht zuverlässig erkannt wird, kann ein Höhenmerkmal die bessere Wahl sein. Es ist weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz.

F Wie genau lässt sich der Prozess über eine Korrektur ausrichten?

Die erreichbare Korrekturgenauigkeit hängt vom Bildfeld, der Auflösung und der Beleuchtung ab. Ebenso entscheidend ist die gesamte Prozesskette aus Kamera, Kalibrierung und Roboter.

In der Praxis liegen typische Anforderungen zwischen wenigen Zehntelmillimetern und etwa 0,05 mm. Welche Genauigkeit für die jeweilige Anwendung tatsächlich erreichbar ist, sollte in einem Machbarkeitstest mit Originalteilen überprüft werden.

F Wie erfasse ich eine Schweißnaht auf heißem, reflektierendem Material?

Bei heißem und stark reflektierendem Material ist eine berührende Messung meist nicht möglich. Eine reine Kamera kann zudem durch wechselnde Reflexionen beeinträchtigt werden.

Ein 2D- oder 3D-Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erfasst die Position von Schweißnaht und Kanten aus sicherer Entfernung anhand eines Höhenprofils. Dieses Messprinzip ist weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz. Dadurch kann der Abstand zwischen Naht und Werkzeug auch bei einem heißen Rohr innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs zuverlässig eingehalten werden.

F Funktioniert die Korrekturausgabe mit jeder Robotermarke?

Ja, sofern das Bildverarbeitungssystem markenunabhängig ausgelegt ist und die erforderlichen Schnittstellen unterstützt. Der Korrekturwert kann über gängige Kommunikationswege wie Profinet, EtherNet/IP oder TCP/IP an die Steuerung übertragen werden.

Die Kommunikation ist dadurch grundsätzlich unabhängig vom eingesetzten Roboter möglich. Wenn die vorhandene SPS keine freie Schnittstelle bereitstellt, kann alternativ eine direkte Verbindung zur Robotersteuerung eingerichtet werden.

F Warum reicht eine mechanische Zentrierung nicht mehr aus?

Eine starre Zentriervorrichtung ist in der Regel auf eine bestimmte Geometrie ausgelegt. Bei jeder neuen Variante muss sie angepasst oder umgebaut werden. Das verursacht zusätzlichen Zeit- und Konstruktionsaufwand.

Die Nullpunktverschiebung ersetzt diese starre Ausrichtung durch eine Messung. Dadurch kann der Prozess flexibler auf unterschiedliche Varianten reagieren. Gleichzeitig lassen sich Positionsabweichungen erkennen und ausgleichen, bevor sie zu einem Folgefehler oder einer Reklamation führen.

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