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Artikel aus "EuroLaser" 1/98 von Franz J. Gruber (Chefredaktion):

Die Präzision der 3D-Naht
 

Nahtverfolgungs-
                    Sensorik
                            beim Laserschweißen

 
"Der beste Sensor ist der, den man nicht braucht!" Wer kennt ihn nicht diesen viel zitierten Spruch eingefleischter Schweiß- Praktiker, die bei Automatisierungslösungen möglichst ohne Regelung auskommen wollen. Und doch zeigt sich, insbesondere beim Laserschweißen mit Industrierobotern, zunehmend die Notwendigkeit einer hochgenauen Nahtverfolgungssensorik. Der prominenteste Vertreter dieser Sensorgattung ist wohl der SCOUT aus dem Hause Dr. Barthel Sensorsysteme GmbH, nunmehr schon in seiner dritten Generation auf dem Markt verfügbar.

 
SchweißlaserUm es vorweg zu sagen: Die Möglichkeiten des Scout- Sensors sind nicht auf das Gebiet des Laserschweißens beschränkt. Die jüngste Generation erlaubt auch den Einsatz des Systems beim MAG-, MIG- und WIG- Schweißen. Daß er sich dennoch gerade bei Laserschweißanwendungen einer großen Resonanz erfreut, hängt in erster Linie mit den dort notwendigen

Genauigkeitsanforderungen zusammen - aber auch mit der Tatsache, daß Dr. Barthel sich auf diesen Markt besonders konzentriert. Der Grund: Neben der speziellen Eignung des Sensors ist es so, daß zum Thema Laserschweißen der Wettbewerb lange nicht so ausgeprägt ist wie beispielsweise bei Nahtverfolgungssystemen für das Lichtbogenschweißen.

Die Ursprünge des Scout reichen acht Jahre zurück. Entstanden ist das System bei der DASA in München, wo die Idee geboren wurde, auf der Basis einer (eigentlich für andere Zwecke entwickelten) äußerst leistungsfähigen Bildverarbeitungskarte ein Nahtverfolgungssystem für die dreidimensionale Laserbearbeitung zu entwickeln. Damals eine naheliegende Idee, immerhin gehörten Laserportale für Schweißaufgaben in der Automobilindustrie in jener Zeit ebenfalls zu den Betätigungsfeldern des Hightech- Unternehmens.

Der Rückzug aus den vielfältigen Laseraktivitäten der DASA sollte jedoch das Weiterbestehen des Sensorsystems nicht gefährden:

Dr. Barthel, innerhalb der DASA bereits für den Scout zuständig, brachte im Oktober 1994 zusammen mit vier weiteren Mitarbeitern eine ,,freundschaftliche und großzügige" Ausgründung auf den Weg und kümmert sich seither im eigenen Unternehmen um die Weiterentwicklung und Vermarktung des Scout-Sensors.
 

Worum geht es beim Scout?

Das Nahtverfolgungssystem positioniert Industrieroboter bzw. Portalsysteme mit einer Genauigkeit von +/-50 mm in drei Dimensionen entlang der Lasernaht und hilft dadurch Schweiß-, Schneid-, Kleb- oder Dichtoperationen bei Bahngeschwindigkeiten von mehr als 20 Metern pro Minute zu automatisieren. Die 3-D-Bildverarbeitung in Echtzeit (50Hz) folgt präzise dem dreidimensionalen Nahtverlauf. Dr. Barthel: ,,Die Genauigkeit und die mögliche Bahngeschwindigkeit sind die beiden prägnanten Pluspunkte unseres Systems. Dies begründet sich darauf, daß wir mit der leistungsfähigen Bildverarbeitungskarte die Möglichkeit haben, im Pixelstrom online auszuwerten. Wenn das Bild durch ist, ist auch das Ergebnis fertig."

Sensorkopf und Sensorrechner sind die zentralen Komponenten des Scout. Der Sensorkopf der vorlaufend an Portal oder Werkzeug befestigt ist, überträgt Videosequenzen der Naht oder Kante an den Rechner, der die Bilder nach dem Lichtschnitt-/Graubildverfahren auswertet. Jedes einzelne Videobild erfaßt bis zu fünf Meßpunkte, wodurch eine hohe Meßpunktdichte, ein großer Störabstand und das Erkennen von Nahtanfang und -ende garantiert sind. Der Sensorrechner basiert auf einem VME-Bus und unterstützt folglich alle standardisierten Schnittstellen. Beim Laserstrahlschweißen kann der Arbeitslaser sowohl über analoge als auch über digitale Schnittstellen gesteuert werden. Auch eindimensionale Anwendungen in der Nahtverfolgung mit separater Achse sind in Schwabing bereits erfolgreich getestet worden.

Die Dr. Barthel Sensorsysteme GmbH ist mittlerweile auf 8 Mitarbeiter angewachsen und dabei, weiter zu expandieren. Im neuen Firmendomizil in München-Schwabing könnte es bald wieder eng werden. Neben der Tatsache, daß zwei weitere Stellen zu besetzen sind, gibt es noch einen Grund für räumliche Enge: In Kürze wird ein Industrieroboter installiert, der den Münchner Technikern vor Ort für Versuche zur Verfügung steht.

Eine mehr als nützliche Investition, immerhin gehört die intelligente Einbindung der Scout-Meßdaten in die Maschinen- bzw. Robotersteuerung zu den Schwerpunkten der täglichen Arbeit. Dabei ist die Anbindung an die gängigsten Steuerungen bereits realisiert (Siemens 840, Siemens RCM, VW VRS1, IBH acro 8000, Power Automation PA 8000 sowie Comau C3G 900, Kuka VKR Cl in Vorbereitung).

Dennoch müssen immer wieder kundenspezifische Anpassungen durchgeführt werden. Es werden unterschiedliche Stufen der Einbindung verlangt, und zudem kann der Scout mehr als nur die Nahtposition messen. So wird automatisch jede Veränderung im Prozeß detektiert, die etwa durch thermische Veränderungen entstehen kann: Durch die Information über die Spaltbreite kann der Scout auch helfen, das Zusatzdrahtvolumen oder die Schweißparameter zu steuern. Beim Lichtbogenschweißen kann beispielsweise aufgrund der Nahtüberhöhung tendentiell die Qualität ermittelt und der Prozeß entsprechend nachgeregelt werden. Übrigens eine Tatsache, die Dr. Barthel und seinem Team schon einiges an Nachrüstarbeit eingebracht hat. ,,Bei einigen Anwendungen war es auch zunächst so, daß die Leute gesagt haben, wir brauchen die Nahtführung nicht. Später kam dann der Wunsch nach unserem System mit dem Argument: Es ist doch interessant zu wissen, ob der Spalt sich verändert hat."

Mehr als 50 Scouts sind mittlerweile ausgeliefert, wobei der Schwerpunkt der Kunden sich in der Automobilindustrie findet. Zumeist geht es hier um Schweißaufgaben im Karosseriebereich. Im Volkswagenwerk oder bei P.S.A. (Peugeot/Citroen) ist das Unternehmen gut im Geschäft, hat aber zu nahezu allen europäischen Automobilherstellern Kontakt. Darüber hinaus gibt es Kunden aus den Bereichen Waggonbau, Flugzeugindustrie oder auch aus dem Behälterbau für die Lebensmittelbranche.

Das Unternehmen ist seit seiner Gründung auf ein Produkt, nämlich den Scout, ausgerichtet. Dies wird sich jedoch ändern, besonders das Thema ,,nachlaufende Qualitätsinspektion " wird derzeit intensiv bearbeitet. Darüber hinaus gibt es konkrete Projekte, wo an einer Sensorik für das MAG-, MIG-Schweißen gearbeitet wird. Dr. Barthel hierzu: ,,Es geht darum, eine relativ leichte Meßaufgabe aus dem Umfeld ,Abgaskrümmer' mittels einer eigenen Sensorik zu lösen. Wir haben also auch in anderen Bereichen sehr viele Ideen für Produkte, wobei für uns lediglich die Einschränkung gilt: Wir machen ausschließlich optische Sensorik."

Dennoch gilt das Hauptaugenmerk dem Scout; auch deshalb, weil sich die Schwabinger Crew im letzten Jahr vor Anfragen und Aufträgen kaum retten konnte. Sensorik ist eben doch notwendiger, als viele Fertigungspraktiker dies wahrhaben wollen. Dr. Barthel dazu: ,,Von unserer Kapazität her war 1997 kaum zu bewältigen." Die jetzige 3. Generation des Sensorkopfes ist in puncto Kompaktheit mit dem allerersten Scout kaum mehr zu vergleichen. Noch kleiner soll die nächste Generation werden, die gegenwärtig zumindest auf dem Reißbrett existiert. Ziel ist hierbei, den Sensor komplett zu "verstecken". Integriert in den Bearbeitungskopf wird der künftige Scout seine Arbeit verrichten.

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