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Anwenderberichte

Präziser Laser-Schweißprozess mittels Vision System In-Sight

Trumpf Laser with insight 5705

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 Das Aufgabenfeld extrem genauer Laser-Schweißtechnik von kleinen Teilen ist pure High-Tech. Kaum zu glauben, dass man in diesem diffizilen Produktionsprozess auf Grund von Kundenfreundlichkeit eine Systemphilosophie im gewissen Sinne von ‚Plug and Play’ erfolgreich vertritt.

 

Durch die Bündelung des Know-hows in einer strategischen Partnerschaft - der Trumpf Laser GmbH & Co KG mit der Rohwedder AG Vision Technology - wurden im Interesse der Kunden überzeugende Schritte in Technologie und globaler Vermarktung umgesetzt. In diesem markanten Beispiel der Zusammenarbeit wird deutlich, welchen wichtigen Einfluss die Industrielle Bildverarbeitung (IBV) in der gemeinsamen, weltweiten Marktpräsenz hat. Als Laserspezialist ein Unternehmen der Trumpf Gruppe einerseits und andererseits der Rohwedder Konzern als Systempartner der Automatisierungstechnik  werden gemeinsam strategische Ziele verwirklicht.

 

Flexible Präzision
Die Firma Trumpf Laser in Schramberg entwickelt und fertigt Maschinen und Anlagen mit Festkörperlasern, die in den unterschiedlichsten Branchen wie beispielsweise Automotive oder Medizintechnik eingesetzt werden. Diese Maschinen zeichnen sich insbesondere durch ihre modulare Bauweise und hohe Fertigungsflexibilität aus. Ein Bereich der industriellen Anwendung ist das Präzisionsschweißen von kleinen Bauteilen unterschiedlichster Metalle. Dafür eingesetzt werden Festkörperlaser mit einer sehr guten Strahlqualität und den daraus resultierenden Vorteilen eines besonders günstig gestaltbaren Bearbeitungsabstandes.

In Verbindung mit dem Modul der programmierbaren Fokussier-Optik (PFO) ergibt das die Möglichkeit einer sehr flexiblen Arbeitsweise, weil man durch den größeren Abstand nicht mit Spannelementen in Konflikt gerät. Das Ziel für diesen Bearbeitungskopf ist es, dass er schnell und sehr einfach von einem Anlagenbauer integriert werden kann.

Über zwei motorisch gesteuerte Spiegel und das Linsensystem wird der Laserstrahl mit hoher örtlicher Präzision in den Achsen X und Y sowie Z auf den Bearbeitungspunkt sehr genau fokussiert, ohne dass die PFO oder das Werkstück bewegt werden. Über das Laserprogramm WinLas wird das PFO-Programm aufgerufen, in dem die Geometriedaten der zu schweißenden Punkte und Nähte festgelegt sind.

 

In einem wichtigen Entwicklungsschritt musste mit Hilfe eines integrierten Bildverarbeitungssystems eine automatische Anpassung der Schweißposition an die jeweils vorhandene Werkstücklage und dessen Geometrie – ohne einen Bedienereingriff mit hoher Funktionssicherheit präzise ermöglicht werden. Die Bildverarbeitung hat dabei die Aufgabe die Daten einer Koordinaten-Transformation sehr genau und sicher zu ermitteln. Das heißt die Abweichung der Koordinaten von der tatsächlichen Werkstücklage zu den Koordinaten der Geometrie des PFO-Programmes. Die Zielsetzung musste auch berücksichtigen, dass eine vollständige Abwärtskompatibilität für den Anwender geboten wird, so dass bereits bestehende Schweißanlagen mit der neu integrierten Bildverarbeitung problemlos nachgerüstet werden können.

Deshalb benötigte das Schramberger Unternehmen einen kompetenten Partner aus der industriellen Bildverarbeitung, der diese komplexe Aufgabe zuverlässig lösen kann. Die Bildverarbeitung in Machbarkeit, Systemaufbau und Betreuung sind im Grunde genommen eigene Geschäftsfelder. Man wollte sich bei Trumpf auf das Kerngeschäft konzentrieren und dennoch die IBV in ausgeprägt effektiver Weise sowohl technologisch als auch vertriebstechnisch integrieren. Für den Kunden bedeutet das eine komplette Systemtechnologie einfacher Installation und die schnelle Realisierung seiner Aufgaben. Kurzum aus einer Hand und einer Verantwortlichkeit.

 

Sicherheit in Investition und Amortisation
Mit der Firma Rohwedder AG Vision Technology in Markdorf bestanden bereits gute Erfahrungen der Zusammenarbeit. Sie verfügt über einen schlagkräftigen Stab von Fachleuten der Bildverarbeitung mit umfangreichem Know-how und großer Erfahrung. Außerdem ist das Unternehmen einer der Partner System Integratoren (PSI) des Weltmarktführers von Komponenten in Hard- und Software der Bildverarbeitung - der Cognex Corporation. Dies ist auch ein weiterer wichtiger Aspekt in der globalen Vermarktung des Werkzeuges PFO. Das bedeutet einerseits den Aspekt einer guten Referenz und andererseits die Investitionssicherheit. Für die weltweiten Anwender ist es letztlich von großer Bedeutung, dass sie auch längerfristig einen zuverlässigen Service gewährleistet bekommen. Der Zugriff auf gegebenenfalls erforderliche Ersatzteile oder die Aufrüstungen zu leistungsstärkeren Vision-Sensoren kann umgehend erfolgen, und sie können sofort 1:1 eingesetzt werden.

Erst durch das Werkzeug PFO werden viele Anwendungen einer stabilen und vollautomatischen  Produktion möglich. In der Vergangenheit notwendige und oft aufwändige Positionier- und Spannvorrichtungen der genauen Teilefixierung zum Laser können entfallen, oder erheblich einfacher gestaltet werden. Toleranzen im Bauteil selbst, die auch durch eine exakte Einspannung nicht kompensierbar sind, können dennoch ausgeglichen werden. Die Flexibilität in der Arbeitsweise, die Erhöhung des Automatisierungsgrades und die erhebliche Steigerung in der Fertigungsqualität, minimieren den Ausschuss und senken die Fertigungskosten. Darüber hinaus ergeben sich noch weitere Möglichkeiten im Hinblick auf den gesamten Prozess der Qualitäts- und Prozesskontrolle.

 

Schnell, dynamisch und präzise
Verwendet werden die Hochleistungs-Vision-Sensoren der Familie In-Sight® als vollkommen autarkes Bildverarbeitungssystem mit hohen Leistungsmerkmalen und einem industriegerechten robusten Gehäuse der Schutzklasse IP67 (NMEA 6). Bei komplexeren Anforderungen kann auch der In-Sight eingesetzt werden. Die Performance der Vision-Sensoren bietet genügend Reserven um auch schnellere Fertigungstaktraten mit komplexeren Anforderungen zu bewältigen. Durch die kompakte Bauform wird In-Sight Platz sparend direkt am PFO angeflanscht. Der optische Kanal des Lasers ist auch gleichzeitig der Kanal für die Bildaufnahmen. Die bildbasierte Kontrollfunktion der Werkstücke erfolgt damit unmittelbar direkt am Ort des Laserbrennpunktes und es sind keine zusätzlichen Kompensationen erforderlich.

Von herausragender Bedeutung erwiesen sich die äußerst präzise arbeitenden Algorithmen und Vision-Tools, die bereits in der Bildverarbeitungs-Bibliothek integriert sind. Sie basieren auf dem mächtigen Vision-Softwarepakt PatMax® von Cognex. Im Gegensatz zur Grauwertkorrelation verwenden diese patentierten Verfahren die geometrischen Grundstrukturen der Objekte - wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen. Die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen zentralen Merkmalen des eintrainierten Bildes werden mit dem Echtzeit-Bild verglichen. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation wird dann die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Das gewährleistet sehr hohe Auflösungen bis in den Subpixelbereich und ermöglicht sichere Winkelbestimmungen von Objekten bis 0,02 Grad. Die gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes eliminiert wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse.

Durch die extrem genaue Bildverarbeitung können die im PFO-Programm festgelegten Geometriedaten des Schweißprozesses durch eine Koordinaten-Transformation an die tatsächliche Lage der Werkstücke präzise angepasst werden. Bei standardartigen Anwendungen liegt die Reaktionszeit einer kompletten Bildauswertung bei etwa 180 msec. Die kompletten Ergebnisse von In-Sight - Bilder und Koordinatendaten - werden über die integrierte Ethernet-Schnittstelle direkt an den FDP-Server des Lasers übertragen und verwaltet. Der Einsatz von In-Sight erspart einen Bildverarbeitungs-PC und die gesamte Systemlösung zeichnet sich durch eine ausgeprägt Flexibilität aus. Die speziell von Trumpf entwickelte Weißlicht LED-Ringbeleuchtung ist mit einem Schnellwechseladapter versehen und kann damit auch jederzeit durch andere LEDs an neue Aufgaben schnell angepasst werden.

Als weiterer Vorteil dieses Bildverarbeitungsprojektes erwies sich die darin integrierte Entwicklungsumgebung In-Sight Explorer. Auf vertrauter Microsoft-Windows XP Bedieneroberfläche bieten die Tools dieses Softwarepaketes eine äußerst zeitsparende und anwendungsspezifisch effektive Programmierlösung. Das gilt auch für sehr komplexe Vision-Aufgaben mit den Vision-Sensoren der  Produktfamilie In-Sight. Über diese komfortable Bedieneroberfläche kann man auch jederzeit tiefer in die Programmierung eingreifen. Diese Entwicklungsumgebung erleichterte auch die Integration der Bildverarbeitung in die Fehlerdiagnose des Laserservers mit WinLas. Die Bildverarbeitung ist in die Telepräsenz der Laseranlage eingebunden. Dies ist aber kein freier Zugang, sondern erfolgt geschützt über einen elektronischen Dongl - in der Automobilindustrie zugelassenen und zertifiziert.  

 

Schnelle Ergebnisse der Machbarkeit
Ganz im Interesse der Kunden hat man die Vorgehensweise so gestaltet, dass der zukünftige Anwender sehr schnell eine detaillierte Machbarkeit seiner Aufgabe erhält. Er sendet an Trumpf Laser einige Musterteile mit seinen Anforderungen. Gleichzeitig erhält der Bildverarbeitungs-Partner Rohwedder AG Vision Technology ebenfalls die Unterlagen für die reine Aufgabe der Bildverarbeitung. Den Kunden interessieren normalerweise kaum Insiderinformationen zur Bildverarbeitungs-Messgenauigkeit in Pixel. Für ihn ausschlaggebend sind die Systemzuverlässigkeit, die Zielgenauigkeit sowie Toleranz in µm, und dass der Anlagenbediener ohne Kenntnisse der Bildverarbeitung auskommt.

Aus den Ergebnissen beider Unternehmen ergibt sich dann die Entscheidung für den gesamten Aufwand und auch bezüglich der Projektverantwortlichkeit. Aufgaben die weitgehend standardmäßig gelöst werden können verbleiben in kompletter Verantwortlichkeit von Trumpf Laser. Ist die Aufgabe aber sehr komplex und eine Sonderlösung, dann übernimmt die Firma Rohwedder AG Vision Technology die gesamte Projektverantwortlichkeit.

Im Maschinenlabor von Trumpf Laser wird die Machbarkeit der Aufgabe in allen Prozessschritten gründlich geprüft. Durch den Synergieeffekt der parallelen Arbeit beider Unternehmen und verkürzter Kommunikationswege ergeben sich günstige Zeitfenster für die komplette Realisierung. Die Fertigungsanlage von Laser mit kompletter Bildverarbeitung und allen definierten Bauteilen und deren Funktionsumfang wird im Hause Trumpf unter Fertigungsbedingungen abgenommen. Die abschließende Installation und Produktionsaufnahme beim Kunden kann damit sehr schnell erfolgen.

Diese Vorgehensweise in fester Partnerschaft hat sich bereits in einer Reihe von Projekten bestens bewährt. So sind bereits mehr als zehn PFOs mit integrierter Bildverarbeitung in unterschiedlichen industriellen Bereichen im Einsatz. All diese Systemeinsätze, bereits vor dem offiziellen Vertrieb, waren Nachrüstungen oder Beta-Systeme. Insbesondere bei den Nachrüstungen zeigte sich durch die Rückwärtskompatibilität zu bereits installierten PFOs ein recht positiver Effekt im Sinne einer Philosophie des ‚Plug and Play’. Bezüglich der Programmierbaren Fokussier-Optik mit integrierter Bildverarbeitung bestehen damit schon recht umfangreiche Erfahrungen unter realen Produktionsbedingungen. Das ist ein großer Vorteil für die zukünftigen Kunden.

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