Feinfühliger Antrieb erlaubt neuen Ansatz beim Laserschweißen

Das Fügen dünner Bleche ist eine Domäne des Lasers. Ob löten oder schweißen, die Nähte sind immer sehr schmal, gleichmäßig und belastbar. Die hohe, gezielt punktuell eingebrachte Energie erlaubt große Schweiß-geschwindigkeiten. Diese Leistung erfordert aber zwingend eine hochgenaue Steuerung und Positionierung des Lasers. Ein neues Verfahren mit mechanischer Abtastung bringt beste Positionierung bei schneller Einrichtung.

Bislang nimmt beim Laserschweißen eine Kamera den Verlauf der Fügefuge auf, der Rechner wertet das Bild aus und gibt dem Schweißroboter Steuerungsbefehle. Dieser positioniert dann den Laserkopf. Nachteil dieser Lösung ist die verzögerte indirekte Bewegung des Kopfes, er "hinkt" immer dem Kameraverlauf hinterher. Auch ist für die zuverlässige optische Nahterkennung eine möglichst gleichbleibende Oberfläche, Reflexion und Beleuchtung notwendig. Abweichungen führen zu Fehlern, daher muss über langwieriges Einrichten diese Fehlerquelle minimiert werden. Um hier bessere Ergebnisse zu erreichen, hat scansonic einen völlig neuen Ansatz gewählt: die mechanische Abtastung.

Mechanisch abgetastet

Die Entwickler gingen bei der mechanischen Laserkopfführung andere Wege. Sie nutzen die für eine Fügung zwangsläufig vorgegebenen Voraussetzungen aus. Am Stoß zweier Bleche ergibt sich immer ein Absatz, ebenso beim Schweißen im Winkel, entweder durch Überlappung der Bleche oder durch den Fügespalt. Für die Schweißung wird heute häufig Zusatzmaterial per Zuführungsdraht in den Schweißfokus eingebracht. Ein "Tastdraht" ist daher immer vorhanden. Nimmt man diese beiden Komponenten zusammen, so kann man damit eine optimale, d.h. punktgenaue Steuerung des Schweißkopfes erreichen. Wird der Zusatzdraht immer leicht gegen die Kante des überlappenden Bleches gedrückt und diese Kraft als Parameter für die Kopfsteuerung verwendet, so folgt der Schweißfokus exakt dem Stoßverlauf. Dies geschieht simultan zur Bewegung des Kopfes, eine verzögerte Steuerung des Kopfes ist nicht nötig. Abweichungen durch Toleranzen gleicht ein solches Vorgehen unverzüglich aus. Die Naht wird so immer genau an der Stelle aufgebracht, an der sie verfahrenstechnisch sein muss – eben an der Kante der Überlappung der Fügepartner. Da diese Abtastung rein mechanisch funktioniert, spielen weder optische Reflexion noch Beleuchtung oder unterschiedliche Blechoberflächen eine Rolle. Selbst Schattenwurf oder Lichtblitze von anderen Arbeitsvorgängen stören nicht. Da der Zusatzdraht als "verlorener Sensor" stets erneuert wird, gibt es auch keinen Verschleiß.

Semiautarker Laserkopf

Zusätzlich zur mechanischen Abtastung bietet der ALO-Kopf (Adaptive-Laser-Optik) weitere Vorteile. Der hochintegrierte Laserkopf übernimmt die Feineinstellung auf die Schweißnaht selbst. Statt wie herkömmlich die Steuerung des gesamten Schweißprozesses über den Schweißroboter zu fahren, erlaubt die neue Vorgehensweise ein weit schnelleres Einrichten. Der Roboterschweißarm gibt hier nur noch die grobe Richtung vor. Die Steuerung des Laserkopfes übernimmt dann selbst die Feineinstellung und den Toleranzausgleich an der Naht im Bereich von ± 5 mm. Um exakte, reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, arbeitet scansonic hier mit dem Kleinmotorenspezialisten FAULHABER zusammen. Für den nötigen Drahtanpressdruck sorgt ein Sinusmotor mit abgestimmtem Getriebe. Er erlaubt eine schnelle und feinfühlige Nachführung des gesamten Laserkopfes. Dazu wird das Drehmoment des Motors ausgewertet; das ist das Maß für den Anpressdruck. Der Sinusmotor mit dem integrierten Motion Controller erlaubt eine präzise Motorstromerkennung; eine genaue Messung ist also kein Problem. Mit dieser Andruckkontrolle kann die Schweißnaht in x-, y-Richtung zweidimensional erfasst und exakt verfolgt werden. 

Einsatz in der Automobilindustrie.

Die Nachführung in der z-Achse übernimmt ein Teleskoparm mit integriertem Wegsensor. Zusammen mit dem nachgeführten Zusatzdraht ergibt sich so eine stets ideale (Laser)punktgenaue Nachführung des Schweißfokusses exakt an der Fügekante entlang. Da der Kopf kleinere Abweichungen selbst ausgleicht, kann die Robotersteuerung auf den groben Nahtverlauf fest eingestellt werden. Einrichten und Einlernen der neuen Schweißköpfe ist je nach Aufgabenstellung eine Frage von nur wenigen Stunden.

Exakt positioniert und ausgewertet

Der eingesetzte FAULHABER Sinusmotor ist für diesen Anwendungsfall optimal geeignet. Die äußerst kompakte Bauform mit integriertem "Huckepack"-Motion-Controller erlaubt es, den Kopf klein und leicht zu gestalten. Die leicht verständliche Software "Motion-Manager" erleichtert die Abstimmung auf die jeweiligen Schweißparameter. Dazu ist die feinfühlige Auswertung der Betriebsdaten des Motors notwendig. Über die integrierte Steuerungselektronik wird der Antriebsstrom des Motors bestimmt und als "Kraftsensor" ausgewertet. Zusätzlich erlauben die integrierten analogen Hallsensoren eine Positionserkennung. Aus Lage und Stromerkennung wird so das nötige Steuerungssignal für den Laserkopf errechnet. Da der Motor sehr dynamisch ausgelegt ist, kann bei Abweichungen von den eingegebenen Werten sehr rasch nachgeregelt werden. Die Schweißnaht bleibt exakt an der "führenden" Stoßkante der Bleche. Der Sinusmotor übermittelt die Daten per RS-232-Schnittstelle zur Steuerung. Optimale Positionsbestimmung am exakten Schweißfokus bei geringstem Aufwand zeichnet das neue Steuerungssystem aus. Modernste Antriebstechnologie von FAULHABER liefert dazu einen wichtigen Beitrag.

Brennpunkt der Optik und Zusatzdrahtzuführung treffen sich im Schweißpunkt. Die Teleskopfeder mit Wegsensor ist für die Nachführung in der z-Achse zuständig.