Automatyczna kontrola 3D przed i po spawaniu w zrobotyzowanej linii produkcyjnej z użyciem systemów wizyjnych Gocator dla branży automotive i e-mobility

• Branża: automotive / e-mobility / produkcja spawanych komponentów metalowych.
• Typ aplikacji: kontrola 3D przed i po procesie spawania.
• Środowisko pracy: zrobotyzowana, zautomatyzowana linia produkcyjna.
• Technologia: liniowy skaner 3D Gocator.
• Kontrolowane cechy: położenie i szerokość szczeliny, uskok między łączonymi elementami, wysokość spoiny, jej ciągłość oraz geometria wraz z kontrolą położenia, obecność ewentualnych przepełnień, przerw czy detekcja zupełnego braku spoiny.
• Cel wdrożenia: stabilizacja procesu spawania i automatyczna kontrola jakości 100% detali.
• Główna korzyść: mniej braków, szybsze wykrywanie błędów, lepsza powtarzalność procesu i łatwiejsza integracja układu pomiarowego z robotem przemysłowym oraz PLC.

Jednym z typowych problemów w zrobotyzowanych liniach spawalniczych jest rozbieżność między powtarzalnością pracy robota a zmiennością geometryczną samego detalu. Element nie zawsze trafia do stacji w identycznym położeniu, co może prowadzić do błędów pozycjonowania, zmiennej szerokości szczeliny oraz lokalnych uskoków pomiędzy łączonymi częściami. W konsekwencji rośnie ryzyko powstawania wad spoiny po zakończeniu procesu spawania, takich jak nieciągłości, nadlewy czy inne niezgodności geometryczne. W produkcji komponentów dla automotive, e-mobility oraz obudów metalowych tego rodzaju błędy mają bezpośredni wpływ na jakość połączenia i bezpieczeństwo w dalszej eksploatacji produktu.

Przed rozpoczęciem spawania należy zweryfikować pozycję elementów oraz potwierdzić, że szerokość szczeliny oraz uskok między nimi mieści się w wymaganym zakresie. Po wykonaniu połączenia konieczna jest natomiast weryfikacja jakości spoiny pod kątem występowania przepełnień, pęknięć, przerw oraz zgodności jej geometrii z założeniami technologicznymi. W aplikacjach związanych z mapowaniem lub śledzeniem szczeliny w czasie rzeczywistym, dodatkowo wyznacza się położenie środka szczeliny oraz jej szerokość, tak aby robot lub układ sterownia mógł odpowiednio skorygować tor prowadzenia i dobrać parametry pracy.

Jeśli kontrola jest realizowana zbyt późno albo w sposób wybiórczy, niezgodność ujawnia się dopiero po zakończeniu kolejnych etapów obróbki lub montażu. To oznacza wzrost kosztów oraz większą trudność w jednoznacznym przypisaniu źródła problemu do konkretnej stacji, partii produkcyjnej lub parametrów ustawienia procesu.

W wielu zakładach ocena jakości spoiny nadal opiera się na wyrywkowej kontroli ręcznej lub prostych systemach wizyjnych 2D. Takie podejście ma jednak istotne ograniczenia, ponieważ nie pozwala w wiarygodny sposób ocenić rzeczywistej geometrii powierzchni. System 3D dostarcza pełną informację o kształcie obiektu w osiach X, Y i Z oraz umożliwia pomiar objętościowy, co ma duże znaczenie zarówno dla kontroli jakości, jak i dla precyzyjnego prowadzenia robota. Metody 2D nie zapewniają natomiast rzetelnych danych o wysokości i głębokości, a dodatkowo są bardziej wrażliwe na zmiany kontrastu, oświetlenia zewnętrznego i powstawanie cieni.

W praktyce oznacza to, że standardowa kamera 2D może zarejestrować obecność spoiny, ale nie zawsze pozwala wiarygodnie ocenić jej rzeczywistą jakość. Trudno na tej podstawie jednoznacznie stwierdzić, czy spoina ma odpowiednią wysokość, czy pojawił się nadlew, czy wzdłuż jej przebiegu występują lokalne przerwy, a także czy elementy przed spawaniem były względem siebie prawidłowo ustawione pod względem geometrii.

Dodatkowym ograniczeniem w takich aplikacjach jest ręczne pozycjonowanie oraz mechaniczne bazowanie detalu. W przypadku linii o dużej wydajności takie rozwiązanie zmniejsza elastyczność produkcji, wydłuża czas przezbrojeń i utrudnia dalszą automatyzację. Systemy 3D Gocator lepiej radzą sobie ze zmiennością położenia obiektu, oferując wbudowane narzędzia pomiarowe i umożliwiając wykonanie kontroli bez przesyłania całej chmury punktów do zewnętrznego oprogramowania.

W analizowanej aplikacji wdrożono system oparty na profilometrach 3D Gocator zintegrowanych bezpośrednio ze zrobotyzowaną linią produkcyjną. Przed spawaniem czujnik laserowy realizuje szybki pomiar szczeliny i uskoku w strefie łączenia elementów. Jeżeli geometria mieści się w zadanym zakresie, detal trafia do procesu. Jeżeli nie — system może wygenerować sygnał NOK, zatrzymać cykl albo przekazać informację do nadrzędnego sterowania.

W drugim etapie, po zakończeniu procesu spawania, ten sam lub osobny układ pomiarowy zlokalizowany w kolejnej strefie przeprowadza inspekcję 3D gotowej spoiny. System umożliwia wykrywanie takich niezgodności jak nadlew, przerwanie ciągłości spoiny, brak spoiny czy wyznaczenie odchyłki wysokości i położenia. W wielu aplikacjach stosuje się układ kilku linijek laserowych ustawionych pod odpowiednim kątem, aby zeskanować wszystkie krawędzie detalu i zapewnić wysoką jakość danych pomiarowych na całym obwodzie kontrolowanego połączenia.

Jeżeli proces wymaga aktywnego prowadzenia robota, system może działać także w trybie robot guidance. Śledzenie lub mapowanie szczeliny spawalniczej polega na tym, że czujnik mierzy środek szczeliny i jej szerokość, a wynik może być przekazywany do robota lub sterownika przez interfejsy analogowe, Ethernet lub inne kanały I/O. Pozwala to korygować tor narzędzia i dobierać parametry procesu do rzeczywistej geometrii łączenia.

W tej aplikacji system 3D kontroluje przede wszystkim:

• szerokość szczeliny przed spawaniem,
• wzajemny uskok lub niezgodność położenia łączonych elementów,
• położenie środka szczeliny / toru spawania,
• wysokość spoiny,
• szerokość i profil spoiny,
• ciągłość spoiny,
• obecność lub brak fragmentów spoiny,
• przepełnienia i nadlewy,
• lokalne przerwy, pęknięcia lub inne defekty powierzchniowe widoczne w geometrii 3D,
• pozycję zgrzewów punktowych i ich wysokość w aplikacjach pokrewnych.

Dzięki tak kompleksowemu podejściu możliwe jest pozyskanie zestawu mierzalnych parametrów procesowych i jakościowych, które można powiązać z oceną OK/NOK, recepturą robota, identyfikowalnością produktu oraz analizą trendów jakościowych i procesowych.

1. Detal trafia na stanowisko kontroli
Detal trafia do gniazda zrobotyzowanego, gdzie czujnik liniowy 3D rozpoczyna skanowanie w układzie at-line, zintegrowanym z linią produkcyjną. W zależności od geometrii kontrolowanego elementu można zastosować pojedynczy czujnik, konfigurację wieloczujnikową lub układ pomiarowy zamontowany bezpośrednio na robocie.

2. Kontrola przed spawaniem
System mierzy szczelinę i uskok w obszarze planowanej spoiny. Przekroczenie określonych progów tych parametrów może uniemożliwić prawidłowe połączenie elementów. Na tym etapie system podejmuje decyzję, czy detal może zostać skierowany do spawania.

3. Korekta położenia i wsparcie robota
Jeżeli aplikacja obejmuje mapowanie lub śledzenie w czasie rzeczywistym szczeliny, czujnik wyznacza środek złącza oraz mierzy szerokość szczeliny. Uzyskane wartości mogą być przekazywane do sterownika, aby dokładnie ustawić palnik oraz dobrać parametry spawania do realnej geometrii połączenia.

4. Realizacja procesu spawania
Robot realizuje ścieżkę spawania na podstawie programu i ewentualnych korekt z systemu 3D. W środowisku produkcji seryjnej to właśnie połączenie automatycznego pomiaru i robota ogranicza wpływ zmienności detalu na końcową jakość spoiny.

5. Kontrola po spawaniu
Po wykonaniu spoiny profilometr laserowy skanuje złącze i analizuje jego geometrię. W zależności od aplikacji sprawdzane są wysokość, położenie, profil, ciągłość, przepełnienia, brak odcinków spoiny oraz inne wady.

6. Decyzja OK/NOK i komunikacja z pozostałymi elementami automatyki
Wynik inspekcji może być przekazywany do sterownika PLC, robota lub systemu nadrzędnego. Laserowe czujniki 3D Gocator obsługują przemysłowe interfejsy komunikacyjne, takie jak PROFINET, Modbus czy EtherNet/IP, a także oferują wbudowane wejścia i wyjścia. Dodatkowo wyróżniają się niskimi opóźnieniami działania, co w wielu zastosowaniach pozwala zrezygnować z użycia zewnętrznego kontrolera.