Automatische laserbasierte Geometrieerfassung für die Finite-Elemente-Analyse von Schweißnoppen

Summary

Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Messtechnik von Schweißraupen nahezu in Echtzeit erfasst und die resultierende Geometrie automatisch für die Finite-Elemente-Analyse vorbereitet werden kann.

Abstract

Das Schmelzschweißen für die hochwertige Fertigung erfordert strenge Prozesskontrollen des Bauteilverzugs und die Ermittlung der Eigenspannung, die auf das fertige Bauteil ausgeübt wird. Der Prozess hängt von der Kontrolle einer Vielzahl von Parametern ab, wobei der Schwerpunkt vor allem auf der Sicherstellung einer angemessenen Verschmelzung von Grundmaterial und Verbrauchsmaterialien liegt. Hohe thermische Gradienten, die während des Prozesses entstehen, können zu erheblichem Verzug führen, wenn sie nicht kontrolliert werden, und zu hohen Eigenspannungen, wenn das Bauteil vollständig eingespannt wird. Die Finite-Elemente-Analyse wird häufig bei Schmelzschweißprozessen eingesetzt, um Verzug vorherzusagen. Diese Modelle verwenden jedoch fast ausschließlich eine idealisierte oder vereinfachte Geometrie, die vor Beginn des Prozesses definiert wurde und für das endgültige Bauteil nicht repräsentativ sein kann. Es wird ein Protokoll beschrieben, um die wahre Form einer einzelnen Schweißraupenabscheidung innerhalb eines einzigartigen Koordinatensystems mit einem Laserscanning-System zu erfassen und diese erfasste Geometrie in eine Form umzuwandeln, die sofort in Finite-Elemente-Analysen einfließen kann. Auf diese Weise kann das Finite-Elemente-Modell schnell und mit begrenzten Benutzereingaben mit einer Geometrie gefüllt werden, die für die wahre Abscheidung repräsentativ ist.

Introduction

Das Schmelzschweißen dient der dauerhaften Verklebung von metallischen Bauteilen durch lokales Aufschmelzen von Grund- und Zusatzwerkstoffen. Diese Zusatzwerkstoffe liegen in Form eines Drahtes oder Stabes vor. Die Wärmequelle, um dieses Schmelzen zu bewirken, kann variieren¹, aber in allen Fällen sind sowohl der Ausgangs- als auch der Füllstoff hohen Temperaturen und Gradienten ausgesetzt. Diese thermischen Auslenkungen können sowohl während des Schweißprozesses als auch während des Abkühlens zu erheblichem Verzug, Veränderungen der Materialeigenschaften und Eigenspannungen im Bauteil führen. Da diese Nebenwirkungen sich äußerst nachteilig auf die Lebensdauer oder Lebensfähigkeit hochwertiger Komponenten auswirken können, werden Schweißprozesse häufig mit der Finite-Elemente-Methode (FE) modelliert, um die Wärmegeschichte, den Verzug und die Eigenspannung zu bestimmen². Solche Modelle verwenden in der Regel eine vereinfachte oder idealisierte Geometrie der Schweißnaht und des Grundmaterials, die vor dem Schweißen bestimmt wird, anstatt eine Geometrie zu verwenden, die auf der vollständigen 3D-Abscheidung basiert, einschließlich der Start- und Stopppositionen der Schweißung. Reproduzierbares Mehrgangschweißen kann mit automatisierten Systemen erreicht werden, bei denen der Schweißbrenner von einem Roboterarm manipuliert wird. Es ist zu beachten, dass einige Geräte, die für das automatisierte Lichtbogenschweißen verwendet werden, auch für die additive Fertigung mit direkter Energieabscheidung verwendet werden können, die als gerichtete Energieauftragslichtbogen (DED-Arc) oder Drahtlichtbogen-Additivfertigung³ (WAAM) bekannt ist. Die gleichen prädiktiven Modellierungsansätze werden in der Regel auch für WAAM verwendet wie für den Beitritt^{zu 4}.

WAAM kann 3D-Bauteile in einer endkonturnahen Form herstellen, indem viele Schichten des abgeschiedenen Materials selektiv kombiniert werden. WAAM wurde in der Vergangenheit verwendet, um Wände und andere geometrische Formen⁵, Rohre⁶ sowie Komponenten mit komplizierteren Topologien, wie z. B. Turbinenschaufeln⁷, zu erzeugen. Aufgrund der im Vergleich zum Fügen erhöhten Anzahl thermischer Zyklen und der Zunahme des abgeschiedenen Materials kann der Verzug solcher WAAM-Komponenten erheblich werden. Daher kann die Genauigkeit jedes FE-Modells, das diesen Prozess widerspiegelt, durch die idealisierte oder vermutete Druckgeometrie beeinträchtigt werden. Der Verzug des Substrats kann während der Abscheidung durch erhöhte mechanische Rückhaltung begrenzt werden. Dadurch erhöht sich jedoch auch die Eigenspannung im finalen Bauteil, was ebenfalls unerwünscht ist.

Traditionell kann die Geometrieprüfung nach der Schweißnaht manuell mit Prüfwerkzeugen⁸ oder durch Querschnitt der Abscheidung und des Substrats durchgeführt werden, um das Profil der Schweißnaht einschließlich des abgeschiedenen Materials, des geschmolzenen Bereichs des Grundmaterials und der Wärmeeinflusszonen⁹ sichtbar zu machen. Manuelle geometrische Inspektionswerkzeuge sind zwar gut geeignet, um Informationen über das Ausmaß der Ablagerung zu liefern, erfordern jedoch, dass der Bediener die automatisierte Routine unterbricht, um Messungen durchzuführen und die erhaltenen Daten zu transkribieren. In ähnlicher Weise bietet der Querschnitt eine sehr genaue Darstellung der Schweißnaht, ist jedoch destruktiv und erfordert mehrere Vorbereitungsschritte, die außerhalb der Fertigungsstandorte durchgeführt werden müssen. Beide Ansätze liefern nur Informationen über das Sickenprofil an bestimmten gemessenen Stellen, die für den Querschnitt ein einzelnes Profil sein können. Im Gegensatz dazu haben Laserscanner den Vorteil, dass sie das Schweißprofil schnell beurteilen können, ohne dass die Probe aus der Schweißzelle entnommen werden muss, und haben das Potenzial für eine hochauflösende Erfassung des gesamten Abscheidungsmaterials. Die Überwachung der realen Raupengeometrie beim Schweißen mit Lasersystemen wurde^10,11 in ähnlicher Weise eingesetzt, wie sie in der Metallumformung^{üblich ist 12}. Lasersysteme wurden auch zur Erfassung der WAAM-Geometrie¹⁰ eingesetzt. Die spezifischen Schritte, die unternommen wurden, um diese Daten zu verarbeiten, um sie in die FE-Analyse einzubeziehen oder mit ihr zu vergleichen, sind jedoch nicht gut beschrieben. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Protokoll für den Einsatz eines automatisierten Laserscanners vor, um die Entwicklung der Schweißnahtgeometrie zwischen den Abschmelzgängen zu überwachen und die aufgezeichnete Geometrie zur Aktualisierung einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) zu integrieren, wie sie mit dem kommerziellen Paket ABAQUS realisiert wurde. Die Möglichkeit, die Schweißnaht automatisch vor Ort zu erfassen und die Schweißnaht mit begrenzten Benutzereingaben in eine FE-Eingabegeometrie umzuwandeln, ist ein Schritt in Richtung intelligenter Fertigung.

Die in der vorliegenden Arbeit verwendete Geometrieerfassung ist ein vollständiger Scan einer Schweißnaht, der dadurch ermöglicht wird, dass der Scanner in einen Roboterarm mit sechs Freiheitsgraden integriert wird, der sich von dem Roboterarm, der die Abscheidung steuert, unterscheidet und getrennt ist. Dies ist eine Abkehr von früheren Implementierungen von Laserscanning-Systemen, die entworfen wurden, um die Geometrie an bestimmten Stellen zu prüfen, entweder mit einem Handmittel¹³, das fest, aber durch die Ausdehnung eines Probentisches^{10, 11} begrenzt ist, oder bei denen der Laserscanner an demselben Roboterarm wie der Schweißbrenner⁸ befestigt ist. Der derzeitige Ansatz ermöglicht es, die gesamte Geometrie der Raupe unabhängig vom Abscheidungsort innerhalb der Zelle im Koordinatensystem der Schweißzelle zu erfassen, ohne dass kundenspezifische Vorrichtungen oder komplizierte Algorithmen erforderlich sind.

Die erfasste Geometrie kann dann verwendet werden, um wichtige Faktoren wie den Temperaturverlauf während der Ablagerung vorherzusagen. In Kombination mit geeigneten Thermoelementdaten können auch Verzug und Eigenspannungen simuliert werden, was an die vorliegende Arbeit angrenzt. Dies hat das Potenzial, die Fertigung zu verbessern, indem es eine schnelle Prozessmodellierung des realen Schweißens ermöglicht. Die automatisierte Art der Geometrieerfassung bietet eine Möglichkeit, Schweißparameter mit der resultierenden Geometrie zu verknüpfen. Dies wiederum kann für die Entwicklung einer verbesserten Prozesssteuerung und Bahnplanung genutzt werden. Das derzeitige manuelle Schweißen hängt von der Geschicklichkeit des Bedieners ab, um die Leistung zu steuern. Das Roboterschweißen sorgt für Konsistenz, schränkt aber die Möglichkeiten zur spontanen Entscheidungsfindung ein. Die Erfassung des Raupenprofils zwischen den Durchgängen ermöglicht es, die Programmierung des nächsten Raupendurchgangs bei Bedarf zu ändern, und hat in Kombination mit der Prozessmodellierung das Potenzial, die Produktionsraten, die Materialeigenschaften und die Lebensdauer der Teile zu verbessern. Das vorliegende Protokoll wird anhand eines einzelnen Bead-on-Plate-Beispielfalls veranschaulicht, um den entwickelten Arbeitsablauf zu demonstrieren.

Aufbau der Schweißzelle und der verwendeten Ausrüstung
Die Fachschweißzelle besteht aus Roboterarmen mit den notwendigen Aufsätzen für das Schweißen (als Schweißroboter bezeichnet) und das Laserscannen (als Scanroboter bezeichnet). Die Betreffzelle ist in Abbildung 1 dargestellt. Diese Roboter können über eine Programmierschnittstelle gesteuert werden, die die KUKA Robot Language (KRL)¹⁴ versteht, eine funktionale Programmiersprache, die dem Roboter die notwendigen Anweisungen gibt, die von den Robotern als Gelenk- und Motorbewegungen interpretiert werden. Das Schweißsystem arbeitet im CMT-Modus (Cold Metal Transfer) und ist mit TouchSense, einer Form der elektronischen Punktfindung, ausgestattet. Als Verbrauchsmaterial wurde ein G3Si-120n Stahldraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm in Gegenwart eines Argon/Kohlendioxid-Gasgemisches (80/20 %) verwendet. Als Substrat wurde eine Platte aus Baustahl G43 verwendet, die mit Klammern befestigt wurde. Bei der auferlegten Abscheidung handelte es sich um eine Raupe auf Platte mit den in Tabelle 1 angegebenen Parametern. Diese Kombination von Schweißparametern wurde gewählt, da bekannt war, dass sie eine industriell repräsentative Abscheidung erzeugt. Der eingesetzte Laserscanner ist in der Lage, eine Linie von 2048 Punkten gleichzeitig zu scannen, was zur Datenerfassung mit einer Frequenz von 100 Hz verwendet wurde. Zusätzlich wurde ein Koordinatenmessgerät (KMG) verwendet, um die Abmessungen eines Kalibrierbauteils bereitzustellen.

Messdaten, die von Laserscannern gewonnen werden, müssen kalibriert werden. Diese Notwendigkeit der Kalibrierung ist umso wichtiger, wenn der Scanner bewegt werden muss, um einen großen Bereich mit überlappenden Scans zu erfassen. Wäre der Laserscanner relativ zum Substrat verzerrt oder wäre die Bewegung nicht glatt, käme es zu einer Verzerrung der resultierenden Geometrie, wie in Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus zeichnet der Scanner nur Informationen über das Licht auf, das zum Sensor zurückkehrt. Daher ist es beim Schweißen, das beim Erstarren des Schmelzbades eine stark reflektierende, ungleichmäßige, gekrümmte Oberfläche erzeugt, üblich, dass ein Großteil der räumlichen Informationen verloren gehen kann. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die aufgezeichnete Form die wahre Wulstform darstellt, ist daher ein gewisses Maß an Kurvenanpassung erforderlich. Im einfachsten Fall kann eine einzelne Schweißraupenform durch eine Parabel¹⁵ gut angenähert werden. Dieser Ansatz wurde von Hu et al. mit Laserscanning-Systemen verwendet, um Bead-Überlappungen zu berechnen¹³. Das folgende Protokoll wird diese Anpassungstechnik auf den Einzelperlen-Beispielfall anwenden, um eine digitale Darstellung innerhalb des ausgewählten FE-Gehäuses zu erstellen.

Protocol

Es wird davon ausgegangen, dass beide Roboter aktiviert und einer Setup-Diagnose unterzogen wurden, um die Positionskonformität zu bestätigen, wie z. B. Bremstests, und dass sie zu Hause waren.

1. Kalibrierung durchführen

HINWEIS: Bevor der Laserscanner verwendet werden kann, muss er kalibriert werden, um sicherzustellen, dass die von ihm wahrgenommenen Entfernungen repräsentativ für die tatsächlichen Entfernungen sind. Dies ist möglicherweise nicht standardmäßig der Fall, denn wenn sich der Scanner in einem Winkel zur Platte befindet, führt dies zu einer trigonometrischen Abstandsänderung (Abbildung 2).

1. Zur Kalibrierung wird ein Bauteil mit bekannten Abmessungen abgetastet, das steif und vorzugsweise metallisch ist, wobei ihm Passerpunkte in Form von Kugeln hinzugefügt werden.
   HINWEIS: Diese Kugeln bieten eine leicht zu identifizierende Form, die angepasst werden kann, um das Zentrum der Referenzkugel mit einer geringen Anzahl von Datenpunkten und hoher Präzision zuverlässig zu finden. Ein Beispielbauteil ist in der Schweißzelle in Abbildung 3A dargestellt. Der zusammenfassende Arbeitsablauf, der für die Kalibrierungsschritte 1.1 bis 1.13 verwendet wird, ist in Abbildung 4 dargestellt.
2. Platzieren Sie mindestens drei Passermarkenkugeln nach dem Zufallsprinzip an verschiedenen Positionen, z. B. Standardkugellager mit einer Größe von mehr als 10 mm aus niedrigen bis mittleren ABEC-Einstufungen (z. B. Kugellager mit einem Durchmesser von 15,875 mm [0,625 ± 0,0001 Zoll]). Befestigen Sie sie mit einem geeigneten Medium, wie z. B. einem leitfähigen Epoxidharz, am Bauteil, um eine gute Leitfähigkeit zwischen der Kugel und dem Kalibrierteil zu gewährleisten. Verwenden Sie Unterlegscheiben mit geeignetem Radius (z. B. 10 mm), um die Kugeln zu stützen und so den Oberflächenkontakt zwischen der Kugel und dem Bauteil zu verbessern.
3. Lokalisieren Sie die Koordinaten einer Reihe von Punkten auf der Oberfläche der Passermarkenkugeln mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) wie in Abbildung 3C dargestellt. Diese Koordinaten werden verwendet, um ein virtuelles Datum zu erzeugen, das dem Mittelpunkt jeder der Referenzkugeln entspricht (Abbildung 3B).
   1. Bevor Sie die Passermarkenkugeln messen, kalibrieren Sie zunächst das CCM, indem Sie einen Kalibrier-Benchmark mit bekannten Abmessungen in das KMG-Feld einbringen. Dieser Kalibriermaßstab hat die Form einer Keramikkugel mit einem Radius von 29,993 mm, die in einen Stab mit Gewindeboden eingebettet ist, so dass er in den KMG-Schacht eingeschraubt und starr gehalten werden kann.
   2. Schrauben Sie den Kalibrier-Benchmark in den KMG-Schacht.
   3. Wenn sich die Spitze des KMG in der gleichen Ausrichtung befindet, die zum Messen der Passerscheiben für die Kalibrierungskomponente der Schweißzelle verwendet wird, führen Sie die Funktion zum automatischen Kalibrieren in der entsprechenden Software aus. Um mit der Kalibrierung der KMG-Spitze zu beginnen, während das KMG auf den Messmodus eingestellt ist, bringen Sie die Spitze in Kontakt mit der Oberseite des Kalibrier-Benchmarks. Das Programm übernimmt dann die Steuerung, ordnet die Benchmark-Kugel automatisch zu und kalibriert die KMG-Spitze für die aktuelle Ausrichtung.
   4. Sobald die Kalibrierung der Spitze abgeschlossen ist, speichern Sie die Kalibrierung unter einer ausgewählten Spitzennummer, z. B. Spitze Nummer 1.
   5. Entfernen Sie den Kalibrierungsbenchmark vom KMG.
   6. Platzieren Sie die Kalibrierkomponente mit den angebrachten Referenzkugeln in den KMG-Schacht. Wählen Sie eine Ausrichtung und notieren Sie sich die Ausrichtung für zukünftige Referenzen, z. B. indem Sie ein kommentiertes Foto verwenden, auf dem jede Passerkugel nummeriert ist.
   7. Erstellen Sie ein Programm, um Punkte auf jeder der Passermarkenkugeln zu identifizieren.
      1. Wählen Sie die Spitze mit Sonde | Sonde wechseln aus.
      2. Wählen Sie den CNC-Punkt Kontur | Messen und bringen Sie die Spitze in Kontakt mit der ersten Passerkugel. Wiederholen Sie dies für viele Punkte auf der oberen Hemisphäre der ersten Passermarkenkugel.
      3. Machen Sie dasselbe für jede Passermarkenkugel, indem Sie für jede Oberfläche der Kugel eine Punktwolke erstellen.
         HINWEIS: Grundsätzlich sind mindestens drei Punkte pro Kugel erforderlich, um den Mittelpunkt zu lokalisieren. Es werden jedoch viel mehr bevorzugt. Hier wurden mindestens 12 Punkte verwendet, die sich über die Gesamtheit einer Hälfte erstrecken, wie die angepasste Kugel aus den KMG-Punkten in Abbildung 3D zeigt. Die Aspekte des KMG-Betriebs zur Erzielung von Oberflächenpunkten auf der Referenzkugel variieren je nach verwendeter Ausrüstung.
4. Berechnen Sie die Koordinaten des Mittelpunkts der Passermarkenkugeln, indem Sie die Oberflächenpunkte mit Hilfe der Anpassung der kleinsten Quadrate an eine Kugel anpassen. Dies könnte z. B. mit dem Numpy-Löser¹⁶ für die kleinsten Quadrate erreicht werden.
5. Wählen Sie eine der Passermarkenkugeln aus, die als Ursprung des Kalibrierkoordinatensystems dienen soll. Subtrahieren Sie diese Koordinate von jeder der Passermarkenkugeln, um ein Teilekoordinatensystem zu erstellen.
   HINWEIS: Unter der Annahme, dass die Kalibrierkomponente starr ist, können zukünftige Implementierungen dieses Protokolls die Schritte 1.2 bis 1.5 überspringen, sobald das KMG-Verfahren abgeschlossen ist und die Zentren der Referenzkugeln bekannt sind, da die Abmessungen der Kalibrierkomponente und das zugehörige Koordinatensystem bereits bekannt sind.
6. Platzieren Sie die Kalibrierkomponente in der Schweißzelle in der gleichen Ausrichtung relativ zum Ursprung, wenn sie im KMG gemessen wird.
   HINWEIS: Die Ausrichtung ist theoretisch nicht wichtig, aber die Replizierung der ursprünglichen Ausrichtung ermöglicht es, Fehler leichter zu identifizieren.
7. Richten Sie den Scan der Kalibrierungskomponente mit dem Laserscanner ein, wie in Abbildung 5A gezeigt. Die Ausgabe erfolgt in Form einer X,Y,Z-Koordinatendatei.
   ACHTUNG: Der Laserscanner ist die Quelle der Laserstrahlung und kann daher gefährlich sein, wenn die Lasersicherheitsprotokolle nicht befolgt werden. Die Verwendung von Lasern der Klasse 2M und darunter ist erforderlich, da diese die erforderliche Rolle erfüllen können und oft ein offener Strahl erforderlich ist.
8. Messen Sie für das verwendete illustrative Lasersystem jede Referenzkugel mit einem Durchmesser von 15,875 mm und scannen Sie mit dem Laserscanner über jede Referenzkugel, um das Bauteil zu messen (Abbildung 5A). Kürzen Sie die Ausgabe dieser Zeilenscans, um alle Informationen zu entfernen, die vom Substrat stammen, indem Sie eine Kombination aus Kreisen in x und y um die bekannten Kugelpositionen und z-Wert-Schwellenwerte verwenden. Verwenden Sie die verbleibenden Punkte, um eine Kugel anzupassen (Abbildung 5B), indem Sie das gleiche Anpassungsverfahren der kleinsten Quadrate wie in Schritt 1.4 verwenden, um eine zentrale Koordinate zu erhalten.
   HINWEIS: Die Oberflächenbeschaffenheit der Passermarkenkugeln kann schlecht mit dem verwendeten Laserscanner interagieren. Ein aerosolisierter Eindringmittelentwickler kann verwendet werden, um die Oberfläche zu beschichten und zu mattieren, wie in Abbildung 5A dargestellt.
9. Bringen Sie den Scanroboter wieder in seine Ausgangsposition.
10. Lokalisieren Sie das Kalibrierbauteil mit dem Schweißroboter mittels elektronischer Punktfindung. Verwenden Sie eine metallische Spitze, die mit bekannten Abmessungen in den Schweißbrenner integriert ist. Bringen Sie diese Spitze an einer Reihe von Punkten auf der Oberfläche mit der Referenzkugel in Kontakt (Abbildung 6), ähnlich wie beim KMG-Ansatz. Wenn die Spitze die Passerohrenkugel berührt, wird ein Niederspannungskreis geschlossen und die aktuelle Roboterposition direkt vom Robotersystem erfasst.
    HINWEIS: Ein ähnlicher Effekt kann mit anderen Arten von elektronischen Kantenfindern erzielt werden, die am Schweißroboter angebracht sind und auf physischen Kontakt angewiesen sind.
11. Verwenden Sie diese Punkte, um eine Kugel einzupassen und die zentrale Position jeder Referenzkugel im Koordinatensystem des Abscheidungsroboters zu lokalisieren.
12. Bringen Sie den Schweißroboter wieder in seine Ausgangsposition und entfernen Sie die Kalibrierkomponente aus der Schweißzelle.
13. Verwenden Sie das KMG-Koordinatensystem, um die Koordinaten der Schweißzelle durch Einzelwertzerlegung zu kalibrieren. Eine Übersicht über den Prozess zur Erstellung der erforderlichen affinen Transformationsmatrizen ist in Abbildung 7 dargestellt.
    HINWEIS: Die resultierende affine Transformationsmatrix wandelt die Position der einzelnen Sphärenzentren der Passermarken von den gemessenen Koordinaten in die tatsächlichen Entfernungen um. Dadurch wird eine Fehlausrichtung des Laserscanners in Scanrichtung korrigiert.

2. Lokalisieren Sie die Position der Bauplatte

1. Platzieren Sie das Substrat oder das Grundmaterial, das eine Abscheidung erhalten soll, in der Schweißzelle.
   1. Führen Sie den Laserscanner so über die Ecken des Baubereichs, dass er über den Rand der Platte hinausragt, beginnend vollständig von der Platte und teilweise auf der Platte endend, wie in Abbildung 8A dargestellt. Stellen Sie sicher, dass dies als kontinuierliche Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, wobei die Häufigkeit der Datenaufzeichnung bekannt ist. Verwenden Sie den Zeitpunkt der Aufnahme eines bestimmten Scans zusammen mit dem Start- und Endpunkt des Pfads, um jedem Scan, der zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgezeichnet wurde, eine Position im Raum zuzuweisen. Notieren Sie die Positionen der Ecken der Bauplatte, die zum Abrufen einer für die FE-Analyse geeigneten Geometrie verwendet werden.
      HINWEIS: Wenn Sie Schritt 2.1.1 ausführen, können die Ecken der Platte im Koordinatensystem des Laserscanners lokalisiert werden, da es eine Stufenfunktion gibt, bei der sich die Höhe erheblich ändert, wenn der Laser auf der Platte ankommt (Abbildung 8B).
   2. Identifizieren Sie das Substrat im Koordinatensystem des Scanroboters, indem Sie die in Schritt 2.1.1 gefundenen Ecken über die in Schritt 1.13 berechnete Transformationsmatrix in das Koordinatensystem des Schweißroboters transformieren.
2. Bringen Sie zur Kontrolle mit dem Schweißroboter die Spitze des Schweißkopfes an jede Ecke der Platte, notieren Sie die Positionen, wie in Abbildung 8C gezeigt, und bestätigen Sie, dass diese Positionen den Erwartungen entsprechen.

3. Führen Sie die eidesstattliche Versicherung durch

1. Wenn sich die Platte positioniert hat, programmieren Sie den Schweißroboter so, dass er die gewünschte Bahn in der richtigen Position relativ zur Position der Platte in den Koordinaten des Schweißroboters erzeugt.
2. Initiieren Sie einen Schweißzug, der zu einer Abscheidung einer Materialraupe führt, wie in Abbildung 9 gezeigt.
3. Ziehen Sie nach Abschluss des Durchlaufs den Schweißroboterkopf in einen sicheren Abstand ein, um Kollisionen mit dem Scanroboter zu vermeiden.

4. Scannen Sie die Sicke und generieren Sie die FE-Geometrie

HINWEIS: In Abbildung 10 finden Sie eine Zusammenfassung des Arbeitsablaufs für das Scannen der Sickengeometrie und die Verwendung der Scandaten zum Erstellen einer 3D-Punktwolke, die für FEA verfestigt und vernetzt werden kann. In den folgenden Schritten wird beschrieben, wie die einzelnen Teile des Workflows ausgeführt werden.

1. Programmieren Sie den Scanroboter so, dass er einem Pfad folgt, mit dem die Raupe gescannt werden kann. Verwenden Sie für einfache Linien ähnliche Start- und Endpunkte wie der Schweißroboter oder führen Sie für eine robustere Methode einen Scan der gesamten Platte durch.
   HINWEIS: Dabei werden die gleichen Scananforderungen verwendet, die für die anfängliche Positionsbestimmung der Plattenposition verwendet wurden.
2. Nehmen Sie Messungen vor, während der Scanner über das Werkstück bewegt wird, wie in Abbildung 11 dargestellt. Notieren Sie sich den Start- und Endpunkt des Pfads, die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters und die Erfassungshäufigkeit. Stellen Sie sicher, dass die Häufigkeit der Erfassung den Abstandsintervallen entspricht, die nicht geringer sind als die Mindestelementgröße, die für die Verwendung in der nachfolgenden FEA vorgesehen ist.
3. Wenn das Raupenprofil nicht in einem Durchgang erfasst werden kann, führen Sie mehrere parallele Durchgänge mit einer Überlappung durch, die mindestens 10 % des Sichtfelds des Laserscanners entspricht.
4. Sobald die Scans abgeschlossen sind, ziehen Sie den Laserscanner-Roboter ein, um Kollisionen mit dem Schweißroboter bei einem nachfolgenden Schweißdurchgang zu vermeiden.
5. Passen Sie die Raupenausgabe mit einer geeigneten Analysefunktion an, die durch eine Reihe von in Python codierten Befehlen erleichtert wird. Für die beispielhafte Abscheidung einer einzelnen Sicke wird eine parabolische Funktion für die Bestückung verwendet.
   HINWEIS: Der Python-Code, der zum Ausführen der Schritte 4.5.1-4.5.10 verwendet wird, ist im ergänzenden Repository verfügbar¹⁷. Schritt 4.5.10 erfordert ein zusätzliches Softwarepaket FreeCAD¹⁸sowie eine Python-Installation, um zu funktionieren.
   Abbildung 10 zeigt den in diesem Abschnitt beschriebenen Workflow an. Eine Beispielausgabe in jeder der folgenden Phasen finden Sie in Abbildung 12A-J. Ein Beispielskript, das für die in gescannte Raupe verwendet wird Abbildung 11 zusammen mit der gescannten Geometrie, die zur Herstellung Abbildung 12 ist auch im ergänzenden Repositorium verfügbar¹⁷.
   1. Bevor Sie versuchen, die Punktwolkendaten des Laserscanners zu manipulieren oder in irgendeiner Weise zu verwenden, wenden Sie dieselbe affine Transformationsmatrix auf die Laserausgabe an, die im Kalibrierungsschritt 1.13 gefunden wurde.
   2. Schneiden Sie die gescannten Daten auf den groben Bereich einer einzelnen Raupe zu, die angepasst werden soll. Achten Sie darauf, dass Sie einen Teil der Platte um die Sicke herum einschließen, was durch einen bestimmten Prozentsatz der Wulstbreite für die Fensterung beeinflusst wird. Entfernen Sie in dieser Phase mithilfe von Höhenfiltern alle Scan-Artefakte, die auf Reflexionen zurückzuführen sind.
   3. Glätten Sie die lokale Platte innerhalb des zugeschnittenen Abschnitts des Scans, indem Sie nach der Normalen für die Platte auflösen und eine Rotationsmatrix anwenden, sodass sich die Daten jetzt in einem Koordinatensystem befinden, in dem die Plattennormale parallel zur vertikalen Achse verläuft.
   4. Bestimmen Sie die Ausrichtung der Sicke auf der Platte, indem Sie einen Höhenfilterschwellenwert direkt über der Höhe der Grundplatte anwenden, und passen Sie dann die verbleibenden Datenpunkte mit einem^{Polynom 1.} Ordnung an. Dies ergibt einen Vektor für die Richtung der Perle. Wenn bekannt ist, dass die Sicke nicht gerade ist, teilen Sie die Sicke in kleinere Abschnitte auf, die durch gerade Abschnitte angenähert werden können
   5. Drehen Sie die Raupe so, dass sie parallel zur Y-Achse verläuft, um die Handhabung zu erleichtern.
   6. Schneiden Sie den gedrehten Abschnitt ab, um die Enden der Platte zu entfernen, aber lassen Sie eine kleine Menge (~5 mm) auf beiden Seiten der Raupe, um die Montage zu ermöglichen.
   7. Wählen Sie die Mitte des zu montierenden Sickenabschnitts aus, und führen Sie eine parabolische Anpassung an den Querschnitt der Daten an dieser y-Position durch. Der Programmablauf für diesen Schritt ist in Abbildung 13 dargestellt.
   8. Extrahieren Sie mithilfe der Passung die Grenzen der Sicke, indem Sie die Passung an den x-Koordinaten auswerten, die der maximalen Höhe der Platte entsprechen, d. h. an der Stelle, an der die Sicke beginnt.
      1. Werten Sie die maximale y-Position der Sicke mit demselben Schwellenwert aus.
      2. Erstellen Sie Abschlussprofile mit der gleichen parabolischen Form, jedoch an jedem Ende der Raupe in die x-y-Ebene transponiert.
      3. Notieren Sie die Punkte, aus denen sich der Umriss bilden würde, indem Sie alle Parabeln an einer Reihe von x- und y-Koordinaten auswerten, die sich über die gesamte Ausdehnung der Perle erstrecken.
   9. Übersetzen Sie den Bereich der Punkte zurück in die ursprünglichen Koordinaten, indem Sie die Raupe zuerst am Ursprung eines neuen Koordinatensystems beginnen und dann in das ursprüngliche Koordinatensystem des Schweißroboters umwandeln.
   10. Füllen Sie mit den Vernetzungswerkzeugen die Oberfläche der Punkte aus, und erstellen Sie eine Volumenfläche, die in eine FE-Analyse importiert werden kann. Um dies zu tun, verwende das Programm FreeCAD¹⁸ , um die Reihe der Parabeln zu kombinieren, um einen vollständigen 3D-Körper zu erstellen, der für den Import in den FEA-Präprozessor geeignet ist.
       1. Fügen Sie an dieser Stelle ein Substrat hinzu, indem Sie entweder die tatsächlichen Grundplattengrenzen oder andere Abmessungen nach Bedarf definieren.
       2. Verwenden Sie Makros, um STL- (Standard Tessellation Language) und STEP-Dateien (Standard für den Austausch von Produktdaten) unter Verwendung der in Schritt 4.5.9 berechneten Punkte zu generieren.
       3. Nachdem die Volumengeometrie erstellt wurde, wird sie in einem Dateiformat exportiert, das für FE-Analysen geeignet ist, in diesem Fall in einem ".inp"-Format (Eingabeformat). Falls gewünscht, kann das Finite-Elemente-Netz direkt erstellt werden, unterstützt durch ein anderes FreeCAD-Makro. Für dieses Beispiel wird das Netgen mesh FEM Tool Plugin für FreeCAD verwendet. Das Beispielwulstnetz wurde mit einer moderaten Feinheit innerhalb des Netgen-Netzes, einer definierten maximalen Elementgröße von 0,5 mm und einer minimalen Elementgröße von 0,1 mm erzeugt.
          HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt kann die reale Geometrie nun erfolgreich in einen FE-Analyseprozessor importiert werden.

Results

Die berechneten Radien und Abstände zwischen den Referenzkugeln für die Kalibrierkomponente in jedem der Koordinatensysteme sind in Tabelle 2 dargestellt. Der Fehler zwischen dem KMG und der elektronischen Punktbestimmung für jede Position der Passermarke ist mit weniger als 0,1 mm gering. Beide Techniken beruhen auf dem physischen Kontakt zwischen der Passerkugel und dem Stift. Der Fehler, den der Laserscanner bei der Ortung der Kugeln hervorruft, ist im Vergleich dazu etwas groß und dominiert bei 1-2 m...

Discussion

Qualität der Erfassung
Die Maßhaltigkeit und Präzision des Laserscanning-Systems wurde anhand der Positionen und Radien der Passerbahnen in Tabelle 2 untersucht. Die Genauigkeit jedes Systems wird durch die Positionsdifferenz der Passerscheiben bestimmt, die von den Robotersystemen (Laserscanner und elektrische Kantenfindung) gemessen werden, im Vergleich zu den KMG-Daten bei der Umwandlung in das Koordinatensystem des Schweißroboters. Das KMG ist daf...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ruby CMM-Stift mit 3 mm Durchmesser	Renishaw		Nadel für das KMG (A-5004-0422)
80 % Argon, 20 % CO2-Gas	BOC		Gasgemisch für Schutzgas (Argosheild)
Crysta-Apex 776	Mitutoyo		Koordinatenmessgerät, Angebotsgenauigkeit 10 & Mikro; m
FK 1000 MIG 1,2 mm Schweißdraht	Iabco		Schweißdraht-Verbrauchsmaterial
FreeCAD 1.0	FreeCAD (Englisch)		Software zum Erfassen von Geometrien und Erstellen von stl-, step- und FE-Dateien aus der Punktwolke. Verwendete Version 1.0
Fronius CMT 4000 MSG-Schweißgerät	Fronius		Schweißbrenner
G43 Baustahlplatte 50 cm x 50 cm x 2,5 cm	Schmiede Metall		Substratmetall als Bauplatte
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo		Software zur Steuerung des KMG. Verwendete Version 4.0
KUKA KR20	KUKA		Roboterarm als Scanroboter
KUKA KR70	KUKA		Roboterarm als Schweißroboter
LAZ3RUS	Universität Manchester		LAZer-basiertes 3D-Rendering in Universal Scene: zur Erstellung der FE-Geometrie für den Laserscan. Verwendete Version 1.0
Micro Epsilon LLT3010-100	Mikro-Epsilon		Laserscanner, Angabe der Auflage 9 & Mikro; m
Mitutoyo 30 mm Dimater-Kalibrierkugel	Mitutoyo		Quarzglas CMM-Kalibrierkugel
ScanCONTROL3000_100	Mikro-Epsilon		Software zur Erfassung und Verarbeitung der Informationen vom Laserscanner
TouchSense (Berühren)	Fronius		System zur elektronischen Kanten-/Merkmalsfindung in einer robotergestützten Schweißimplementierung