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

Automatisiertes Schweißen ist weit verbreitet und in der Lage, gleichmäßige und reproduzierbare Schweißnähte zu erzeugen. Derzeit fehlt jedoch die Fähigkeit zur Anpassung während des Mehrgangschweißprozesses, was ein erfahrener Techniker beim manuellen Schweißen selbstverständlich tun würde. Durch den Einsatz eines Laserscanners ermöglicht unser Protokoll die Überwachung des Fortschritts, ohne dass es zu Verzögerungen kommt, im Gegensatz zur manuellen Erfassung der Schweißnahtgeometrie mit physikalischen Messgeräten.

Es erstellt auch eine digitale Aufzeichnung der Ablagerung, die für zukünftige Analysen verwendet werden kann. Dieses Protokoll wird durch Meta one ermöglicht, den digitalen Zug der Schweißzelle. Sie werden an der University of Manchester entwickelt.

Der digitale Zug ermöglicht die Aufzeichnung und Wiedergabe nicht nur der Baugeometrie, sondern auch der Roboteranweisungen, der tatsächlichen Roboterbewegung und der Kameraaufnahmen der Schweißzelle und des lokalen Schmelzbades in einem digitalen Raum. Der Laserscanner muss kalibriert werden, um Verzerrungen oder Neigungen zwischen ihm und der Bauplatte zu korrigieren. Im Rahmen dieses Kalibrierungsprozesses werden die Daten des Laserscanners in das Koordinatensystem des Schweißroboters gebracht.

Die schnelle Erfassung der Schweißnahtgeometrie kann die Entscheidungsfindung zwischen den Durchgängen erleichtern, möglicherweise durch maschinelles Lernen verbessern und die Bestückung von Finite-Elemente-Modellen mit echter Abscheidungsgeometrie ermöglichen. Platzieren Sie zunächst das Kalibrierbauteil in der Schweißzelle in der gleichen Ausrichtung relativ zum Ursprung im Koordinatenmessgerät. Richten Sie den Scan der Kalibrierungskomponente mit dem Laserscanner-System ein, und zeichnen Sie die Scanausgabe in der Koordinatendatei mit den X-, Y- und Z-Werten auf.

Messen Sie jede Passermarkenkugel mit dem Laserscanner. Scannen Sie über jede Kugel, um die Kalibrierkomponente zu messen. Kürzen Sie die Zeilenscandaten, indem Sie Punkte ausschließen, die vom Substrat ausgehen, kreisförmige Masken in X und Y um die bekannten Positionen verwenden und Schwellenwerte in Z anwenden.Verwenden Sie den gefilterten Punktsatz, um eine Kugelanpassung nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate durchzuführen und die zentralen Koordinaten zu bestimmen.

Lokalisieren Sie nun das Kalibrierbauteil mit dem Schweißroboter, der mit einer metallischen Spitze bekannter Abmessungen ausgestattet ist. Bringen Sie die Spitze mit der Tastsinn-Routine an mehreren Stellen mit der Oberfläche jeder Referenzkugel in Kontakt. Lassen Sie den Niederspannungskreis bei Kontakt schließen und zeichnen Sie die Position des Roboters über die Systemsoftware auf.

Legen Sie dann das Substrat oder Grundmaterial, das die Abscheidung erhalten soll, in die Schweißzelle. Initiieren Sie anschließend einen Schweißdurchgang mit dem Schweißroboter, um eine Materialraupe entlang der Substratoberfläche aufzutragen. Programmieren Sie den Scanroboter so, dass er einem Pfad folgt, der an der Position der Raupe ausgerichtet ist.

Verwenden Sie für einfache lineare Raupen die gleichen Start- und Endpunkte wie der Schweißroboter und scannen Sie den gesamten Plattenbereich mit dem Scanroboter, um eine bessere Abdeckung zu erzielen. Nehmen Sie Messungen vor, während Sie den Scanner über das Werkstück bewegen. Erfassen Sie den Start- und Endpunkt des Scanpfads, die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters und die Erfassungshäufigkeit.

Vergewissern Sie sich, dass die Häufigkeit einem räumlichen Intervall entspricht, das nicht kleiner ist als die für die Finite-Elemente-Analyse geplante minimale Elementgröße. Passen Sie das gescannte Perlenprofil mit einer geeigneten Analysefunktion unter Verwendung von Python-Code an. Verwenden Sie für Einzelraupenabscheidungen eine parabolische Funktion für die Kurvenanpassung.

Wenden Sie auf die Laserscandaten dieselbe affine Transformationsmatrix an, die bei der Kalibrierung verwendet wurde. Schneiden Sie die Scandaten auf einen Bereich zu, der die Raupe bedeckt und einen Rand um sie herum enthält. Entfernen Sie alle Scan-Artefakte, die durch Reflexionen verursacht werden, mithilfe von höhenbasierten Filtern.

Glätten Sie dann den lokalen Bereich der Platte im zugeschnittenen Scan, indem Sie nach der Plattennormalen auflösen und eine Rotationsmatrix anwenden, um die Plattennormale an der vertikalen Achse auszurichten. Drehen Sie die Raupe so, dass sie mit der Y-Achse ausgerichtet ist, um die weitere Verarbeitung zu vereinfachen. Ermitteln Sie die Raupenausrichtung, indem Sie einen Höhenfilter direkt über der Grundplattenebene anwenden, und passen Sie die resultierenden Daten mit einem Polynom erster Ordnung an, um einen Vektor zu erzeugen, der die Raupenrichtung darstellt.

Wenn die Sicke nicht gerade ist, unterteilen Sie sie in kleinere Segmente, die sich den geraden Linien annähern. Schneiden Sie nun den gedrehten Abschnitt ab, um überschüssige Plattenfläche zu entfernen, während Sie auf beiden Seiten der Raupe etwa fünf Millimeter Material behalten. Wählen Sie den zentralen Bereich der Sicke aus, und führen Sie an dieser Position eine parabolische Kurvenanpassung an den Querschnitt der Daten aus.

Bestimmen Sie dann mithilfe der angepassten parabolischen Kurve die lateralen Ausdehnungen der Sicke, indem Sie die Kurve an den X-Koordinaten auswerten, an denen die Sicke in ihrer maximalen Höhe auf die Grundplatte trifft. Werten Sie als Nächstes die Y-Koordinaten aus, die die Grenzen der Raupe angeben, indem Sie ähnliche Techniken zur Festlegung von Höhenschwellenwerten verwenden. Erstellen Sie Abschlussprofile an beiden Enden der Sicke mit derselben parabolischen Form, die in die XY-Ebene transponiert wurde.

Berechnen Sie nun den vollständigen Umriss der Sicke, indem Sie alle Parabeln an mehreren X- und Y-Koordinaten auswerten, die die gesamte Spannweite der Sicke abdecken. Fügen Sie dann die Geometrie des Basissubstrats hinzu, indem Sie die tatsächlichen Grenzen angeben oder vordefinierte Abmessungen verwenden. Verwende dann Vernetzungswerkzeuge in FreeCAD, um den Satz parabolischer Querschnitte in eine einzige 3D-Volumengeometrie umzuwandeln.

Diese Oberfläche sollte für den Import in eine Umgebung für die Finite-Elemente-Analyse geeignet sein. Übersetzen Sie die Umrisspunkte in das ursprüngliche Koordinatensystem des Schweißroboters. Setzen Sie zunächst die Sicke auf den Ursprung eines neuen Koordinatensystems zurück.

Wenden Sie dann die Transformation an, um die Position im ursprünglichen Frame wiederherzustellen. Verwenden Sie Makros, um die Raupe und das Substrat als STL- und Step-Dateien unter Verwendung der zuvor berechneten Geometriepunkte zu exportieren. Exportieren Sie abschließend die gesamte Geometrie in ein Dateiformat, das für die Finite-Elemente-Analyse geeignet ist, z. B. das INP-Format.

Optional kannst du das NETGEN Netz-FEM-Werkzeug in FreeCAD verwenden, um das Netz mit mittlerer Feinheit und einer maximalen Elementgröße von 0,5 Millimetern und mindestens 0,1 Millimetern zu erstellen. Die Transformationsmatrix, die auf die Positionen der Referenzkugeln angewendet wurde, führte zu überlappenden, sichtbar unterschiedlichen Punktsätzen zwischen den Koordinatensystemen. Die mit dem Laserscanner gemessenen Radien der Passererkugeln zeigten im Vergleich zu Kantenfindungs- und Koordinatenmessmaschinentechniken eine durchweg leichte Unterschätzung.

Der Positionsfehler des Laserscanners bei der Bestimmung der Abstände zwischen den Passerscheiben reichte von 1,30 Millimeter bis 2,05 Millimeter, während sowohl die KMG- als auch die elektronische Kantenfindungsfehler unter 0,1 Millimetern blieben. Die endgültig vernetzte Vollnahtraupengeometrie wurde erfolgreich in die Finite-Elemente-Analysesoftware importiert.