KI-Schweißnahtverfolgung: Naht in Echtzeit führen

TL;DR

Schweißroboter im Mittelstand arbeiten häufig mit festprogrammierten Bahnen — bei Toleranzen der Bauteile entstehen Nahtfehler. KI-gestützte Nahtverfolgung erkennt die tatsächliche Nahtposition per Kamera und korrigiert den Roboter in Echtzeit. Die Nacharbeitsrate sinkt um 94 %, die Schweißqualität steigt auf Bewertungsgruppe B nach ISO 5817. Nachrüstung ab €12.000 pro Roboterzelle.

Das Problem: Toleranzen vs. starre Roboterbahnen

Ein Schweißroboter fährt exakt die programmierte Bahn — aber das Bauteil liegt nicht exakt so wie programmiert. Ursachen:

• Bauteil-Toleranzen: ±0,5–2 mm bei Laser-Zuschnitten, ±1–3 mm bei Brennzuschnitten
• Vorrichtungs-Verschleiß: Spanner und Anschläge verschleißen über Wochen
• Thermischer Verzug: Vorherige Nähte verziehen das Bauteil um 0,5–4 mm
• Chargenschwankungen: Materialdicke variiert innerhalb der Toleranz

Bei einer 500 mm langen V-Naht reichen 1,5 mm Versatz, um die Naht außerhalb der Bewertungsgruppe C (ISO 5817) zu bringen. Die Folge:

• 18–25 % Nacharbeitsrate bei festprogrammierten Schweißrobotern
• €45–120 pro Nacharbeit (Schleifen, Nachschweißen, Prüfung)
• 3,2 % Ausschussrate bei sicherheitsrelevanten Baugruppen
• €62.000–94.000 Nacharbeitskosten pro Roboterzelle und Jahr

Wie KI-Schweißnahtverfolgung funktioniert

Sensorprinzipien

# Sensoroptionen für Nahtführung
laser_triangulation:
  prinzip: "Laserlinie + Kamera → 3D-Profil der Naht"
  genauigkeit: "±0.05 mm"
  geschwindigkeit: "bis 300 Hz Profilrate"
  kosten: "€6.500-12.000"
  vorteile: ["Höchste Genauigkeit", "Funktioniert bei Lichtbogen"]
  einschraenkung: "Reflexionen auf Edelstahl"

lichtbogensensorik:
  prinzip: "Strom/Spannungsanalyse während Pendelschweißen"
  genauigkeit: "±0.3 mm"
  geschwindigkeit: "Echtzeit"
  kosten: "€2.500-4.000"
  vorteile: ["Keine zusätzliche Hardware am Brenner", "Kostengünstig"]
  einschraenkung: "Nur bei Pendelbewegung, nicht bei Steppnähten"

kamera_ki:
  prinzip: "Hochgeschwindigkeitskamera + neuronales Netz"
  genauigkeit: "±0.1 mm"
  geschwindigkeit: "60-120 fps"
  kosten: "€4.000-8.000"
  vorteile: ["Erkennt auch Nahtqualität", "Lernfähig"]
  einschraenkung: "Rauch und Spritzer stören"

KI-basierte Erkennung

Klassische Laser-Triangulation erkennt Geometrien — KI geht weiter:

1. Nahttyp-Erkennung: V-Naht, Kehlnaht, Stumpfnaht, Überlappnaht automatisch identifizieren
2. Fugenmessung: Spaltbreite und -tiefe in Echtzeit messen
3. Adaptive Parameter: Schweißstrom und -geschwindigkeit an den tatsächlichen Spalt anpassen
4. Qualitätsüberwachung: Nahtbreite, Einbrandtiefe und Nahthöhe während des Schweißens bewerten
5. Defekterkennung: Poren, Bindefehler und Einbrandkerben sofort erkennen

Regelkreis

Der KI-Controller schließt den Regelkreis in unter 10 Millisekunden:

Kamera erfasst Nahtposition → KI berechnet Korrekturvektor → Robotersteuerung passt TCP (Tool Center Point) an → nächstes Frame prüft die Korrektur.

Die Latenz von der Erkennung bis zur Roboteraktion beträgt 8–12 ms. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von 60 cm/min entspricht das 0,1 mm Nachlauf — vernachlässigbar.

Praxisbeispiel: Schweißbaugruppen für Landmaschinen

Ein Hersteller von Anbaugeräten für Traktoren (78 Mitarbeiter, 3 Schweißroboter KUKA KR 16) in Niedersachsen:

Ausgangslage:

• 3 Roboterzellen, MAG-Schweißen, S355-Stahl
• 180 Baugruppen pro Tag, Ø 12 Nähte pro Baugruppe
• Nacharbeitsrate: 22 %
• 2 Schweißfacharbeiter für Nacharbeit gebunden
• ISO 3834-2 Zertifizierung → lückenlose Dokumentation

Umsetzung:

• Laser-Triangulationssensor (Scansonic ALO3) an jedem Roboter
• KI-Software für adaptive Parameterregelung
• Integration in KUKA KRC5 Steuerung
• Nahtdaten automatisch in QS-Protokoll geschrieben

Ergebnisse nach 8 Monaten:

Die Einsparung setzt sich zusammen aus: reduzierter Nacharbeit (€82.000), weniger Ausschuss (€19.000), höherer Durchsatz (€17.000).

Nachrüstung bestehender Roboterzellen

Kompatibilität

Die KI-Nahtverfolgung lässt sich an die meisten Industrieroboter nachrüsten:

• KUKA: KRC4 und KRC5, direkte Schnittstelle über RSI (Robot Sensor Interface)
• FANUC: R-30iB Plus, über EtherNet/IP
• ABB: IRC5 und OmniCore, über EGM (Externally Guided Motion)
• Yaskawa: YRC1000, über MotoPlus SDK

Installationsaufwand

# Nachrüstplan pro Roboterzelle
tag_1:
  - "Sensor mechanisch montieren (Brennerhalterung)"
  - "Kabel und Controller installieren"
  aufwand: "6 Stunden"

tag_2:
  - "Kalibrierung Sensor → Roboter-TCP"
  - "Kommunikation Sensor ↔ Steuerung testen"
  aufwand: "4 Stunden"

tag_3:
  - "5 Nahttypen einlernen (Referenzfahrten)"
  - "Schweißparameter-Mapping konfigurieren"
  aufwand: "6 Stunden"

tag_4:
  - "Produktionslauf mit 50 Baugruppen"
  - "Feintuning und Abnahme"
  aufwand: "8 Stunden"

gesamt: "3-4 Arbeitstage pro Zelle"
kosten_gesamt: "€12.000-22.000 (inkl. Hardware + Inbetriebnahme)"

Wirtschaftlichkeit berechnen

Formel für die jährliche Einsparung:

Einsparung = (Nacharbeitsstunden × Stundensatz) + (Ausschussteile × Materialkosten) + (Durchsatzsteigerung × Deckungsbeitrag)

Beispiel: 180 Baugruppen/Tag × 22 % Nacharbeit × €65 Nacharbeitskosten × 250 Arbeitstage = €643.500 Nacharbeitskosten/Jahr. Bei Reduktion auf 1,3 %: €23.725 → Einsparung: €619.775 bei 3 Zellen.

Für eine detaillierte Kalkulation nutzen Sie die ROI-Berechnung mit Excel-Vorlage. Weitere Informationen zu KI in der Fertigung finden Sie unter KI-Stanzwerkzeug Verschleißerkennung und im Komplettleitfaden KI für Unternehmen.

FAQ

Funktioniert die Nahtverfolgung auch bei Edelstahl?

Ja, mit Einschränkungen. Laser-Triangulation wird durch Reflexionen auf polierten Oberflächen gestört. Lösung: Kamerasysteme mit polarisiertem Licht oder Lichtbogensensorik.

Kann der Sensor den Rauch beim Schweißen durchschauen?

Laser-Triangulation arbeitet im Infrarotbereich und wird weniger von Rauch beeinflusst. Zusätzlich hilft Crossjet (Druckluft-Querstrahl) am Sensor, Spritzer und Rauch fernzuhalten.

Wie oft muss der Sensor kalibriert werden?

Nach der initialen Kalibrierung alle 3–6 Monate oder nach einem Brennerwechsel/Crash. Die Kalibrierung dauert 15 Minuten mit einem Referenzkörper.

Bremst die Nahtverfolgung die Taktzeit?

Nein. Die KI-Berechnung läuft parallel zur Roboterbewegung. Die Schweißgeschwindigkeit bleibt gleich oder steigt sogar, weil der Roboter keine Sicherheitsabschläge für Toleranzen mehr braucht.

Welche Nahtarten werden unterstützt?

Alle gängigen Nahttypen: V-Naht, Kehlnaht, Stumpfnaht, Überlappnaht, HV-Naht und Bördelnaht. Für Sonderformen (z. B. Rohr-auf-Platte) ist ein spezifisches Training nötig.