CN101479566A - 评价工件结合位置的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

为评价结合位置的位置和质量，在同一传感器、但是在其两个不同的区域21、22中摄取结合位置的具有光截面图案和灰度值图像的组合图像。分析灰度值图像，以便识别结合位置的质量。这允许以简单的方式识别结合位置的位置结合位置和质量。

Description

评价工件结合位置的方法和设备
本申请要求2005年11月14日提交的瑞士专利申请Nr.1823/05的优先权，其全部公开内容通过参考被并入此。
技术领域
本发明涉及用于探测(Erfassung)工件的结合位置(Fuegestelle)的方法，其中以光截面方法(Lichtschnittverfahren)获取用于探测结合位置的三维曲线(Verlauf)的光线(Lichtlinien)和结合位置的另一灰度值图像(Grauwertbild)，其中灰度值图像被分析以评估结合位置的质量，其中光截面方法的光线和灰度值图像一起被摄取到传感器、特别是CMOS传感器上。此外，本发明还涉及所述方法的应用以及根据权利要求11的发明主题的设备。
背景技术
WO 03/041902公开了，为了评价结合位置的位置和质量，获取该结合位置和光截面图案(Lichtschnittmuster)的图像。分析在这种情况下摄取的灰度值图像，以便识别结合位置的质量。该方法产生良好的结果。
发明内容
本发明的任务在于改进这样的方法。
在开始时所提到的方法中这是通过下述而实现的，即各光线的摄取总是在传感器的第一区域内进行，灰度值图像的摄取在传感器的与第一区域不同的第二区域内进行，这些区域在不同时间被曝光，并且传感器的这些区域在不同时间被读取。
传感器的划分以及传感器的不同时间的曝光和读取使得能够实现第一传感器区域中非常快的三角测量分析(Triangulationsauswertung)，并且因此使得能够实现结合位置、例如焊道(Schweissraupen)和粘接缝(Kleberaupen)的几乎完备的3D显示和分析。因此，通过将传感器划分为两个具有不同读取频率的传感器区域而实现的灰度图像评估(Graubildauswertung)/快速三角测量(Triangulation)的组合实现了这样的可能性，即用光截面方法如此快速地处理，以至于能够实现结合位置的快速3D测量(Vermessung)，并且还可以通过灰度图像分析探测或者评价局部的缺陷位置(Fehlstellen)。
在第一优选实施方式中，进行传感器的区域的独立的、异步的读取。
然而，在另一实施方式中，特别优选地，同步读入到存储器中，然后从该存储器读出包含至少一个光线图像(Lichtlinienbild)、特别是完整光线图像和一部分灰度值图像的数据块用于评估。
此外，本发明的任务还在于提供一种改进的设备。
这在开始时所提到的设备通过权利要求11特征部分的特征来实现。
附图说明
下面借助于附图详细说明本发明的实施例以及特别的优点。附图中：
图1示意表示在板坯焊接(Platinenschweissen)情况下激光焊接过程(Laserschweissvorgang)的视图，
图2示意表示具有两个区域的传感器，
图3示意表示传感器的读取，
图4示意表示读取传感器到存储器中。
具体实施方式
图1示意表示板坯(Platine)(或所谓的拼焊板)的焊接，其中板坯由板材(Blech)1和2构成，板材1和2沿结合线(Fuegelinie)3彼此对焊(stumpfaneinanderstossen)。在这种情况下，通常把不同厚度和/或不同板材特性(Blecheigenschaft)的平的板材部分(Bleichteile)连接成一个元件，即板坯(拼焊板)。该元件通常然后被成型为零件，例如用于汽车的零件。
来自激光射线源(Laserstrahlquelle)5的激光射束(Laserstrahl)6沿结合线3行进，并且将板材1和2相互焊接，并在后面形成焊缝(Schweissnaht)4。在这种情况下，是激光射线源5在固定的工件上经过还是工件在固定的激光器上经过是无关紧要的。已知用焊缝识别单元7确定结合线3的位置，以便能够使激光射线源5或者射束6准确跟踪结合线走向。为此，以已知的方式，用光截面方法确定结合线3的行程，如在开始时说明的那样。因此，单元7既根据现有技术又按照本发明包括用于产生至少一条相对于结合线3的走向(Verlauf)基本上横切的光线、特别是激光线(Laserlichtlinie)的设备。光线的走向被照相机探测，以便识别结合线。这基本上是公知的，不需要在这里进一步说明。在这种情况下，被探测的区域在图中用8表示，其中未按比例绘制；被探测的区域例如可以是8×8mm或者10×10mm。此外已知，附加地，在光线的区域中获取灰度值图像，以便同样识别结合线3的走向。单元7的图像通过线12被提供给分析单元和控制单元11，并且相应地，控制激光射束的位置以准确地跟踪结合位置3，其中分析单元和控制单元11也可以是用于分析和控制的分开的单元。
为在焊接之后探测焊缝4的焊缝质量(Nahtqualitaet)，根据WO 03/041902，一方面，按照光截面方法工作，以便测量几何数据，例如凸度(Konvexitaet)、凹度(Konkavitaet)和边缘偏差(Kantenversatz)。为此提供焊缝检验单元9，由它探测的区域在图中用区域10表示，其也未按比例绘制，并且包括例如同样为8×8mm或者10×10mm。另一方面，现在根据WO 03/041902，为检验焊缝4，附加地获取灰度值图像，其中灰度值图像被分析以识别焊缝的质量。灰度值图像的该分析应该确定尤其是局部的缺陷位置，例如孔隙度(Porositaet)、小孔(Loecher)和错误的焊透。为此，单元9一方面被构造为生成至少一条相对于焊缝4横切的光线。该光线优选由具有大的光功率的光截面激光器(Lichtschnittlaser)(例如在窄线上50mW到100mW的激光二极管)产生，以便在存在表面的不同反射特性的情况下总是将足够的光引到单元9中的获取光线的传感器上。在这种情况下，单元9的用于光线的传感器优选是CMOS传感器，或者CMOS照相机。在要探测的结合位置和单元9之间相对运动的情况下，如在所示图1的例子中的情况，优选地，照相机传感器的曝光时间被选择得很长，使得激光线的反射光在表面的区域上被平均。于是，3D测量在比激光的线宽大的区域上实现。
为基本上在缝的也在该位置处在焊缝上照射激光线的相同位置处获取灰度值图像，进行尽可能短的闪光(Blitzlicht)曝光，其中照明(Beleuchtung)的曝光时间特别应该如此之短，使得在该例中相对于单元9运动的焊缝的运动模糊(Bewegungsunschaerfe)保持为小于一个像素。在这种情况下，优选地，照明以暗场照明进行，必要时在明场中进行。用于获取灰度值图像的传感器是现有的也摄取激光线的同一传感器。亦即，仅借助一个传感器、特别是CMOS传感器或者CMOS照相机，既摄取焊缝的灰度值图像，也摄取激光线的图像。图像摄取的间隔被选择为使得保证目标区域的覆盖(Ueberdeckung)，即焊缝的完备的摄取。一般，在这种情况下，本方法能够被应用于具有异步读取传感器输出的可能性的照相机以及具有内部存储器和可编程门阵列(FPGA)的照相机。
根据本发明，现在，传感器被划分为两个区域，其中在第一区域内一个紧接着一个地摄取也被称为三角测量线(Triangulationslinie)的各光截面线。传感器的第二区域用于灰度图像摄取。图2示意表示具有第一区域21和第二区域22的传感器20，其如上所述可被设置在单元9内。在第一区域内表示出三角测量线的摄取23，在第二区域内表示出结合线或者焊缝4的灰度图像摄取24。在这两个区域中的摄取被控制与激光线的产生或者用于灰度值图像的曝光同步进行，使得每一个传感器区域21、22包含相应的摄取(Aufnahme)。
传感器20的第一区域21被连续地以非常高的速度读出，以便读出快速地在时间上一个接一个被拍摄的图像23。灰度图像区域24的读取频率与物场以及照相机或者单元9相对于结合线4的运动速度适应，并且较慢。
在传感器的数据速率为80兆字节/秒、像素大小为1K×1K的情况下，传感器区域21例如用150×800像素以大约660Hz被读取。在相应提高数据速率到160兆字节/秒的情况下，可以达到约1.2KHz。
具有例如800乘800像素的传感器区域22相应于物场和行进速度(Verfahrgeschwindigkeit)被读取，以便得到焊道或者粘接缝4的重叠的图像。
图3示意表示这两个区域的读取。时间texp1是用于传感器区域21的曝光时间，时间texp2是用于传感器区域22的曝光时间。时间t1是用于传感器区域21的曝光时间+读取时间，时间t2是用于传感器区域22的曝光时间+读取时间。
用于本方法的传感器可在市场上从Firma Photonfocus AG，8853 Lachen，Schweiz以型号MV-D 1024 CL获得。
读取在该传感器中可同步进行。这在本发明的一个实施中优选这样进行，即数据被从传感器写入到存储器25中，其中该存储器25具有存储区域26和28，其中来自传感器区域21的图像数据到达存储区域26，来自传感器区域22的图像数据到达存储区域28，如在图4中用虚线表示的那样。
在同步的操作方式下，连续读取传感器区域21，并且在探测传感器区域22的对象区域(Objektbereich)后，读取传感器区域22。
因为传感器区域22的传输时间明显比传感器区域21的传输时间长，所以数据被中间存储(zwischenspeichern)，然后与传感器区域21的数据一起以块方式(stueckweise)被传输，这点如图4所示。数据块30、31...等因此分别由三角测量线的完整图像21’和结合线4的图像(传感器区域22的部分量)的一部分22’形成，并被转发给分析器(作为单元11表示)，在那里，各个快速的一个接一个的三角测量线图像被分析，并且灰度图像在其由块22’组成后被分析，或者各个块22’或者多个块22’被一起分析。数据的部分量(Teilmenge)必须被选择为使得传感器区域22的所有数据在时间t2内被传送。对于传感器，存储器26可以被设置在单元9内或者在照相机内，或者在必要时在单元11内。
作为对于上述同步读取区域21、22的替换，如果传感器20允许，则对可以通过分开的通道异步地读取这些区域。
由传感器所摄取的图像被提供给图像分析单元11。在那里，图像对于分析单元11而言不是以可见的表示存在，而是仅作为数的序列存在。在这种情况下可以这样规定，即在单元11中以8比特字被处理。在这种情况下，图像的灰度值的划分例如仍可以在传感器20的10比特图像中进行，并且这些数据可以随后通过相应的表(查阅表)例如被传送到8比特区0-200(用于灰度值图像)和200-255(用于激光线)。
在这种情况下，每一图像的分析为激光线以常规方式进行，其中借助于借光线可确定焊缝的横向轮廓(Querprofil)。从该横向轮廓可以以已知的方式确定焊缝的几何数据，例如凸度、凹度和边缘偏差。对于这些值存在ISO极限值(Grenzwerte)，它们的遵守因此被保证。由单元9所提供的高值的灰度值图像使得也能够根据这些图像的分析来评价焊接质量。为此，在表示焊缝4的图像区域中突出焊缝结构的轮廓。这从WO 03/041902中已知，其内容特此通过参考并入此。相应地，可以突出焊缝结构的动态的二值化(Binarisierung)。在另一处理步骤中，动态二值化的焊缝区域被剥制出骨干(skeletieren)。其余保留焊缝结构的轮廓线。
对于这一处理步骤，已知相应的图像处理程序。可以使用瑞士SoudronicAutomotive股份有限公司的软件SOUVIS5000，该软件提供该功能。作为商业上的另一程序，例如可以使用前Logical Vision公司、现在的Coreco Imaging公司的名称为WIT的已知的程序，例如版本5.3，该公司位于加拿大魁北克的St.Laurent。
相应的图像处理允许识别局部的缺陷位置，例如孔隙度、小孔和错误的焊透。这一方面可以通过下述方式进行，即将如此确定的结构与质量上良好的焊缝的已知图案比较。也可以附加地或者替代地通过单元11检验轮廓线的存在、它的取向或者焊缝纵向的角度偏离和/或它的长度。以这种方式，现在能够基于灰度值图像检验焊缝质量。
现在借助于在板坯焊接情况下的焊缝对本发明进行说明，但是本发明不限于这种应用。可以以这种方式普遍地检验结合位置的质量，例如点焊或者还有粘接材料的粘接缝。
在边缘跟踪单元(Kantenverfolgungseinheit)7内也可以使用本发明。其中，所有基于单元9所说明的构造由此也为单元7给定或者采用。其中，特别是照明和图像摄取优选同样如借助于单元9所说明的那样进行。其中，光线分析允许进行边缘识别和厚度阶跃监视(Dickensprung-Ueberwachung)。零缝隙(Null-Spalt)/零厚度阶跃(Null-Dickensprung)的情况下的边缘的识别以及缝隙宽度的测量优选通过灰度图像分析来执行。也在这种情况下，通过优选的传感器结构和优选的照明方式，尽管以高的对象速度仍提供具有高分辨率、大物场、大动态范围的质量非常好的灰度值图像。其中，单元7同样通过线12与图像分析单元11连接，如其用于单元9的线14那样。在这种情况下，相应于单元7的目的，激光源5由单元11通过线13被控制或者制导(nachfuehren)，使得借助于激光射束准确地在结合线3的位置处进行焊接。
其中，但是，单元7除了位置识别之外还可以附加地执行边缘缺陷(Kantenschaeden)的探测，即在结合步骤(Fuegeschritt)前执行结合位置的质量的评价，如这点借助于单元9所说明的那样。如果结合位置涉及粘接材料缝，则在结合步骤前由对应于单元7的单元(或者通过两个单元分开地)同样进行位置和质量探测。
本发明的目的和应用领域：焊接连接，无论是激光还是MIG和MAG连接都必须经受100％的控制。此外，在粘接前，粘接缝要经受控制。堆焊(Auftragsschweissung)在继续处理前必须被检查。
与小的误差极限相关的高的生产速度导致使用光学测量和检验系统，这些系统能够无接触地以高速度检验连接。
从这样的系统出发，结合三维测量，期望实现最小局部缺陷位置的缺陷识别，包括：1.探测局部缺陷位置，测量焊缝长度和位置；2.测量几何数据，如凸度、凹度和可能的边缘偏差，以便保证遵守ISO极限值。焊缝体积(Nahtvolumen)的测量，因为各个测量值、例如凹度不说明焊缝横截面。
几何数据的测量要求焊缝的快速3D测量，局部缺陷位置的识别要求在非常高的分辨率的情况下和在同时快速的对象运动的情况下的灰度图像分析。
由此得到对于图像处理的要求：高分辨率、大物场、大的动态范围和高的对象速度。
不能用三角测量探测的局部缺陷位置的识别现在用灰度图像分析执行。
三角测量的弱点，即小的局部缺陷位置的识别，通过在传感器区域22中的附加的灰度图像分析而成为可能。两种分析仅需一个传感器，相对于由两个传感器组成的系统，这极大地减低了设备开销、操作者开销和维护开销。
与安装两个传感器的情况相比，空间需求和所产生的费用显著更小。作为应用领域，有为引导焊接激光的焊接边缘(Schweisskanten)的识别、所有类型的焊缝的质量监视、粘接缝的质量监视以及在同时检查表面特性的情况下表面的几何监视。
使用者可以用新的传感器系统以高的频率按照一般接受的光截面方法执行3D测量。
局部缺陷位置的检验用相同的系统执行。使用者不必安装另外的传感器系统。
尽管在本申请中说明了本发明的优选的实施例，但是必须明确地指出，本发明不限于这些实施例，而是也可以以其他方式在后述权利要求的范围内实现。

Claims (16)

1.一种用于探测工件(1，2)的结合位置(3；4)的方法，其中以光截面方法摄取用于探测结合位置的三维曲线的光线和结合位置的灰度值图像，并且所述灰度值图像被分析以评价结合位置的质量，其中光截面方法的光线和灰度值图像一起被摄取到传感器(20)、特别是CMOS传感器上，其特征在于，各光线的摄取分别在传感器(20)的第一区域(21)内进行，而灰度值图像的摄取在传感器的与第一区域不同的第二区域(22)内进行，这些区域在不同时间被曝光，并且传感器的这些区域在不同时间被读取。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，传感器的这两个区域彼此独立且异步地被读取。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，传感器的这两个区域(21，22)被同步读取，并且被中间存储在存储器(25)中，其中从所述存储器中分别读取包含完整的光线图像(21’)和一部分灰度值图像(22’)的数据块(30，31)。
4.根据权利要求1到3之一的方法，其特征在于，在工件和摄取装置之间相对运动的情况下，用于所述至少一条光线的曝光时间被选择得很长，使得该光线的散射光被焊缝的比该光线宽的区域反射。
5.根据权利要求1到4之一的方法，其特征在于，在工件和摄取装置之间相对运动的情况下，用于灰度值图像的曝光时间借助于闪光照明装置被选择得很短，使得运动模糊保持小于一个像素。
6.根据权利要求1到5之一的方法，其特征在于，代替灰度值图像、或者作为灰度值图像的补充，摄取彩色图像。
7.根据权利要求1到6之一的方法的应用，用于在板坯焊接的情况下分析边缘缺陷。
8.根据权利要求1到6之一的方法的应用，用于在板坯焊接的情况下分析焊缝质量。
9.根据权利要求8的应用，其特征在于，突出并检查焊缝结构的轮廓。
10.根据权利要求1到6之一的方法的应用，用于评价点焊或者粘接材料缝。
11.一种用于探测工件(1，2)的结合位置(3；4)的设备，
具有光线投影单元和用于摄取光线和灰度值图像的摄取单元(9)，并且
具有用于所述光线和所述灰度值图像的图像分析单元(11)，所述图像分析单元被构造为根据灰度值图像识别结合位置的质量特征，
其中摄取单元被构造为摄取图像，其中在所述图像上一起采集光线和灰度值图像，
所述摄取单元具有传感器，特别是仅一个传感器，并且特别是CMOS传感器，其特征在于，
所述至少一条光线的摄取分别在传感器(20)的第一区域(21)内进行，而灰度值图像的摄取在传感器的与第一区域不同的第二区域(22)内进行，这些区域能够在不同时间曝光，并且传感器的这些区域能够在不同时间读取。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于，传感器的这两个区域能够彼此独立且异步地读取。
13.根据权利要求11或者12的设备，其特征在于，传感器的这两个区域能够被同步读取，并且能够被中间存储在存储器(25)中，其中从所述存储器中分别能够读取包含完整的光线图像和一部分灰度值图像的数据块。
14.根据权利要求11到13之一的设备，其特征在于，设置闪光照明单元，用于摄取灰度值图像。
15.根据权利要求11到14之一的设备，其特征在于，所述图像分析单元(11)被构造为突出和评价灰度值图像中结合位置区域的轮廓。
16.根据权利要求11到15之一的设备，其特征在于，所述摄取单元被构造为摄取彩色图像，作为灰度值图像的附加或替代。
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