CN1089284C - 用于加工工件的光束或射束的检测和定位方法装置 - Google Patents

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Abstract

在用于加工工件的光束或射束(3)的监测和定位方法中，用设在光束或射束前面的第一传感器(7)(在采用光束时是一个接缝检测系统)和/或一个预定值来确定光束或射束(3)应该跟随的路径。用设在光束或射束(3)后面的第二传感器(9)监测光束或射束的位置。把第一传感器(7)获得的与光束或射束的所需位置有关的预定值或是读数与第二传感器(9)获得的与光束或射束(3)的实际位置有关的读数相比较，考虑到光束或射束与工件之间与速度有关的相对位移。在实际位置偏离了所需位置时把光束或射束(3)校正到其基准位置。

Description

用于加工工件的光束或射束的监测和定位方法及其装置
本发明涉及用于加工工件的光束或射束的监测和定位方法及其装置，在其中用设在光束或射束前面的第一传感器(在使用光束时例如是一个接缝检测系统)和/或一个预定值来确定光束或射束应该跟随的路径，并且用设在光束或射束后面的第二传感器来监测光束或射束的作用。本发明还涉及到实现这种方法的装置。
在大量的重工业中，光束或射束的机械加工必须受到监测和定位。特别是在例如激光束切削和水射束切削的情况下。在这两种情况下，光束或射束的路径通常是由电子系统来确定的。而光束或射束必须跟随这一路径。切削质量取决于(除了其他因素之外)光束或射束对预定路径的跟随精度。
在更大的范围内，对光束焊接特别是激光焊接也是一样的。如果不能在部件的几何公差，切削边缘质量以及激光器辐射特性等方面满足工艺的严格要求，用激光束的对焊工艺来成批量生产金属板部件(这在汽车工业中被称为“机缝半成品”)的优势就不能得到充分的利用。
在0.2到0.4mm正常聚焦直径下，激光束在需要接合到一起的两个工件之间的接合线上精确地定位是重要的，以便实现高质量的焊接。对于技术上的“零”间隙，最大定位公差不应超过0.1mm。另外，如果必须用熔池来拼合边缘，这种公差就需要进一步缩小。
由于激光束定位误差造成的熔合缺陷在仅有局部渗透的焊接中是非常关键的，这种局部的渗透会被焊接时较宽的上层熔化所隐蔽。即使在全部渗透的焊接中，轻微的焊缝缺口也会导致明显的内部熔合缺陷。
目前已经利用光电子学传感器或是图象处理系统实现了足够高的定位精度，用这种系统可以把光束前面的接合线的实际轨迹，也就是工件的邻接边缘的轨迹作为一系列校正坐标直接发送给机械控制系统。通过这种手段，激光头可以按照大约0.05mm的精度相对于接缝对齐。例如在DE-OS 4312241中就公开了一种此类的接缝检测系统。
这些方法的主要缺点在于这样的事实，即这类接合线检测系统必须从一个预定的固定激光束位置开始检测。而光束的实际位置不能参照检测的位置坐标。这一点可以通过按照预定的间隔执行校准程序，并且在每次调整光通路之后取最小值而获得部分的补救，但是这样做会造成生产的中断。由于激光束的热效应会使激光束的位置发生变化，因而引导系统仍然完全得不到补偿。其结果是降低了焊接操作的精度。
从理论上来说，可以通过把一个光束位置检测系统装入现有的已作为光束检测系统一部分的光束引导系统来解决这些问题。然而，这类检测系统往往不适合用于在线的操作，并且这样做至少会导致费用的明显增加。
另一方面，也可以在光束后面监测焊缝。然而，这种方式并不是为了解决接合线的位置，而仅是为了确定焊缝的质量。
本发明的目的是提供一种解决上述问题的方法及其装置，利用它可以对光束或是射束，特别是一个激光束进行连续的监测和定位并且将其校正到一个基准位置。
这一目的可以通过以下的方式来实现，即把第一传感器根据光束或射束所需位置获得的预定值或是读数与第二传感器根据光束或射束实际位置获得的读数相比较，考虑到光束或射束与工件之间与速度有关的相对位移，并且在实际位置偏离了所需位置时把光束或射束校正到一个基准位置。
这就意味着光束后面的接缝，特别是焊缝的轨迹是由第二传感器确定的，并且与光束前面的轨迹或是所需的轨迹相比较。最好是将此与焊缝本身的质量检查相结合。
按照本发明的这种系统不仅限于在两个工件之间产生的焊接接合，也不仅限于上述激光焊接的特定情况，它还可以应用于采用光束或射束路径导向的所有加工方式。这些加工方式主要是采用高能辐射的切削工艺。
如果相对于检测接合线位置的图象处理系统产生一个坐标参考系统，就可以初步解决上述问题。假如图象产生检测系统相对于共同的刚性安装面是固定的并且在彼此间得到校准，在这个坐标参考系统上可以增加第二图象处理系统。
在很多场合下，例如在激光焊接装置中，为了对所产生的接缝的几何形状进行自动探测，应该使第二检测系统的位置紧靠在焊接位置之后，这一第二检测系统的价格很低。对第二检测系统的光学图象记录和扫描速度的要求与用于检测接合线的第一系统是一样的，因此就可以方便地采用几乎相同的结构。
这样，在用第一图象处理系统连续计算需要焊接的接缝位置的同时，后续的图象处理系统同样可以根据其在坐标的公共参考系统中的位置描绘出已经焊接的接缝的特征。为了获得精确和完整的图象重合，由于两个传感头是彼此固定安装的，因此只需要知道工件或是光束从第一传感器图象场的坐标原点移动到第二传感器图象场中的对应位置所需的与速度有关的位移时间。用商用的测量仪器很容易记录到这种位移时间，并且可以作为基准来对齐需要重合的图象。如果输送被焊接或是切削部件的速度是已知的，就可以实现实际轨迹和所需轨迹之间的准确对应。
利用上述的图象重合，通过图象分析程序可以高度精确地确定聚焦的激光束相对于接合线实际位置的撞击点。一旦得到这一参考值，根据聚焦直径和接缝宽度的已知数值就可以首先直接推断出有可能出现在内部的熔合缺陷。另外，由于热量造成的光束位置偏差是相对缓慢的，很容易实现光束位置的校正。
当然，本发明不仅限于一维输送的场合，还可以用类似的方法适应二维或三维输送时的光束或射束监视以及定位。
在现有技术中有许多用于检测接合线和/或焊缝的技术。所有这类技术都可以与本发明结合使用。值得注意的例子有光切割技术和采用灰度等级图象分析的技术。例如在DE-OS 4312241中可以找到有关光切割技术的说明，而在DVS-Berichte，Vomule 94(1985)，44ff页中可以找到用灰度等级图象分析检测接缝几何形状的说明。
根据具体的条件，两个传感器可以用相同或是不同的技术来操作。经验证明，应该对各项技术提出质量上的要求。如果把本发明的方法用于采用光束或射束的切割，在大多数情况下可以省去光束或射束前面的传感器。该传感器在确定所需位置以及相应地引导光束或射束等方面的功能可以由存储在一个电子存储器中的预定值来承担。
通过以下结合附图对实施例的描述可以看到本发明进一步的特征和细节，在附图中：
图1是一个局部框图形式的平面图，表示了用于加工工件的光束的监测和定位装置；
图2是图1装置的一个平面图，示意性地表示了光束的位置检测。
如图1所示，两个工件1和2需要用光束3接合在一起。在光束前面的两个工件1和2之间的接合区域被称为接合线4，而光束3后面的同一区域被称为焊缝5。
光束3来自设在一个移动装置6上的光源(未示出)，移动装置6例如是一个横向刀架。在本例中，移动装置6可以在二维即X和Y方向上移动。然而，也有可能提供三维的移动。其最基本的要点是这一移动装置6可以沿着接合线4引导光束3，并且与后者对齐。
为了能沿着接合线4引导光束3，在光束3前面设置了一个传感器7(称为接缝检测系统)。这一传感器7被连接到控制单元8，并且连续地检测接合线4的轨迹。根据工件的与速度有关的位移时间-或是当光束与工件交叉情况下的位移时间-由装在移动装置6中与其一起移动的控制单元8根据传感器7获得的读数来确定接合线4的状态，从而使光束3一直精确地瞄准在接合线4上，并且最好是瞄准在接合线4的中心线(未示出)上。
按照本发明，在光束3后面设有另一个传感器9，并且同样连接到控制单元8上。用这个第二传感器观察焊缝5。
以下用举例的方式参照图8说明本发明装置的工作方式。
在光束3前面的传感器7采用光切割技术来执行。这包括在与传感器透镜系统的光轴倾斜的一个角度上在接合线4的区域投影一个条纹图形，该图形在本例的情况下是由五个平行的条纹10构成的。这些条纹与被焊接的接合线基本上是交叉延伸的，但是也可以采用不同的位置。在接合线4的区域内，条纹是中断的，或是在用传感器检测时出现位移。由此就可以从对应条纹数量的点的数量来确定接合线的轨迹。
如图2所示，第二传感器9的工作原理是相同的，并且用类似的条纹图形11照射焊缝5。
在受到热感应偏移影响的情况下，如果光束3从用不间断轮廓线表示的位置偏移到用间断轮廓线表示的位置，传感器7就不能检测到这种偏移，因为传感器7总是假定光束3处于其基准位置。然而，随后的传感器9可以检测到焊缝轨迹与传感器7的轨迹之间的偏差，这一偏差作为读数被传送到控制单元8，通过图像分析获得的位置坐标就失去了一致性。这一点在图中是用间断线表示的。然后由控制单元8根据所获的校正值使移动装置6移动，把光束3恢复到基准位置。

Claims (3)

1.用于加工工件的光束或射束的监测和定位方法，在其中用设在光束或射束前面的至少一个第一传感器和/或一个预定值来确定光束或射束应该跟随的路径，以及设在光束或射束后面的第二传感器，用于监测光束或射束的动作，其特征是：
把第一传感器获得的与光束或射束的所需位置有关的读数和/或上述预定值与第二传感器获得的与光束或射束的实际位置有关的读数相比较，考虑到光束或射束与工件之间与速度有关的相对位移，并且在实际位置偏离了所需位置时把光束或射束校正到其基准位置。
2.按照权利要求1的用于加工工件的光束或射束的监测和定位方法，其特征是光束或射束的所需位置是利用光切割技术或是光切割和灰度等级图像分析技术的组合来检测的，而光束或射束的实际位置是利用灰度等级图像分析技术或是光切割和灰度等级图像分析技术的组合来检测的，并且把上述检测到的位置相互比较。
3.用于加工工件的光束或射束的监测和定位的装置，在其中用设在光束或射束前面的至少一个第一传感器和/或一个预定值来确定光束或射束应该跟随的路径，以及设在光束或射束后面的第二传感器，用于监测光束或射束的动作，其特征是其中的第二和/或第一传感器被连接到一个控制单元，用控制单元比较两个传感器获得的读数，控制单元被连接到一个移动装置，用于在光束或射束与工件之间产生相对位移。
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