DE102005043776A1

DE102005043776A1 - Verfahren zur Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes

Info

Publication number: DE102005043776A1
Application number: DE200510043776
Authority: DE
Inventors: Franz Wimmer; Stefan Straubinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-22

Abstract

Bei einem Verfahren zur Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes für die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen, in welchem der Ultraschallprüfkopf an einem von einer Steuereinheit gesteuerten Industrieroboter angeordnet ist, bei der Steuereinheit zumindest eine Schätzprüfposition gespeichert ist, welche einer zu prüfenden Widerstandspunktschweißverbindung zugeordnet ist, und auf eine Anforderung der Steuereinheit hin, welcher eine gespeicherte Schätzprüfposition zugrunde liegt, der Ultraschallprüfkopf durch den Industrieroboter zur Annäherung an eine spätere Idealprüfposition zunächst in eine Annäherungsposition verbracht wird, ist an dem Industrieroboter ferner eine Kamera angeordnet, wird die Annäherungsposition so festgelegt, dass die zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung von der Annäherungsposition aus durch die Kamera aufnehmbar ist, und wird der Ultraschallprüfkopf auf Basis von Bilddaten der Kamera von der Annäherungsposition in eine Idealprüfposition verbracht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes für die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen, wobei der Ultraschallprüfkopf an einem von einer Steuereinheit gesteuerten Industrieroboter angeordnet ist, bei der Steuereinheit zumindest eine Schätzprüfposition gespeichert ist, welche einer zu prüfenden Widerstandspunktschweißverbindung zugeordnet ist, und auf eine Anforderung der Steuereinheit hin, welcher eine gespeicherte Schätzprüfposition zugrunde liegt, der Ultraschallprüfkopf durch den Industrieroboter zur Annäherung an eine spätere Idealprüfposition zunächst in eine Annäherungsposition verbracht wird.
Die nichtzerstörende Prüfung der Schweißpunktqualität von Widerstandspunktschweißverbindungen auf Ultraschallbasis erfordert das Aufsetzen eines Ultraschallprüfkopfes auf die jeweilige Verbindungsstelle. Eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige Prüfung ist dabei die korrekte Positionierung des Ultraschallprüfkopfes. Grundsätzlich kann das Positionieren des Ultraschallprüfkopfes manuell oder automatisiert erfolgen.
In manuellen Verfahren zur Positionierung des Ultraschallprüfkopfes führt ein Prüftechniker den Ultraschallprüfkopf von Hand möglichst genau auf die Mitte des zu prüfenden Schweißpunktes und bewegt den Ultraschallprüfkopf solange um die Winkelrechte des Schweißpunktes bis sich auf einem Ultraschallprüfgerät, welchem der Ultraschallprüfkopf zugeordnet ist, ein optimales Echo zeigt, das Rückschlüsse auf die Schweißpunkt-Qualität zulässt. Eine solche manuelle Prüfung besitzt verschiedene Nachteile. Zum einen kann der Prüftechniker Schweißpunkte auslassen oder vergessen. Insbesondere bei wechselnden Bauteilen kann nur mit einem Prüfplan, in welchem sämtliche Prüfpunkte verzeichnet sind, eine vollständige Prüfung sichergestellt werden. Dies ist sehr zeitaufwändig, da jeder Prüfpunkt einzeln gesucht werden muss. Zum anderen erfordert die manuelle Positionierung für jeden Prüfpunkt ein hohes Maß an Konzentration und Geschick des Prüftechnikers und ist ebenfalls zeitaufwändig.

Zur Automatisierung des Prüfvorgangs sind Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt. Beispielsweise beschriebt die DE 101 25 782 A1 ein solches automatisiertes Verfahren. Insbesondere bei automatisierten Verfahren ist zu beachten, dass die Position der zu prüfenden Verbindungsstellen – sowohl bei manueller als auch bei automatisierter Herstellung der Verbindungsstellen – in der Regel nur näherungsweise bekannt ist. Es besteht somit typischerweise eine Abweichung zwischen einer, etwa aus Fertigungsdaten bekannten und in einer Steuereinheit für die automatisierte Prüfung gespeicherten, Schätzprüfposition für eine Widerstandspunktschweißverbindung und einer Idealprüfposition, an welcher tatsächlich ein hochqualitatives Prüfergebnis bei der Prüfung der Widerstandspunktschweißverbindung erzielbar ist. Der Ultraschallprüfkopf kann daher nicht ohne weiteren Aufwand, beispielsweise durch bloßes Anfahren der bekannten Schätzprüfposition, in eine geeignete Idealprüfposition verbracht werden.

Gemäß einem aus der DE 101 25 782 A1 bekannten Verfahren wird dieses Problem gelöst, indem zum Auffinden einer Prüfposition, in welcher eine Prüfung mit ausreichender Prüfqualität stattfinden kann, eine Matrix von möglichen Prüfpunkten schrittweise abgearbeitet wird. An jedem Matrixpunkt wird dabei die Prüfqualität bestimmt. Nachteilig an dem aus der DE 101 25 782 A1 bekannten Verfahren ist, dass die schrittweise Abarbeitung sehr zeitaufwändig ist und durch die wiederholte Beanspruchung zu einem hohen Verschleiß des Industrieroboters, des Prüfkopfes und des Prüfgeräts führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes für die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, bei welchem an dem Industrieroboter ferner eine Kamera angeordnet ist, bei welchem die Annäherungsposition, in welche der Ultraschallprüfkopf durch den Industrieroboter zur Annäherung an eine spätere Idealprüfposition zunächst verbracht wird, so festgelegt wird, dass die zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung von der Annäherungsposition aus durch die Kamera aufnehmbar ist, und bei welchem der Ultraschallprüfkopf auf Basis von Bilddaten der Kamera von der Annäherungsposition in eine Idealprüfposition verbracht wird.

Die Erfindung macht ein schnelles Verbringen des Ultraschallprüfkopfes in eine geeignete Idealprüfposition möglich. Die gemäß dem Stand der Technik erforderliche wiederholte Bestimmung der Prüfqualität an einer Vielzahl von Prüforten kann entfallen.

Die erfindungsgemäße kamerabasierte Lösung erlaubt ein zielgerichtetes und direktes Anfahren derjenigen Prüfposition, nämlich der Idealprüfposition, in welcher derjenige Prüfvorgang vorzunehmen ist, dessen Ergebnis später tatsächlich von Interesse ist. Das Verfahren kann somit schneller ablaufen. Der Industrieroboter, der Prüfkopf und das Prüfgerät stehen nach kürzerer Zeit für die Prüfung der nächsten Verbindungsstelle zur Verfügung. Auch ein Gegenstand, beispielsweise ein Bauteil in der Fertigung der Automobilindustrie, an welchem eine oder mehrere Verbindungsstellen geprüft werden, steht durch das beschleunigte Verfahren nach erfolgter Prüfung schneller wieder zur Verfügung. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Verschleiß des Industrieroboter, des Prüfkopfs und des Prüfgeräts gegenüber einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik reduziert. Außerdem sinkt durch die geringere Anzahl anzufahrender Prüfpositionen die Gefahr von Kollisionen des Prüfkopfs mit dem geprüften Gegenstand, durch welche der Gegenstand beschädigt – beispielsweise verkratzt – wird.

Die Erfindung erfordert als Mehraufwand gegenüber dem Stand der Technik lediglich die Anbringung einer geeigneten Kamera an dem Industrieroboter und die Bereitstellung einer bildverarbeitungsbasierten Steuerung des Industrieroboters. Die Kosten für eine geeignete Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, und der Aufwand für die Entwicklung einer bildverarbeitungsbasierten Steuerung des Industrieroboters sind bezogen auf das hohe Einsparungspotenzial, welches sich insbesondere bei hohen Anzahlen zu prüfender Verbindungsstellen aus der Erfindung ergibt, verhältnismäßig gering.

Vorzugsweise ist die Kamera in unveränderlicher Relativposition und -lage bezüglich des Ultraschallprüfkopfes an dem Industrieroboter angeordnet. Somit kann aus einer durch Bildverarbeitung bestimmten Position und Lage der Kamera im Raum oder bezogen auf ein Bezugskoordinatensystem eindeutig auf die Position und Lage des Ultraschallprüfkopfes im Raum oder bezogen auf dasselbe Bezugskoordinatensystem geschlossen werden.

Die bildverarbeitungsbasierte Steuerung des Industrieroboters kann auf der Basis von an sich bekannten Bildverarbeitungsverfahren auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Dabei kann beispielsweise die typischerweise kreisförmige Form von Widerstandspunktschweißverbindungen vorteilhaft genutzt werden. Beispielsweise kann in einem Bildverarbeitungsverfahren zunächst durch ein sogenanntes Template Matching, also durch den Vergleich eines Bildes oder Bildausschnitts mit abgespeicherten Vergleichsbildern, eine Verbindungs stelle aufgefunden und anschließend durch eine Schwerpunktsberechnung über die Fläche der aufgefundenen Verbindungsstelle deren Zentrum bestimmt werden. Ebenso kann das Auffinden der Verbindungsstelle im Kamerabild, gegebenenfalls sogar die Bestimmung des Zentrums, durch ein Bildverarbeitungsfilter zur direkten Bestimmung kreisförmiger Merkmale realisiert werden. Viele hierfür verwendbare Bildverarbeitungsfilter stehen einem Programmierer heute beispielsweise über Programmbibliotheken kostenlos zur Verfügung.

Unter der Annahme, dass bei einer Prüfung im Zentrum der Verbindungsstelle eine ausreichende Prüfqualität erreichbar ist, kann das Zentrum der Verbindungsstelle als Idealprüfposition festgelegt werden. Aus der Lage und/oder Größe und/oder Verzerrung der Verbindungsstelle im Kamerabild kann die Position und, sofern nicht aus den Randbedingungen bekannt, die Lage der Idealprüfposition bezogen auf die Kamera bestimmt werden. Hieraus wiederum ist die Relativposition und gegebenenfalls die Relativlage des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition bestimmbar.

Wie bereits angemerkt, kann auch die Relativlage, also die relative räumliche Anordnung in rotatorischen Freiheitsgraden, zwischen Ultraschallprüfkopf und Idealprüfposition bildverarbeitungsbasiert bestimmt werden. Ebenso kann diese Relativlage, sofern sie bekannt ist, in der Steuerung des Industrieroboters berücksichtigt werden. In den meisten Anwendungsfällen ist diese Relativlage bereits aus den Randbedingungen in ausreichender Genauigkeit bekannt und muss daher nicht in der erfindungsgemäßen bildverarbeitungsbasierten Steuerung berücksichtigt werden. Zugunsten einer übersichtlichen Darstellung der Erfindung werden die Erklärungen im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung deshalb ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit der Erfindung auf eine Bestimmung der Relativposition, also der relativen räumlichen Anordnung in translatorischen Freiheitsgraden, zwischen Ultraschallprüfkopf und Idealprüfposition und deren Berücksichtigung in der Steuerung des Industrieroboters beschränkt.

Vorzugsweise liefert die Kamera Bilddaten an die Steuereinheit des Industrieroboters und diese übernimmt die oben bereits beschriebenen Aufgaben der Bildverarbeitung, d. h. die Steuereinheit des Industrieroboters bestimmt aus den Bilddaten die Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition.

Ebenso ist es denkbar, dass eine eigene, d. h. von der Steuereinheit des Industrieroboters getrennt ausgeführte, Recheneinheit zur Bestimmung der Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition vorgesehen ist. Die Kamera liefert die Bilddaten dann an eine solche getrennt ausgeführte Recheneinheit. Eine solche Recheneinheit kann der Kamera zugeordnet sein. Auch kann eine solche Recheneinheit beispielsweise in ein Gehäuse der Kamera integriert sein. Dazu kann die Recheneinheit beispielsweise als Mikroprozessor ausgeführt sein. Die Kamera bzw. der integrierte Mikroprozessor ist dann geeignet, fertig aufbereitete Relativpositionsdaten zurück an die Steuereinheit des Industrieroboters zu liefern.

Im einfachsten Fall erfolgt nur einmalig in der zunächst angefahrenen Annäherungsposition eine Bestimmung der Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition. Anschließend wird auf Basis des Ergebnisses dieser Bestimmung der Ultraschallprüfkopf in an sich bekannter Weise von der Annäherungsposition in die Idealprüfposition verbracht.

Gemäß verschiedener Weiterbildungen der Erfindung wird die Bestimmung der Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition zumindest einmal während des Verbringens des Ultraschallprüfkopfes von der Annäherungsposition in die Idealprüfposition wiederholt und ein bereits begonnenes Verbringen des Ultraschallprüfkopfes in die Idealprüfposition wird auf Basis der neu bestimmten Relativposition fortgesetzt. Somit können Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Relativposition und/oder der Bewegungssteuerung des Industrieroboters korrigiert werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Relativposition laufend an die Steuereinheit zurückgekoppelt und in der Bewegungssteuerung des Industrieroboters berücksichtigt. Durch die Rückkopplung wird ein geschlossener Regelkreis hergestellt. Die Idealprüfposition kann somit besonders exakt angefahren werden.

Gegebenenfalls werden für eine einzige Bestimmung der Relativposition mehrere Kamerabilder aufgenommen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine weitere Kamera an dem Industrieroboter angebracht werden. Durch die Verfügbarkeit von Bilddaten aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen kann einerseits eine durch Redundanz erhöhte Zuverlässigkeit des Verfahrens erreicht werden. Andererseits kann im Sinne einer Stereoskopie eine geeignete Datenbasis für eine verbesserte räumliche Interpretation der aufgenommenen Bilder geschaffen werden. Durch eine verbesserte räumliche Interpretation kann beispielsweise der Abstand des Ultraschallprüfkopfes von der Verbindungsstelle in Richtung der Winkelrechten der Verbindungsstelle verbessert bestimmt werden.

Die bildverarbeitungsbasierte Bewegungssteuerung des Industrieroboters beginnt erfindungsgemäß ausgehend von einer Annäherungsposition. Bei der Annäherungsposition kann es sich um eine einer Verbindungsstelle zugeordnete Position handeln, die zunächst ohne Nutzung der Kamera durch eine reine Positionsvorgabe der Steuereinheit an den Industrieroboter angefahren wird. Dementsprechend ist gemäß einer ersten Variante der Erfindung die Annäherungsposition als Schätzprüfposition bei der Steuereinheit gespeichert und der Ultraschallprüfkopf wird zunächst zielgerichtet in diese Schätzprüfposition verbracht. Äquivalent hierzu kann als Schätzprüfposition tatsächlich ein Erwartungswert für die Idealprüfposition gespeichert sein und die Annäherungsposition wird auf Basis dieses Erwartungswerts beispielsweise durch einen bewusst vorgesehenen Offset festgelegt oder die gespeicherten Werte enthalten selbst einen solchen Offset. Gegebenenfalls sind auch eine Trajektorie und/oder bestimmte Wegpunkte vorgegeben, über welche sich der Industrieroboter zur Annäherungsposition bewegt. Vorzugsweise wird bei der Vorgabe der Annäherungsposition und/oder der Trajektorie bzw. der Wegpunkte ein Mindestabstand gegenüber dem Gegenstand, dessen Verbindungsstelle geprüft werden soll, und gegebenenfalls gegenüber anderen Objekten im Arbeitsraum des Industrieroboters eingeplant.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist als Schätzprüfposition bei der Steuereinheit als Schätzprüfposition lediglich eine vorläufige Annäherungsposition oder eine vorläufige Annäherungstrajektorie, d.h. eine Vielzahl von nacheinander anzufahrenden vorläufigen Annäherungspunkten, vorgegeben. Der Industrieroboter bewegt sich dann zunächst auf die vorläufige Annäherungsposition zu bzw. entlang der vorläufigen Annäherungstrajektorie. Die Kamera und eine zugehörige Bildverarbeitung sind während dieser Bewegung jedoch bereits aktiv. Sobald in einer bestimmten während dieser Bewegung eingenommenen Position die zu prüfende Verbindungsstelle durch die Kamera in einer Güte, die zur Bestimmung der Relativposition und ggf. -lage bezüglich einer geeigneten Idealprüfposition ausreicht, aufgenommen wird, wird der Ultraschallprüfkopf in der bereits beschriebenen Art und Weise bildverarbeitungsbasiert in die Idealprüfposition verbracht. Im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Variante der Erfindung wird die gespeicherte Schätzprüfposition gemäß der zweiten Variante der Erfindung in der Regel nicht erreicht. Sie liegt jedoch der Anforderung der Steuereinheit zum Verbringen des Ultraschallprüfkopf in die Annäherungsposition zugrunde und dient dazu, die Kamera in eine geeignete Aufnahmeposition zu führen. Die Annäherungsposition, von welcher aus die Idealprüfposition dann tatsächlich bildverarbeitungsbasiert angefahren wird, wird gemäß dieser zweiten Variante der Erfindung frühestens dann festgelegt, wenn der Ultraschallprüfkopf diese bereits erreicht hat. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Ausführungsform gemäß der zweiten Variante weiter gegenüber Ausführungsformen gemäß der ersten Variante beschleunigt werden

Die obigen Ausführungen zu der Erfindung beziehen sich in erster Linie auf das Bestimmen und Anfahren einer Idealprüfposition. Vorzugsweise werden an der jeweiligen Idealprüfposition weiterhin, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch Rotation des Prüfkopfes um die Winkelrechte der jeweiligen Verbindungsstelle mehrere Probemessungen vorgenommen. Mit dem Ergebnis dieser Probemessungen kann, wie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, unterschiedlich verfahren werden. Beispielsweise kann entweder die Rotationsstellung, an welcher innerhalb einer Serie von Probemessungen erstmals ein ausreichendes Echo festgestellt wird, als Rotationsstellung der endgültigen Messung dienen. Alternativ kann aus einer Serie von Probemessungen diejenige Rotationsstellung für die endgültige Messung ausgewählt werden, an welcher das stärkste Echo festgestellt wird. Je nach Ausführungsform des Verfahrens kann dann das Ergebnis der Probemessung für die jeweils ermittelte Rotationsstellung sofort als Ergebnis der ausschlaggebenden Messung für die jeweilige Widerstandspunktschweißverbindung behandelt werden oder es kann in der jeweiligen Rotationsstellung gesondert eine ausschlaggebende Messung für die jeweilige Widerstandspunktschweißverbindung vorgenommen werden.

Innerhalb eines erfindungsgemäßen optischen Verfahrens können als zusätzlicher Vorteil direkt aus einem aufgenommenen Kamerabild Aussagen über die Form und/oder die Größe beziehungsweise den Durchmesser eines zu bewertenden Schweißpunktes gewonnen werden. Solche Daten lassen Rückschlüsse auf die Qualität des Schweißpunktes zu, welche teils über die Ergebnissen der Ultraschallmessung hinausgehen, teils mit den Ergebnissen der Ultraschallmessung abgeglichen werden können.

Anhand der einzigen beigefügten Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. Dabei zeigt
1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt. Das Verfahren dient der Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes 1 für die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen 2 an einem Bauteil 2a für die Serienfertigung von Kraftfahrzeugen.
Der Ultraschallprüfkopf 1 ist für die Prüfung der einzelnen Widerstandspunktschweißverbindungen 2 jeweils möglichst mittig auf diese aufzusetzen. Dementsprechend beziehen sich alle Positionsangaben des folgenden Beispiels auf das Zentrum der Spitze des Ultraschallprüfkopfes 1.
Der Ultraschallprüfkopf 1 ist an einem Industrieroboter 3 als dessen Endeffektor befestigt. Der Industrieroboter 3 wird von einer Steuereinheit 4 gesteuert.
Der Ultraschallprüfkopf 1 ist über eine Verbindungsleitung 1a an ein Ultraschall-Prüfgerät 6 angeschlossen. Das Ultraschall-Prüfgerät 6 wiederum ist über eine Verbindung 6a mit der Steuereinheit 4 verbunden.
In einer Speichereinheit der Steuereinheit 4 ist für jede zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung 2 eine Schätzprüfposition gespeichert. Jede gespeicherte Schätzprüfposition stellt einen Schätzwert für das Zentrum der sich auf der Oberfläche des Bauteils im Wesentlichen kreisförmig darstellenden Widerstandspunktschweißverbindungen 2 dar.
Zur Annäherung an eine spätere tatsächliche Prüfposition wird der Ultraschallprüfkopf durch den Industrieroboter zunächst in eine Annäherungsposition verbracht. Die Annäherungsposition wird durch die Steuereinheit 4 aus der Schätzprüfposition bestimmt, ist gegenüber der Schätzprüfposition jedoch um einen Offset von 10 cm entlang der Winkelrechten der jeweiligen Widerstandspunktschweißverbindung von dieser entfernt festgelegt. Dadurch wird vermieden, dass der Prüfkopf durch eine ungenaue Bewegungssteuerung und/oder eine ungenaue Positionie rung des Bauteils 2a und/oder ungenau gesetzte Widerstandspunktschweißverbindungen 2 bereits bei der Annäherung mit dem Bauteil kollidiert.
An dem Industrieroboter 3 ist nahe des Ultraschallprüfkopfes 1 eine Kamera 5 angeordnet. Die Annäherungsposition bzw. der Offset, welcher diese von der Schätzprüfposition unterscheidet, ist so gewählt, dass die jeweils zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung von dieser Annäherungsposition aus im Kamerabild deutlich erkennbar ist.
Die Steuereinheit 4 ist über eine bidirektionale Verbindungsleitung 5a mit der Kamera 5 verbunden. Sobald die Annäherungsposition erreicht ist, sendet die Steuereinheit 4 über die Verbindungsleitung 5a ein Startsignal an die Kamera 5, welches diese veranlasst, bis zum Empfang eines entsprechenden Stoppsignals in regelmäßigen Abständen, hier 20 ms, jeweils ein Bild aufzunehmen und die Bilddaten über die Verbindungsleitung 5a an die Steuereinheit 4 zu senden.
Auf Basis der Bilddaten der Kamera 5 wird der Ultraschallprüfkopf 1 nun von der Annäherungsposition in eine geeignete Idealprüfposition verbracht.
Hierzu wird für jedes bei der Steuereinheit 4 ankommende Kamerabild die Relativposition des Ultraschallprüfkopfes 1 gegenüber der Idealposition bestimmt. Diese Relativposition ergibt sich aus einer Verknüpfung der bekannten Translationsbeziehung zwischen Ultraschallprüfkopf 1 und Kamera 5, welche beide fest am Industrieroboter 3 montiert sind, mit der aus den Bilddaten der Kamera 5 bestimmbaren Relativposition der Kamera 5 bezüglich der Idealposition.
Wie bereits erwähnt, ist die zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung von der Annäherungsposition aus im Kamerabild deutlich zu erkennen, weitere Widerstandspunktschweißverbindungen befinden sich nicht im Kamerabild. Die somit einzige im Kamerabild befindliche Widerstandspunktschweißverbindung wird zunächst durch ein Template-Matching-Verfahren, d.h. den Vergleich diverser Bildausschnitte des aktuellen Kamerabildes mit einem in der Steuereinheit vorgehaltenen Bild einer Widerstandspunktschweißverbindung, grob im Kamerabild lokalisiert. Anschließend wird zur Verfeinerung der Positionsbesimmmung ein Bildverarbeitungsfilter speziell auf den durch das Template Matching lokalisierten Bildabschnitt angewendet. Dieses Bildverarbeitungsfilter bestimmt die Größe, die Verzerrung und den Schwerpunkt der Abbildung der Widerstandspunktschweißverbindung im Kamerabild. Aus diesen Werten bestimmt die Steuereinheit in an sich bekannter Weise die Relativposition der Kamera 5 bezüglich des Mittelpunkts der Widerstandspunktschweißverbindung. Der Mittelpunkt der Widerstandspunktschweißverbindung wird als Idealprüfposition angesehen. Die Relativposition des Ultraschallprüfkopfes 1 bezüglich dieser Idealprüfposition ergibt sich aus der Relativposition der Kamera 5 und der oben genannten Translationsbeziehung zwischen Ultraschallprüfkopf 1 und Kamera 5.
Auf Basis der wie beschrieben ermittelten Relativposition des Ultraschallprüfkopfes 1 bezüglich der Idealprüfposition steuert die Steuereinheit 4 den Industrieroboter 3 so, dass der Ultraschallprüfkopf 1 möglichst exakt auf die Idealprüfposition zu bewegt wird. Bei der hierzu vorgenommenen Bahnplanung werden seitliche Abweichungen priorisiert korrigiert. Der Ultraschallprüfkopf 1 wird somit nach der Korrektur seitlicher Abweichungen entlang der Winkelrechten der zu prüfenden Widerstandspunktschweißverbindung senkrecht in der Idealprüfposition auf diese aufgesetzt.
Eine in 1 nicht eigens grafisch dargestellte Kraft-/Momenten-Sensorik des Industrieroboters 3 nimmt zumindest in dem Zeitraum rund um das Aufsetzen des Ultraschallprüfkopfes 1 laufend Kräfte und Momente, welche auf den Ultraschallprüfkopf 1 wirken, auf und übermittelt diese Kräfte und Momente an die Steuereinheit 4. Ein Bauteilkontakt kann somit frühzeitig erkannt werden. Hohe Kräfte und Momente, die den Ultraschallprüfkopf 1 und/oder das Bauteil 2a beschädigen könnten, können zudem durch eine kombinierte Positions-/Kraftregelung und/oder eine Sicherheitsabschaltung des Industrieroboters 3 vermieden werden.
Sobald der Ultraschallprüfkopf 1 Bauteilkontakt hat, geht der Industrieroboter 3 zu einem entlang der Winkelrechten des zu püfenden Schweißpunktes kraftgeregelten Betrieb über. Durch die Kraftregelung kann eine konstante Anpresskraft gewährleistet werden. Sobald eine ausreichende Anpresskraft gegeben ist, wird durch die Steuereinheit 4 eine Serie von Probemessungen angestoßen. Die Steuereinheit 4 sendet hierzu ein entsprechendes Signal an das Ultraschall-Prüfgerät 6. Zwischen den einzelnen Probemessungen rotiert der Industrieroboter 3 den Ultraschallprüfkopf 1 um die Winkelrechte des Schweißpunktes.
Wird vom Ultraschall-Prüfgerät 6 bei einer der Probemessungen ein akzeptables Echo empfangen, so teilt das Ultraschall-Prüfgerät 6 dies der Steuereinheit 4 über die Verbindung 6a mit. Die letzte Probemessung wird dann als die ausschlaggebende Messung für die jeweilige Widerstandspunktschweißverbindung behandelt. Das Ergebnis der Messung wird in der Steuereinheit 4 gespeichert. Die Steuereinheit 4 beginnt daraufhin mit dem Anfahren der nächsten zu prüfenden Widerstandspunktschweißverbindung.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, dass die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik beschleunigt und verschleißärmer gestaltet werden kann. Der Ultraschallprüfkopf 1 wird für jede zu prüfende Verbindungsstelle zielgerichtet in eine Idealprüfposition verbracht. Der Ultraschallprüfkopf 1 muss somit für jede zu prüfende Verbindungsstelle lediglich ein einziges Mal auf das Bauteil aufgesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Positionierung eines Ultraschallprüfkopfes für die automatisierte Ultraschallprüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen, wobei der Ultraschallprüfkopf an einem von einer Steuereinheit gesteuerten Industrieroboter angeordnet ist, bei der Steuereinheit zumindest eine Schätzprüfposition gespeichert ist, welche einer zu prüfenden Widerstandspunktschweißverbindung zugeordnet ist, auf eine Anforderung der Steuereinheit hin, welcher eine gespeicherte Schätzprüfposition zugrunde liegt, der Ultraschallprüfkopf durch den Industrieroboter zur Annäherung an eine spätere Idealprüfposition zunächst in eine Annäherungsposition verbracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Industrieroboter ferner eine Kamera angeordnet ist, dass die Annäherungsposition so festgelegt wird, dass die zu prüfende Widerstandspunktschweißverbindung von der Annäherungsposition aus durch die Kamera aufnehmbar ist, und dass der Ultraschallprüfkopf auf Basis von Bilddaten der Kamera von der Annäherungsposition in eine Idealprüfposition verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera in unveränderlicher Relativposition und -lage bezüglich des Ultraschallprüfkopfes an dem Industrieroboter angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera Bilddaten an die Steuereinheit des Industrieroboters liefert und die Steuereinheit des Industrieroboters aus den Bilddaten die Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera Bilddaten an eine von der Steuereinheit des Industrieroboters getrennt ausgeführte Recheneinheit liefert, welche daraus die Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Steuereinheit des Industrieroboters getrennt ausgeführte Recheneinheit in ein Gehäuse der Kamera integriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur einmalig in der Annäherungsposition eine Bestimmung der Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Relativposition des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Idealprüfposition zumindest einmal während des Verbringens des Ultraschallprüfkopfes von der Annäherungsposition in die Idealprüfposition wiederholt wird und ein bereits begonnenes Verbringen des Ultraschallprüfkopfes in die Idealprüfposition auf Basis der neu bestimmten Relativposition fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativposition zwischen Ultraschallprüfkopf und Idealprüfposition laufend an die Steuereinheit zurückgekoppelt und in der Bewegungssteuerung des Industrieroboters berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherungsposition als Schätzprüfposition bei der Steuereinheit gespeichert ist und zunächst ohne Nutzung der Kamera durch eine reine Positionsvorgabe der Steuereinheit an den Industrieroboter angefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherungsposition frühestens dann festgelegt wird, wenn der Ultraschallprüfkopf diese bereits erreicht hat.