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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Doppeltestvorrichtung für ein Paar von Schweißelektroden.
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Eine bei dieser Doppeltestvorrichtung verwendete Testvorrichtung, die auch als Einzel-Testvorrichtung bezeichnet werden kann, ist beispielsweise aus
DE 100 23 894 C1 bekannt und weist eine Strahlungsquelle zum Aussenden von Strahlung und eine Sendeoptik zum Leiten der Strahlung auf eine zu untersuchende Oberfläche auf, wobei die Oberfläche die einfallende Strahlung in charakteristischer Weise reflektiert und/oder streut. Zum Nachweis der von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung weist die gattungsgemäße Testvorrichtung außerdem einen Detektor auf und zum Leiten der von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung auf den Detektor ist eine Detektoroptik vorgesehen.
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Solche Testvorrichtungen werden beispielsweise für Schweißgeräte und Schweißautomaten in der Automobilindustrie eingesetzt. Hierbei werden zum elektrischen Punktschweißen Metallelektroden, insbesondere Kupferelektroden, verwendet. Nach typischerweise einigen hundert Schweißpunkten treten Degradationen dieser Schweißelektroden auf, welche ein Abfräsen oder einen Austausch notwendig machen. Um eine Information über den Zustand der Schweißelektroden, genauer deren Oberfläche, zu erhalten, werden optische Testvorrichtungen der in
DE 100 23 894 C1 beschriebenen Art eingesetzt. Die Untersuchung kann dabei sowohl vor als auch nach einem Fräsvorgang der Schweißelektroden durchgeführt werden.
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Optische Schalter mit einer energetischen Auswertung gibt es für verschiedene Anwendungsbereiche. Energetische Taster erfassen ein nachzuweisendes Objekt, welches auch als Tastgut bezeichnet wird, wenn sich dieses nahe genug am Sensor befindet. Dies hängt in der konkreten Situation von den gewählten Einstellungen und dem Gerätetyp ab. Für solche energetischen Taster ist eine Entfernungsabhängigkeit des Signals gerade erwünscht und für eine Auswertung notwendig.
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Kontrasttaster werden eingesetzt, um eine Kontrastmarke, auf welche das Gerät eingelernt wird, zu erkennen. Diese Geräte können mit einer getrennten Sende- und Empfangsoptik oder auch mit einer koaxialen Optik versehen sein. Um eine möglichst scharfe Abbildung, also eine Fokussierung auf eine bestimmte Tastweite, zu erhalten, muss bei einem solchen Kontrasttaster in der Regel ein genau definierter Abstand des zu untersuchenden Objekts zum Gerät eingehalten werden. Eine scharfe Abbildung ist bei diesen Vorrichtungen notwendig, um einen exakten Schaltpunkt zu erhalten, was im Hinblick auf beispielsweise eine Kantenerkennung und eine schnelle Reaktionszeit erwünscht ist.
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Bei der in
DE 100 23 894 C1 beschriebenen Anordnung sind als Sende- und Detektoroptik jeweils separate Linsen nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit bezüglich des Abstands zu der zu untersuchenden Schweißelektrode.
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DE 10 2005 023 353 A1 beschreibt eine Vorrichtung und Verfahren zum Prüfen von Oberflächen im Inneren von Löchern.
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In
GB 1 025 745 A werden ein optisches Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Werkzeugs in eine gewünschte Position bezüglich eines Werkstückes beschrieben.
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Die deutsche Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2004 009 727 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung von Winkeln optischer Oberflächen.
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Eine Echtzeit-Autokollimations-Vorrichtung zum parallelen Ausrichten zweier Oberflächen ist in
US 4,774,405 A beschrieben.
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Das US-amerikanische Patent
US 6,151,124 A handelt von einem Inspektionssystem zur Überprüfung, ob eine Widerstands-Schweißelektrode vorbestimmte Kriterien erfüllt. Hierbei werden faseroptische Sensoren verwendet, die die Reflexionseigenschaften der Schweißelektroden auswerten.
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JP 2005081364 A schildert eine hochpräzise Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung einer Punktschweißelektrode mit vereinfachter Struktur und verbessertem Photosensor.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Doppeltestvorrichtung für ein Paar von Schweißelektroden zu schaffen, mit welcher eine Abhängigkeit eines auszuwertenden Signals im Hinblick auf Tastweitenschwankungen möglichst weitgehend ausgeschlossen ist. Die Vorrichtung soll außerdem einfach aufgebaut sein und zusätzlich unter beengten räumlichen Bedingungen einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch die Doppeltestvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Testvorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Sendeoptik und die Detektoroptik ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist, dass zum Leiten der von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung ein Strahlteilermittel vorhanden ist und dass zum Platz sparenden Anordnen der Strahlungsquelle, der Autokollimationsoptik und des Detektors im Bereich der zu untersuchenden Oberfläche ein Strahlumlenkmittel zum Umlenken der Strahlung quer zu einer optischen Achse der Autokollimationsoptik vorhanden ist.
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Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Als erster Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, die Strahlung mit denselben optischen Komponenten auf die zu untersuchende Oberfläche und, nach Reflexion und/oder Streuung an der zu untersuchenden Oberfläche, auf den Detektor zu leiten. Dies wird mit einer Autokollimationsoptik und einem Strahlteilermittel bewerkstelligt.
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Ein weiterer wesentlicher Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Strahlung nicht auf derselben optischen Achse, auf welcher die Strahlung von der Strahlungsquelle abgestrahlt wird, auf die zu untersuchende Oberfläche eingestrahlt wird. Vielmehr wird zwischen Strahlungsquelle und Oberfläche ein Strahlumlenkmittel positioniert, welches die Strahlung quer zu einer optischen Achse der Autokollimationsoptik umlenkt. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln eine sehr Platz sparende Anordnung von Strahlungsquelle, Autokollimationsoptik und Detektor im Bereich der zu untersuchenden Schweißelektrode möglich.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Aufbau insgesamt mit wenigen optischen Komponenten auskommt und deshalb kostengünstig zu realisieren ist.
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Bei einer bevorzugten Variante der Testvorrichtung ist das Strahlumlenkmittel ein Spiegel. Alternativ könnte auch ein Prisma verwendet werden. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Umlenkens des Strahls quer zur Achse der Autokollimationsoptik werden besonders vorteilhaft zwei Testvorrichtungen zu einer erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung für Schweißelektroden kombiniert, wobei dann ein Doppelspiegel als gemeinsames Strahlumlenkmittel für beide Testvorrichtungen eingesetzt wird. Mit einem solchen Gerät können zwei gegenüberliegende Schweißelektroden paarweise getestet werden.
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Durch die Verwendung eines koaxialen Systems, das heißt eines Systems, welches im Grundsatz mit einer Linse oder einer Optik pro System auskommt, im Vergleich zu den sogenannten zweiäugigen Systemen, bei denen für Sender und Empfänger jeweils separate Optiken verwendet werden, kann die Abhängigkeit der Messergebnisse von einer möglichen Lageungenauigkeit der zu untersuchenden und zu erfassenden Oberflächen deutlich verringert werden. Insbesondere können die bei den sogenannten zweiäugigen Systemen grundsätzlich vorhandenen Triangulationseffekte vermieden werden. Sowohl ein möglicher und ungewollter Seitenversatz, also eine Fehlpositionierung des zu untersuchenden Objekts quer zur optischen Achse des eingestrahlten Lichts, als auch ein Tastweitenversatz, also eine Fehlpositionierung in Richtung der optischen Achse der eingestrahlten Strahlung, wirkt sich erheblich geringer auf das Messergebnis aus als bei zweiäugigen Systemen. Die Wiederholgenauigkeit des Systems ist deshalb erheblich verbessert. Im Unterschied zum Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Testvorrichtung die Abstandsabhängigkeit also weitestgehend reduziert.
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Weiterhin kann durch die spezielle Anordnung der optischen Komponenten, insbesondere durch das Strahlumlenkmittel, das System bautiefenoptimiert gestaltet werden. Durch das Umlenken des Sende- beziehungsweise Empfangsstrahls kann die Tiefe des Gehäuses besonders gering gehalten werden. In diesem Fall sind beide optoelektrischen Bauelemente, also Sender und Empfänger, nicht in der Verlängerung der optischen Achse der Autokollimationsoptik positioniert. Auf diese Weise wird ein Doppel-Sensor-System ermöglicht.
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Zweckmäßig ist diese Doppeltestvorrichtung deshalb in einem zwischen zwei Schweißelektroden einführbaren Gehäuse untergebracht. Dies gestaltet sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Strahlumlenkung quer zur Achse der Autokollimationsoptik besonders einfach. Mit der erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung können auch besonders dicht beieinander liegende Schweißelektroden untersucht werden. Da für zahlreiche Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie, Parkpositionen der Schweißgeräte mit dicht beieinander liegenden Schweißelektroden bevorzugt sind, ist dies ein besonders wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung.
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Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung beliebige Oberflächen, insbesondere hochreflektive Oberflächen mit einem hohen Anteil an gerichteter und einem geringen Anteil an diffuser Reflexion untersucht werden. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Doppeltestvorrichtung zur Untersuchung der Oberflächen von Schweißelektroden, beispielsweise von Kupferkappen eingesetzt werden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen koaxialen Optik in Form einer Autokollimationsoptik kann insbesondere eine optische energetische Auswertung durchgeführt werden. Hierbei werden die gemessenen Intensitäten mit vorgegebenen und/oder eingelernten Schwellen verglichen.
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Das Strahlteilermittel, welches zum Leiten der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung auf den Detektor notwendig ist, kann grundsätzlich ein Spiegel mit einem mittig angebrachten Loch oder einer Bohrung zum Durchtritt des von der Strahlungsquelle kommenden Lichts sein. Durch geeignetes Aufweiten der von der Oberfläche reflektierten Strahlung kann bei einer solchen Variante sichergestellt werden, dass ausreichend Strahlungsintensität zum Detektor geleitet wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante ist das Strahlteilermittel aber ein halbdurchlässiger Spiegel, welcher einen Teil der von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung in Richtung des Detektors leitet. Bevorzugt ist bei diesem halbdurchlässigen Spiegel außerdem eine Blende vorgesehen. Diese kann ein separates Bauteil sein, es kann sich aber auch um eine Beschichtung des Strahlteilers handeln.
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Um eine möglichst weitgehende Unabhängigkeit von einer Tastweite, das heißt von einem Abstand der zu untersuchenden Oberfläche zu der Testvorrichtung, zu erzielen, wird der optische Aufbau bevorzugt so gewählt, dass eine senderseitige Fokussierung stärker ist als eine Fokussierung auf die zu untersuchende Oberfläche. In diesem Zusammenhang spricht man auch davon, die senderseitige Fokussierung größer als den sogenannten Tastweitenbereich zu wählen.
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Eine besonders weitgehende Tastweitenunabhängigkeit wird erreicht, wenn die Strahlung in einem im Wesentlichen parallelen Strahlengang auf die Oberfläche auftrifft.
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Um außerdem einen Winkelversatz der zu untersuchenden Oberfläche gegenüber der optischen Achse der Testvorrichtung ausgleichen zu können, ist es zweckmäßig, wenn der Detektor im Bereich einer Brennebene der Autokollimationsoptik oder näher zu der Autokollimationsoptik angeordnet ist. Bei geringfügigem Verkippen des im Wesentlichen parallelen Strahlengangs wird dieses Strahlenbündel dann weiterhin in der Brennebene fokussiert. Die Größe des Detektors wird im Hinblick darauf so gewählt, dass ein gewisser geringfügiger Winkelversatz der zu untersuchenden Oberfläche noch nicht dazu führt, dass der Fokus aus der aktiven Fläche des Detektors herauswandert. Andererseits soll der Detektor nicht so groß sein, dass eine schräg abgefräste Oberfläche einer Schweißelektrode immer noch zu einem nahezu unveränderten Nachweissignal führt. Als zweckmäßig hat sich eine Detektorgröße von etwa 5 × 5 mm2 erwiesen. Die empfangsseitige Fokussierung ist also vorzugsweise so zu gestalten, dass sich das Empfangselement oder der Detektor im Bereich der Scharfabbildung, also des kleinsten Lichtstrahls befindet, um die Winkelabhängigkeit des Objekts, das heißt der zu untersuchenden Oberfläche, zu minimieren. Aufgrund der Strahlengeometrie wandert der Lichtfleck auf dem Detektor umso weniger und ein Winkelversatz wirkt sich umso weniger aus, je kleiner der Abstand zwischen Autokollimationsoptik und Detektor ist. Bevorzugt ist deshalb der Abstand zwischen der Autokollimationsoptik, die in einem einfachen Fall eine Linse sein kann, und dem Detektor geringfügig kleiner als die Brennweite, der Detektor also kurz vor der Brennebene positioniert. Dann könnte auch mit einem flächenmäßig kleineren Detektor gearbeitet werden.
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Die Strahlung kann grundsätzlich jede Art von elektromagnetischer Strahlung, welche von den typischerweise verwendeten Schweißelektroden, im häufigsten Fall Kupfer-Elektroden, hinreichend charakteristisch reflektiert und/oder gestreut wird, verwendet werden. Beispielsweise kann Infrarot- oder UV-Strahlung eingesetzt werden. Wegen der besonders leichten Justierbarkeit der Optik, insbesondere des Tastguts relativ zum Sensor, wird aber bevorzugt sichtbares Licht verwendet. Als Detektoren können insbesondere übliche Fotodioden eingesetzt werden.
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Als Strahlungsquelle können grundsätzlich alle bekannten Strahlungsquellen, insbesondere Laser, eingesetzt werden. Bei besonders bevorzugten, einfach aufgebauten und kostengünstigen Varianten werden jedoch Leuchtdioden eingesetzt. Vorteilhaft ist insbesondere eine Anordnung von Sender, Blende, Autokollimationsoptik und sonstigen optisch wirksamen Bauelementen, die einen möglichst homogenen Lichtstrahl zum zu untersuchenden Objekt bewirken. Die Oberfläche soll also möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Hierfür sind insbesondere Leuchtdioden geeignet, bei denen ein Bond-Kontakt am Rand positioniert ist, also die üblichen ”dips” in der Winkelemissionscharakteristik von Leuchtdioden nicht auftreten. Außerdem ist hierfür beispielsweise eine ovale Blende auf dem Strahlteiler zweckmäßig.
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Im Hinblick auf eine möglichst gute Signalauswertung und Unabhängigkeit von einem eventuellen Strahlungsuntergrund kann es außerdem von Vorteil sein, der Strahlung eine zeitliche Struktur aufzuprägen, beispielsweise gepulstes Licht zu verwenden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigen:
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1 in einer schematischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Testvorrichtung;
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2 eine weitere Ansicht in Richtung des Pfeils A der in 1 gezeigten Testvorrichtung;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung mit zwei Testvorrichtungen.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Testvorrichtung 10 wird mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt die Testvorrichtung 10 in Blickrichtung des Pfeils B aus 2. 2 zeigt die Testvorrichtung 10 in Richtung des Pfeils A in 1 gesehen. Für die entsprechenden Komponenten sind in den 1 und 2 jeweils dieselben Bezugszeichen eingesetzt.
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Als wesentliche Bestandteile weist die Testvorrichtung 10 eine Strahlungsquelle 20, eine Autokollimationsoptik 30, einen Detektor 40 und einen halbdurchlässigen Spiegel 62 als Strahlteilermittel 60 auf. Eine zu untersuchende Oberfläche einer Schweißelektrode ist mit dem Bezugszeichen 72 versehen. Gemäß einem wesentlichen Kerngedanken der Erfindung ist außerdem ein Spiegel 52 als Strahlumlenkmittel 50 vorhanden.
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Die Strahlungsquelle 20, bei der es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode handeln kann, sendet gepulstes Licht zunächst in Richtung des halbdurchlässigen Spiegels 62. Der Strahlverlauf und die Ausbreitungsrichtung der Strahlung sind in den Figuren durch Pfeile jeweils schematisch angedeutet. Vom halbdurchlässigen Spiegel 62 gelangt das gepulste Licht über den Spiegel 52 durch die Autokollimationsoptik 30, bei welcher es sich im hier bezeigten Beispiel um eine einfache Linse 30 handelt, auf eine zu bewertende und zu untersuchende Oberfläche 72 eines Objekts. Hierbei handelt es sich um die Kontaktoberfläche einer Schweißelektrode 70. Der Lichtstrahl wird dabei durch die Autokollimationsoptik 30, die hier sowohl die Funktion einer Sendeoptik 22 als auch diejenige einer Detektoroptik 24 erfüllt, möglichst so geführt, dass ein weitgehend paralleles Strahlenbündel auf die Oberfläche 72 der Schweißelektrode 70 auftrifft. Auf diese Weise wird eine weitgehende Unabhängigkeit des Reflexionssignals gegenüber einem Versatz der Schweißelektrode 70 in Richtung der auftreffenden Strahlung erreicht.
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Die im Hinblick auf ihren Reflexionsgrad zu untersuchende und zu bewertende Oberfläche 72 der Schweißelektrode 70 reflektiert das eingestrahlte Licht zurück durch die Linse 30 über den Spiegel 52 und den halbdurchlässigen Spiegel 62 auf den Detektor 40. Der Detektor 40 kann beispielsweise eine einfache Fotodiode sein. Die Signale des Detektors 40 werden verstärkt und die Signalhöhe, die im Wesentlichen proportional zur Intensität der einfallenden Strahlung ist, wird energetisch ausgewertet, das heißt mit vorgegebenen Schwellen verglichen. Im Allgemeinen handelt es sich bei den zu untersuchenden Oberflächen 72 der Schweißelektroden 70 um hochreflektive Oberflächen. Durch das annähernd parallel auf das Objekt auftreffende Licht wird eine weitgehende Unabhängigkeit des auszuwertenden Signals hinsichtlich Tastweitenschwankungen ermöglicht. Außerdem können Effekte durch Seitenversatz des Objekts durch Verwendung einer möglichst großen Linse 30 vermindert werden.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Doppeltestvorrichtung 100 ist in 3 dargestellt. Äquivalente Komponenten tragen hier jeweils dieselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2.
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Im Wesentlichen handelt es sich bei der Doppeltestvorrichtung um zwei identische Testvorrichtungen der in den 1 und 2 dargestellten Art, wobei statt des Einfachspiegels 52 zur Strahlumlenkung ein Doppelspiegel 54 eingesetzt ist. Die Detektoren 40 sind in der in 3 gezeigten Ansicht jeweils von den halbdurchlässigen Spiegeln 62 verdeckt.
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3 illustriert besonders deutlich, wie der erfindungsgemäße Aufbau auch die Untersuchung von dicht beieinander liegenden Schweißelektroden 70 durch die Umlenkung des Strahls quer zur Achse der Autokollimationsoptik ermöglicht. Dies erlaubt insbesondere die Untersuchung von Schweißelektroden 70 in einer Stellung der Schweißzange oder des Schweißautomats mit einem definierten, geringen Abstand zwischen den Schweißelektroden 70. Eine solche Stellung wird auch als Vorhubstellung bezeichnet.
