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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Prüfung einer an einem Bauteil angebrachten Schweißnaht
sowie eine Fertigungseinrichtung zum Fügen von Bauteilen
mit einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung
der gefügten Bauteile.
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Verfahren
und Fertigungseinrichtungen der eingangs genannten Art können
beispielsweise im Automobilbau zur Fertigung eines Rohbaus beziehungsweise
einer Karosserie eingesetzt werden. Es ist bekannt, solche Prüfungen
manuell also so genannte Sichtprüfung durchzuführen.
Der Artikel aus der ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung,
"Die
Sichtprüfung aus der Sicht der Schweißtechnik", Dipl.-Ing.
Johann Hohenwarter, Dach-Jahrestagung 2004, Salzburg, gibt
eine Übersicht über solche Vorgehensweisen. Die
DE 102 41 595 A1 betrifft
eine Prüfeinrichtung für Schweißnähte
von Automobilen, wobei wenigstens ein Ultraschallelement zur Überprüfung
der Qualität der Schweißnaht vorgesehen ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte zerstörungsfreie
Prüfung einer an einem Bauteil angebrachten Schweißnaht
zu ermöglichen, insbesondere zum Einsatz bei einer Serienfertigung.
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Die
Aufgabe ist mit einem Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung
einer an einem Bauteil angebrachten Schweißnaht gelöst.
Das Verfahren weist die Schritte: Erfassen einer Abbildung des Bauteils mittels
einer digitalen optischen Bildgebungseinheit, wobei die erfasste
Abbildung das Bauteil zumindest teilweise und die daran angebrachte
Schweißnaht zeigt, Auswerten der Abbildung mittels einer
Bildverarbeitung und Beurteilen der abgebildeten Schweißnaht
mittels vorgebbaren Kriterien auf. Anhand der Beurteilung mittels
der vorgebbaren Kriterien kann eine Entscheidung getroffen werden,
ob das geprüfte Bauteil beziehungsweise die fertig gestellte,
daran angebrachte Schweißnaht als in Ordnung oder als nicht
in Ordnung eingestuft werden muss. Das Bauteil kann zunächst
fertig geschweißt werden und danach im Falle einer Beurteilung
als nicht in Ordnung ausgeschleust und/oder nachbearbeitet werden.
Vorteilhaft kann auf eine manuelle Sichtprüfung und/oder
weitere Prüfungen, beispielsweise eine Vermessung der Geometrie
des Bauteils verzichtet werden. Vorteilhaft können aus
der Lage der Schweißnaht auch Rückschlüsse
auf die Geometrie des Bauteils gezogen werden.
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Eine
Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden Schritt
auf: Definieren eines Bildbereichs der Abbildung des Bauteils, der
erwartungsgemäß die Schweißnaht aufweist.
Vorteilhaft kann dadurch der auszuwertende Bereich der Abbildung
mittels der Bildbearbeitung verkleinert werden, wobei sich insgesamt
eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit und/oder eine
bessere Erkennung ergibt.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Definieren einer innerhalb des Bildbereichs liegenden
Referenzschweißnaht. Die Referenzschweißnaht kann
ein optimales Ergebnis der an dem Bauteil angebrachten Schweißnaht
repräsentieren und als Grundlage für eine Beurteilung
der Ausführung derselben dienen.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Definieren von Toleranzen der Geometrie der Schweißnaht
im Vergleich zur Referenzschweißnaht. Mittels der Toleranzen
ist es möglich, kleinere, üblicherweise auftretende
fertigungstechnische Abweichungen dennoch als in Ordnung zu tolerieren.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Vergleichen der Referenzschweißnaht mit der
Abbildung der Schweißnaht. Mittels des Vergleichs können
Abweichungen von einem mittels der Referenzschweißnaht
definierbaren Sollzustand ermittelt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Vergleichen der Referenzschweißnaht mit der
Abbildung der Schweißnaht hinsichtlich der Kriterien Nahtversatz,
Nahtdicke, Nahtlänge, Fehlstellen, Löcher und/oder
Nahtverlauf. Hinsichtlich jedem dieser Kriterien ist eine Toleranz
definierbar und eine Abweichung vom Sollzustand ermittelbar. Vorteilhaft
kann durch einen solchen Soll-Ist-Vergleich unter Verwendung der
Toleranzen hinsichtlich jedes Einzelkriteriums eine Entscheidung
auf in Ordnung oder nicht in Ordnung des geprüften Bauteils
beziehungsweise der geprüften Schweißnaht des
Bauteils gefällt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Kalibrieren der Bildgebungseinheit relativ zu dem Bauteil.
Vorteilhaft kann die Bildgebungseinheit hinsichtlich einer Erfassungsrichtung,
eines Objektabstands, eines Bildausschnitts, einer Brennweite und/oder
einer Belichtung und/oder weiteren Parametern kalibriert werden.
Vorteilhaft weist dadurch die der Bildverarbeitung zugeführte
Abbildung einen definierten Zustand auf, der vorteilhaft eine optimale
Auswertung der Abbildung ermöglicht, insbesondere Abweichungen
vom definierten Sollzustand, insbesondere mittels der Referenzschweißnaht,
erleichtert. Eine einmalig erfolgte Kalibrierung kann für
eine Vielzahl von Prüfungsvorgängen beziehungsweise Bauteilen
verwendet werden. Alternativ ist es möglich, vor jedem
Prüfvorgang eine Kalibrierung durchzuführen.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Schützen der Bildgebungseinheit mittels einer
Schutzkappe und gleichzeitiges Anbringen der Schweißnaht
an das Bauteil. Um eine möglichst reibungslose Fertigung einer
Vielzahl von Bauteilen beziehungsweise Fügungen von Bauteilen
mittels der Schweißnaht zu ermöglichen, kann die
Bildgebungseinheit sehr dicht an oder integriert in eine Fertigungszelle
zum Schweißen vorgesehen sein. Vorteilhaft können
mittels der Schutzkappe in der Nähe von Schweißstationen
unvermeidbare Verschmutzungen und/oder Beschädigungen von
Oberflächen vermieden werden. Das Erfassen der Abbildung
kann vorteilhaft bei geöffneter Schutzklappe während
einer Schweißpause der Fertigungszelle erfolgen. Alternativ
und/oder zusätzlich ist es möglich, das Erfassen
der Abbildung in einem gewissen Abstand zu der Schweißstation,
beispielsweise in einer separaten Geometriestation durchzuführen.
Vorteilhaft kann auch in einer Geometriestation mittels der Schutzkappe
eine möglicherweise dennoch auftretende Verschmutzung optischer
Bauteile der Bildgebungseinheit vermieden und/oder zumindest verringert
werden.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens weist folgenden
Schritt auf: Durchführen der Schritte des vorab beschriebenen
Verfahrens für eine Vielzahl von Bauteilen und/oder einer
Vielzahl von Schweißnähten auf dem Bauteil. Vorteilhaft
können mit Hilfe nur einer Abbildung mehrere Schweißnähte gleichzeitig
beurteilt werden. Ferner ist es denkbar, eine Abbildung von mehr
als einem Bauteil zu erfassen, wobei jedes der Bauteile zumindest
eine der Schweißnähte aufweist und diese dann
in einem gemeinsamen Auswertungsschritt mittels der Bildverarbeitung
zu beurteilen. Die Bildverarbeitung kann eine handelsübliche
Recheneinheit, beispielsweise einen Computer, aufweisen und/oder
als computerimplementierbares Softwareprodukt vorliegen und auf
einem solchen installierbar sein.
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Die
Aufgabe ist außerdem mit einer Fertigungseinrichtung zum
Fügen von Bauteilen mit einer Vorrichtung zum zerstörungsfreien
Prüfen der gefügten Bauteile, wobei die Vorrichtung
eine optische Bildgebungseinheit sowie eine Bildverarbeitung aufweist,
wobei die Vorrichtung und/oder die Bildgebungseinheit und die Bildverarbeitung
zusammen zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens
ausgelegt, konstruiert und/oder eingerichtet sind, gelöst.
Neben den vorab beschriebenen Vorteilen kann mittels der Fertigungseinrichtung
ein modularer Aufbau realisiert werden. Insbesondere ist es möglich,
unterschiedliche Bauteile mit nur einer solchen Fertigungseinrichtung
zu beurteilen, beispielsweise im Falle einer gemischten Fertigung
und/oder nach einem Umrüsten der Fertigungseinrichtung
auf ein anderes zu fertigendes Bauteil. Es ist denkbar, anstelle
nur einer Bildgebungseinheit mehrere Bildgebungseinheiten vorzusehen
und entsprechend mehr als eine Abbildung pro Beurteilung zu erfassen und/oder
mittels der mehreren Bildgebungseinheiten eine Vielzahl von an dem
Bauteil angebrachten Schweißnähten besser erfassen
zu können. Dies ist insbesondere bei dreidimensional, von
mehreren Erfassungsrichtungen zu beurteilenden Bauteilen von Vorteil.
Ferner ist es denkbar, mittels nur einer Bildgebungseinheit mehrere
Abbildungen zu fertigen, wobei vor jeder weiteren Abbildung eine
neue Kalibrierung beziehungsweise ein Positions-, Brennweiten- und/oder
Perspektivenwechsel der Bildgebungseinheit relativ zum Bauteil – oder
umgekehrt – erfolgen kann, die dazu beispielsweise verdreht,
verschwenkt und/oder räumlich manipuliert werden kann/können.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Fertigungseinrichtung zum Fügen
und/oder Beurteilen von Bauteilen;
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2 eine
schematische Ansicht einer Abbildung eines Bauteils mit innerhalb
von definierten Bildbereichen liegenden Schweißnähten;
und
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung
einer an einem Bauteil angebrachten Schweißnaht.
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1 zeigt
eine Fertigungseinrichtung 1 zum Fügen und/oder
Prüfen von Bauteilen 3. Auf der Fertigungseinrichtung 1 ist
genau ein Bauteil 3 auf entsprechend eingerichtete Aufnahmen 5 aufgelegt. Die
Aufnahmen 5 bilden an das Bauteil 3 angepasste Auflager
und können entsprechende Einrichtungen, beispielsweise
Greifer und/oder Saugnäpfe aufweisen. Die Aufnahmen 5 sind
einem Tisch 7 der Fertigungseinrichtung 1 zugeordnet.
Das Bauteil 3 weist zumindest eine Schweißnaht 9 auf.
Die Fertigungseinrichtung 1 kann zum Herstellen der Schweißnaht 9 des
Bauteils 3 ausgelegt sein. Dazu kann die Fertigungseinrichtung 1 als
Fertigungszelle mit nicht näher dargestellten, entsprechenden
Vorrichtungen zum Einbringen von Schweißnähten
ausgelegt sein. Gemäß Abbildung in 1 ist
die Fertigungseinrichtung 1 als so genannte Geometriestation
zur Prüfung und Beurteilung des Bauteils 3 sowie
der Schweißnaht 9 ausgelegt. Dazu weist die Fertigungseinrichtung 1 beziehungsweise
die Geometriestation der Fertigungseinrichtung 1 eine Bildgebungseinheit 11 zum
Erfassen einer Abbildung 13 des Bauteils 3 auf. Die
Bildgebungseinheit 11 weist vorliegend eine Videokamera 15 mit
einem Objektiv 17 auf. Bei der Bildgebungseinheit 11 kann
es sich jedoch auch um eine Charged-Coupled-Device-(CCD)-Kamera und/oder
eine beliebige andere digitale Bildgebungseinheit handeln. Die Videokamera 15 der
Bildgebungseinheit 11 ist auf die definierte Lage des Bauteils 3 in
den Aufnahmen 5 des Tisches 7 der Fertigungseinrichtung 1 kalibrierbar.
Hierzu kann die Bildgebungseinheit 11 mittels eines schematisch
angedeuteten Stativs 19 entsprechend ausgerichtet werden.
Das Stativ 19 weist eine Verbindungsleitung 21 auf,
die die Bildgebungseinheit 11 mit einer Bildverarbeitung 23 verbindet.
Alternativ oder zusätzlich kann dazu auch eine beliebige
andere Strecke vorgesehen sein. Die Bildverarbeitung 23 weist
vorliegend einen Rechner 25, beispielsweise einen Personal
Computer (PC), auf. Der Rechner 25 weist eine nicht näher dargestellte
Benutzerschnittstelle sowie einen Monitor 27 zur Anzeige
der Abbildung 13 des Bauteils 3 auf.
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Die
Fertigungseinrichtung 1 kann zur Aufnahme verschiedener
Bauteile 3 ausgelegt sein. Es ist möglich, mittels
der Videokamera 15 jeweils Abbildung 13 des aktuell
aufgelegten Bauteils 3 zu erfassen und an die Bildverarbeitung 23 weiterzuleiten.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht der Abbildung 13 des Bauteils 3.
Mittels strichpunktierter Linien angedeutet, weist die Abbildung 13 insgesamt 6 eingezeichnete
Bereiche 29 auf, in denen das Bauteil 3 beziehungsweise
die Abbildung 13 des Bauteils 3 erwartungsgemäß Schweißnähte 9 aufweist.
Die Bereiche 29 können mittels der Bildverarbeitung 23 festgelegt
werden beziehungsweise sind mittels dieser festlegbar und/oder von
einem Bediener eingebbar. Die Abbildung 13 des Bauteils 3 weist
insgesamt 6 der Schweißnähte 9 innerhalb
der Bereiche 29 auf. Vorteilhaft kann die Bildverarbeitung 23 so
erfolgen, dass lediglich die Bereiche 29 der Abbildung 13 hinsichtlich
der Schweißnähte 9 ausgewertet werden. Dazu
können die in Abbildung 13 gezeigten, abgebildeten
Schweißnähte 9 jeweils mit vordefinierbaren Referenzschweißnähten
verglichen werden. Zum Vergleich können verschiedene Kriterien
sowie Toleranzen definiert werden. Bei den Kriterien kann es sich
beispielsweise um einen Nahtversatz, eine Nahtdicke, eine Nahtlänge,
Fehlstellen, Löcher und/oder einen Nahtverlauf der jeweils
zu prüfenden Schweißnaht 9 handeln. Sofern
eines oder mehrere der Kriterien den definierten Toleranzbereich überschreitet,
kann mittels der Bildverarbeitung 23 darauf geschlossen
werden, dass das abgebildete Bauteil 3 nicht in Ordnung
ist, also aus der Fertigung ausgeschleust und/oder zumindest nachbearbeitet
werden muss.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm 31 eines Verfahrens zur zerstörungsfreien
Prüfung des Bauteils 3. Dem Verfahren ist eine
erste Datenbank 33 zugeordnet, die eine ideale Schweißnahtgeometrie aufweist
beziehungsweise zur Speicherung der Kriterien und/oder Toleranzen
der zu prüfenden Schweißnähte 9 dient.
Außerdem ist dem Verfahren eine zweite Datenbank 35 zugeordnet,
die zur Speicherung einer Kamerakalibrierung der Bildgebungseinheit 11 dient.
Vorteilhaft können die Datenbanken 33 und 35 Referenzen
und Kalibrierungen für eine Vielzahl unterschiedlicher
Teile aufweisen, so dass das Verfahren auch bei einer gemischten
Fertigung, bei der eine Vielzahl von unterschiedlichen Teilen fertigbar
beziehungsweise schweißbar sind, verwendet werden kann.
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Eine
erste Routine 37 dient der Bilderfassung der Abbildung 13 des
Bauteils 3. Eine zweite Routine 39 dient nachfolgend
einer Bildauswertung mittels der Bildverarbeitung 23. Das
Ergebnis der Bildauswertung mündet in einer Abfrage 41,
die zum Inhalt hat, ob das geprüfte Bauteil 3 in
Ordnung ist oder nicht in Ordnung. Im Falle von Ja, also in Ordnung,
verzweigt der Ablauf in eine dritte Routine 43, die eine
Freigabe des Bauteils 3 sowie eine entsprechende Dokumentation
der Freigabe zum Inhalt hat. Im Falle von Nein, also einem Bauteil 3,
das den Anforderungen nicht genügt, verzweigt der Ablauf
in eine vierte Routine 45, die eine Fehlerausgabe sowie gegebenenfalls
ein Ausschleusen des Bauteils 3, gegebenenfalls verbunden
mit einer entsprechenden Nacharbeit zum Inhalt hat. Die bei der
Routine 43 erfolgte Dokumentation kann in einer nicht näher
dargestellten weiteren dritten Datenbank abgespeichert werden.
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In
der Fertigungszelle beziehungsweise Geometriestation der Fertigungseinrichtung 1 wird
eine beziehungsweise gegebenenfalls mehrere Digitalkameras, gemäß der
Darstellung in 1 die Videokamera 15,
installiert, um das Bauteil 3 direkt nach dem Schweißprozess
automatisch zu erfassen. Zum Schutz der Videokamera 15 kann
das Objektiv 17 während des nicht näher
dargestellten Schweißvorgangs mit einer in 1 schematisch
angedeuteten Schutzkappe 47, mittels eines Doppelpfeils 49 angedeutet
beispielsweise klappbar ausgeführt, verdeckt werden. Ein
aufgenommenes Foto beziehungsweise die Abbildung 13 kann über
eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware in der Bildverarbeitung 23 ausgewertet
werden. Hierzu können im Vorfeld die Bereiche 29 der
Abbildung 13 definiert werden, in denen die Schweißnähte 9 vorkommen.
Ebenso können nicht näher dargestellte ideale
Schweißnähte als Referenznähte in den
angelegten Bereichen 29 definiert werden. In 2 sind
die definierten Bereiche 29 beziehungsweise Schweißnahtbereiche
zusammen mit den abgebildeten Schweißnähten 9 auf
der Abbildung 13 des Bauteils 3 dargestellt. Es
ist denkbar, die Bereiche 29 sowie die nicht näher
dargestellten idealisierten Schweißnähte mit der
Abbildung 13 des Bauteils 3 zu überlagern
und so mittels der Bildverarbeitung 23 eine Aussage über
die Güte der Schweißnähte 9 des
Bauteils 3 zu erhalten.
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Vorteilhaft
können Toleranzen definiert werden, die beschreiben, inwieweit
die Geometrie einer Schweißnaht, beispielsweise einer der
Schweißnähte 9, von der idealen Referenznaht
abweichen darf. Durch ein Bilderkennungsverfahren der Bildverarbeitung 23 können
die realen Schweißnähte 9 auf dem Bauteil 3 erkannt
und gegen die idealisierten Sollnähte verglichen werden.
Liegen die erkannten Abweichungen innerhalb der definierten Toleranzen,
ist das Bauteil 3 in Ordnung und wird für die
folgende Fertigung freigegeben. Die Prüfdaten für
das Bauteil 3 können zu Dokumentations- und Nachweiszwecken in
der nicht näher dargestellten Datenbank gespeichert werden.
Werden untolerierte Abweichungen erkannt, so wird das Bauteil 3 aus
der Produktion ausgeschleust, wie in 3 durch
die vierte Routine 45 dargestellt.
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Vorteilhaft
ermöglicht das in 3 dargestellte
Verfahren die Überprüfung der Schweißnähte 9 hinsichtlich
Nahtversatz, Nahtdicke, Nahtlänge, Nahtfehlstellung, Nahtlöcher
und des Nahtverlaufs.
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Der
wesentliche Vorteil der fotobasierten Prüfung von Schweißverbindungen
ist die einfache Wiederverwendbarkeit des Systems bei einem Variantenwechsel.
Vorteilhaft sind lediglich Anpassungen auf Softwareebene notwendig,
beispielsweise das Definieren neuer Bereiche 29, neuer
Referenzschweißnähte sowie neuer Kamerakalibrierungen 33.
Es müssen lediglich neue Nahtbereiche und Referenznähte
definiert werden. Vorteilhaft ist auch ein modularer Aufbau des
Systems möglich, wobei vorteilhaft auch verschiedene Kameras
je nach Anwendungsfall und/oder eine Vielzahl von Bildgebungseinheiten 11 beziehungsweise
Videokameras 15 einsetzbar sind.
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- 1
- Fertigungseinrichtung
- 3
- Bauteil
- 5
- Aufnahme
- 7
- Tisch
- 9
- Schweißnaht
- 11
- Bildgebungseinheit
- 13
- Abbildung
- 15
- Videokamera
- 17
- Objektiv
- 19
- Stativ
- 21
- Verbindungsleitung
- 23
- Bildverarbeitung
- 25
- Rechner
- 27
- Monitor
- 29
- Bereich
- 31
- Ablaufdiagramm
- 33
- erste
Datenbank
- 35
- zweite
Datenbank
- 37
- erste
Routine
- 39
- zweite
Routine
- 41
- Abfrage
- 43
- dritte
Routine
- 45
- vierte
Routine
- 47
- Schutzkappe
- 49
- Doppelpfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Die
Sichtprüfung aus der Sicht der Schweißtechnik”,
Dipl.-Ing. Johann Hohenwarter, Dach-Jahrestagung 2004 [0002]