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Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Überwachung einer Fügenaht, einen Fügekopf sowie einen Laserschweißkopf mit der selben.
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Mit Hilfe eines Fügekopfes kann ein Spalt in einem Werkstück oder zwischen zwei Werkstücken gefügt werden, wobei durch den Fügeprozess eine Fügenaht entsteht. Für den Fügeprozess können Laserschweißköpfe verwendet werden, wobei ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeitet wird, um z. B. Schweiß- oder Lötarbeiten zum Fügen des Spaltes durchzuführen. Darüber hinaus können Metallschutzgasschweißköpfe eingesetzt werden, um einen Spalt in einem Werkstück zu fügen. Schließlich ist es auch vorstellbar, zu verbindende Werkstücke miteinander zu verkleben, wobei auf ein Werkstück eine Kleberaupe aufgebracht wird, durch welche eine Verklebung mit einem anderen Werkstück erfolgt. Bei allen Vorgängen ist es nötig, die Qualität der erzeugten Schweiß- oder Lötnähte zu überwachen. So müssen Schweißverbindungen, welche entweder mittels eines Lasers erzeugt werden, oder auch Metallinertgas- oder Metallaktivgas-Verbindungen einer hundertprozentigen Kontrolle unterzogen werden. Ferner werden Kleberaupen vor dem Verkleben einer Kontrolle unterzogen. Auftragsschweißungen müssen vor dem Weiterverarbeiten inspiziert werden. Die hohen Produktionsgeschwindigkeiten verbunden mit den kleinen Fehlertoleranzen führen zum Einsatz von optischen Mess- und Prfüfsystemen, welche berührungslos mit hoher Geschwindigkeit die Verbindungen vermessen und prüfen können.
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Aus der
DE 195 05 832 A1 ist eine Prüfeinrichtung bekannt, bei der miteinander verbundene Werkstückteile mittels einer Führungseinheit auf einem vorgegebenen Abstand zu einer Sensoreinheit gehalten werden. Eine Nahtsucheinheit weist einen optischen Sensor, in dessen Messfeld die Naht liegt, und eine dem Sensor nachgeschaltete Auswerteeinheit auf und liefert eine Information über die Lage der Naht.
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In Abhängigkeit von der Information über die Lage der Naht wird ein 2D-Sensor, der als CMDS-Matrix-Kamera ausgestaltet sein kann, und dessen Messfeld im Wesentlichen auf die Breite der Naht abgestimmt ist, durch ein Stellglied so positioniert, dass dessen Messfeldmitte und die Nahtmitte übereinstimmen. Darüber hinaus wird in Abhängigkeit von der Information über die Lage der Naht ein 3D-Nahtprofilsensor durch ein Stellglied so positioniert, dass Nahtmitte und Messfeldmitte übereinstimmen. Der 3D-Nahtprofilsensor arbeitet hierbei nach dem Lichtschnittverfahren in Verbindung mit einer Lichtstrahltriangulation.
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Aus der
WO 2005/095043 A1 ist es bekannt, unterschiedliche Sensoren in einen Verarbeitungskopf zu integrieren. Hierbei werden ein erster Werkstückbereich vor der Bearbeitung auf einen ersten Sensor abgebildet und ein zweiter Werkstückbereich nach der Bearbeitung durch den Bearbeitungskopf auf einen zweiten Sensor abgebildet. Beide Sensoren erfassen das Bild einer Triangulationslinie, wobei eine nachgeschaltete Verarbeitungseinheit diese auswertet. Es wird also bei der gleichzeitigen Auswertung der Bilddaten vor dem Prozess, also die Erfassung der Fügestelle, und nach dem Prozess, also die Schweiß- oder Lötnaht, mit mehreren Sensoren gearbeitet. Hierbei nimmt jeder Sensor seinen eigenen Objektbereich auf, die dann getrennt voneinander ausgewertet werden.
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Aus der
US 2010/0134628 A1 ist es bekannt, eine bei einem Laserbearbeitungsprozess von dem Werkstück emittierte Strahlung ortsaufgelöst auszuwerten, wobei für unterschiedliche Wellenlängenbereiche jeweils unterschiedliche Sensoren verwendet werden.
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Für die Fehlererkennung kleinster lokaler Fehlstellen in einer Fügenaht unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit in Verbindung mit einer dreidimensionalen Vermessung ist es also nötig, einerseits lokale Fehlstellen zu erfassen sowie die Nahtlänge und Position zu vermessen, als auch die geometrischen Daten der Fügenaht wie Konvexität, Konkavität und gegebenenfalls Kantenversatz zu bestimmen, um die Einhaltung von ISO-Grenzwerten zu gewährleisten. Hierzu ist es weiter nötig, das Nahtvolumen der Fügenaht zu vermessen, da ein einzelner Messwert wie beispielsweise die Konkavität nichts über den Nahtquerschnitt aussagt. Darüber hinaus ist es notwendig, ein Werkstück in der Umgebung der Verbindungsstelle zu vermessen.
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Die Messungen der geometrischen Daten erfordert eine schnelle 3D-Vermessung der Fügenaht, das Erkennen lokaler Fehlstellen erfordert eine Graubildauswertung bei sehr hoher Auflösung und bei gleichzeitiger schneller Objektbewegung.
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Die Erfassung eines Objektbereichs mit einer Triangulationslinie, beispielsweise nachlaufend nach dem Schweißprozess und die Erfassung des prozessierten Objektbereichs erfordern völlig unterschiedliche Sensor- und Abbildungseigenschaften. Die schnelle Abtastung einer Schweißnaht mittels Triangulation und die Aufnahme dieses Bereichs mittels einer Auflichtbeleuchtung erfordert ebenfalls unterschiedliche Datenraten und Sensoreigenschaften.
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Eine optimale räumliche Darstellung der Oberflächen bei beiden Verfahren getrennt ist nicht gegeben. Entweder man erhält eine zweidimensionale Abbildung mit der Visualisierung der Oberflächentextur oder ein Höhenbild ohne Information über die Textur.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung zur Überwachung einer Fügenaht zu schaffen, die gleichzeitig eine schnelle 3D-Vermessung der Fügenaht sowie das Erkennen von lokalen Fehlstellen mit einer sehr hohen Auflösung bei gleichzeitiger schneller Objektbewegung ermöglicht, sowie einen Fügekopf oder einen Laserschweißkopf, welcher eine solche Messvorrichtung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, durch den Fügekopf nach Anspruch 13 sowie durch den Laserschweißkopf nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist also eine optische Messvorrichtung zur Überwachung eines Fügebereichs in einem Werkstück vorgesehen, die zumindest eine Lichtschnittvorrichtung mit einer ersten Lichtquelle, welche dazu geeignet ist, einen Lichtfächer in Richtung des zu fügenden Werkstücks zu werfen, um eine Triangulations-Lichtlinie innerhalb des Fügebereichs auf dem zu fügenden Werkstück zu erzeugen, die eine Fügenaht im Fügebereich schneidet, und eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle zur gleichmäßigen Beleuchtung des Fügebereichs des zu fügenden Werkstücks aufweist. Die optische Messvorrichtung umfasst weiter einen ersten optischen Sensor mit einem ersten Beobachtungsstrahlengang zur ortsaufgelösten Abbildung der auf die Fügenaht projizierten Triangulations-Lichtlinie, und einen zweiten optischen Sensor mit einem zweiten Beobachtungsstrahlengang zur ortsaufgelösten Abbildung der Fügenaht. Der zweite Beobachtungsstrahlengang ist hierbei in den ersten Beobachtungsstrahlengang koaxial eingekoppelt, und die Ausleserate des ersten optischen Sensors ist größer als 1 kHz und die Ausleserate des zweiten optischen Sensors ist kleiner als 500 Hz. Es ist jedoch auch bevorzugt, wenn die Ausleserate des ersten optischen Sensors größer als 3 kHz und die Ausleserate des zweiten optischen Sensors kleiner als 100 Hz ist.
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Es ist also erfindungsgemäß eine optische Messvorrichtung vorgesehen, mit welcher eine Fügenaht in einem Werkstück, insbesondere eine Schweißnaht, optisch vermessen werden kann, wobei die Messvorrichtung entweder für eine Online-Überwachung oder eine nachträgliche Überprüfung einer erzeugten Fügenaht verwendet wird. Erfindungsgemäß weist hierbei die optische Messvorrichtung zwei ortsauflösende Sensoren wie beispielsweise CMOS-Kameras auf, die in ihren Abbildungseigenschaften und ihrer Ausleserate auf zwei unterschiedliche Aufgaben abgestimmt sind. So nimmt der erste optische Sensor ein Bild einer auf das Werkstück projizierten Triangulationslaserlinie auf, und der zweite Sensor nimmt ein Graubild zur Fehlstellenerkennung der Fügenaht auf. Die Abbildung auf die Sensorflächen der beiden Sensoren erfolgt mittels einer gemeinsamen Objektivlinse und jeweils zugeordneten Okkularlinsen. Auf diese Weise kann eine sehr kompakte und robuste Messvorrichtung geschaffen werden, bei welcher die Sensoren zueinander raumfest angeordnet sind, um durch die Auswertung des zweidimensionalen Grauwertbildes und des Verlaufs der Lasertriangulationslinie eine dreidimensionale gemappte Darstellung der Fügenaht zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß wird also eine optische Messvorrichtung geschaffen, die gleichzeitig eine hohe Auflösung, ein großes Objektfeld, einen großen Dynamikumfang, eine hohe Objekterkennungsgeschwindigkeit, die Auswertung verschiedener oder gleicher Objektebereiche mit völlig unterschiedlichen Sensoreigenschaften sowie die Visualisierung der räumlichen und texturellen Eigenschaften des Werkstücks ermöglicht.
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Für eine einfache Verwirklichung der koaxialen Einkoppelung des ersten Beobachtungsstrahlengangs in den zweiten Beobachtungsstrahlengang ist es von Vorteil, wenn der zweite Beobachtungsstrahlengang des zweiten optischen Sensors über einen ersten Strahlteiler in den ersten Beobachtungsstrahlengang des ersten optischen Sensors koaxial eingekoppelt ist, wobei der erste und der zweite optische Sensor eine gemeinsame Objektivlinse verwenden.
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Um eine hohe Tiefenschärfe der auf das Werkstück und die Fügenaht projizierten Triangulationslaserlinie zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensoroberfläche des zweiten optischen Sensors und der auf das Werkstück zu projizierende Lichtfächer der zumindest einen Lichtschnittvorrichtung so zueinander angeordnet sind, dass für die Abbildung der die Fügenaht schneidenden Triangualtionslichtlinie die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird.
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Für eine optimale Beurteilung der Qualität der Fügenaht ist es besonders vorteilhaft, wenn die optische Messvorrichtung ferner eine Bildverarbeitungseinheit aufweist, welche die Bilddaten des zweiten optischen Sensors auf ein Gittermodell eines durch die Auswertung des Verlaufs der Triangulations-Lichtlinie gewonnenen Höhenbildes abbildet, um eine errechnete Modellansicht einer dreidimensionalen Fügenaht zu erzeugen.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn der erste optische Sensor eine lineare Kennlinie und der zweite optische Sensor eine linear logarithmische Kennlinie aufweist.
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Für eine optimale Anpassung des ersten und zweiten optischen Sensors an ihre jeweiligen Aufgaben ist es zweckmäßig, wenn mittels des ersten Beobachtungsstrahlengangs eine verkleinernde Abbildung auf die Sensorfläche des ersten optischen Sensors erfolgt, und dass mittels des zweiten Beobachtungsstrahlengangs eine im Wesentlichen isometrische Abbildung auf die Sensorfläche des zweiten optischen Sensors erfolgt.
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Für das Ausblenden von Störlicht, insbesondere bei der Überwachung eines Laserschweißvorgangs, ist es von Vorteil, wenn im ersten und zweiten Beobachtungsstrahlengang optische Bandpassfilter vor dem ersten bzw. zweiten optischen Sensor vorgesehen sind, deren Durchlasswellenlängenbereiche auf die Emissionswellenlängen der ersten Lichtquelle der Lichtschnittvorrichtung bzw. der zweiten Lichtquelle der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung abgestimmt sind.
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Für eine optimale Ausleuchtung und eine damit erreichte hohe Auflösung der Oberflächenstruktur der Fügenaht ist es zweckmäßig, wenn die zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung zumindest ein erstes Beleuchtungsmodul und zumindest ein zweites Beleuchtungsmodul umfasst, wobei das zumindest eine erste Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung des Fügebereichs unter kleinem Winkel zur optischen Achse der Objektivlinse und das zumindest eine zweite Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung unter großem Winkel zur optischen Achse der Objektivlinse vorgesehen sind.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn das zumindest eine erste Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung unter kleinem Winkel und das zumindest eine zweite Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung unter großem Winkel mit einer Steuerungsvorrichtung verbunden sind, welche durch unterschiedliche Ansteuerung des zumindest einen ersten Beleuchtungsmoduls und des zumindest einen zweiten Beleuchtungsmoduls in unterschiedlichen Zeitperioden zwischen einer Dunkel- und einer Hellfeldbeleuchtung wechselt oder ein Verhältnis der Intensitäten der Hellfeldbeleuchtung und der Dunkelfeldbeleuchtung zu einander einstellt.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung zumindest ein Beleuchtungsmodul umfasst, welches als LED-Modul ausgebildet ist und gepulst betrieben wird.
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Zweckmäßigerweise umfasst hierbei die erste Lichtquelle der zumindest einen Lichtschnittvorrichtung einen Diodenlaser.
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Erfindungsgemäß ist weiter ein Fügekopf zum Fügen eines Werkstücks mittels einer Fügevorrichtung vorgesehen, welcher die erfindungsgemäße Messvorrichtung einsetzt.
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Die Fügevorrichtung kann hierbei zweckmäßigerweise eine Laserschweißvorrichtung, eine Metallschutzgasschweißvorrichtung oder eine Kleberaupenvorrichtung sein.
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Erfindungsgemäß ist weiter ein Laserschweißkopf zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einem Gehäuse, durch das ein Strahlengang für den Laserstrahl hindurchgeführt ist und das eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls auf eine Fügestelle des zu fügenden Werkstücks innerhalb eines Fügebereichs aufweist, und einer optischen Messvorrichtung, wobei die zumindest eine Lichtschnittvorrichtung fest mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass der auf das zu fügende Werkstück geworfene Lichtfächer in einem festen Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik steht, und wobei der erste und zweite Beobachtungsstrahlengang koaxial mittels eines zweiten Strahlteilers in den Laserstrahlengang eingekoppelt sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer optischen Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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1B eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer optischen Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2A eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserschweißkopfes mit einer optischen Messvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2B eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserschweißkopfes mit einer optischen Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine perspektivische schematische Ansicht eines Fügebereichs während eines Fügeprozesses an einem Werkstück, und
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4 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1A ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die optische Messvorrichtung 100 ist dazu vorgesehen, während eines Fügevorgangs einen Fügebereich 10 (3) mit einem zu fügenden Bereich 12 und einer Fügenaht 14 in einem Werkstück 16 zu überwachen. Die optische Messvorrichtung 100 kann jedoch auch dazu vorgesehen sein, eine bereits fertiggestellte Fügenaht 14 zu überprüfen. In diesem. Fall weist der Fügebereich 10 nur noch die Fügenaht 14 auf.
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Die optische Messvorrichtung 100 umfasst zumindest eine Lichtschnittvorrichtung 18 mit einer ersten Lichtquelle 20, die dazu geeignet ist, einen Lichtfächer 22 in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks 16 zu werfen, um eine Triangulationslichtlinie 24 innerhalb des Fügebereichs 10 auf dem zu fügenden Werkstück 16 zu erzeugen, die die Fügenaht 14 schneidet, und zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung 26 mit einer zweiten Lichtquelle 28 zur gleichmäßigen Beleuchtung des Fügebereichs 10 des zu fügenden Werkstücks 16. Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100 umfasst ferner einen ersten optischen Sensor 30, der über einen ersten Beobachtungsstrahlengang 32 die auf das Werkstück 16 und die Fügenaht 14 projizierte Lichtlinie 24 ortsaufgelöst abbildet, und einen zweiten optischen Sensor 34, der über einen zweiten Beobachtungsstrahlengang 36 den Fügebereich 10 und insbesondere die Fügenaht 14 an der Oberfläche des Werkstücks 16 ortsaufgelöst abbildet. Der erste und zweite optische Sensor 30, 34 ist hierbei vorzugsweise als CCD-Matrix-Kamerasensor, insbesondere als CMOS-Kamerasensor ausgebildet.
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Die Abbildung auf den ersten Sensor 30 und den zweiten optischen Sensor 34 erfolgt über eine Objektivlinse 38, die gemeinsam von dem ersten optischen Sensor 30 und dem zweiten optischen Sensor 34 genutzt wird, und über eine in Beobachtungsrichtung vor dem ersten optischen Sensor 30 angeordnete erste Okkularlinse 40 sowie über eine in Beobachtungsrichtung vor dem zweiten optischen Sensor 34 angeordnete zweite Okkularlinse 42. Hierbei wird der zweite Beobachtungsstrahlengang 36 des zweiten optischen Sensors 34 über einen ersten Strahlteiler 43 koaxial in den ersten Beobachtungsstrahlengang 32 des ersten optischen Sensors 30 eingekoppelt. Ferner können vor dem ersten optischen Sensor 30 und dem zweiten optischen Sensor 34 noch ein erster optischer Filter 44 bzw. ein zweiter optischer Filter 46 vorgesehen sein, deren Funktionalität noch genauer erläutert werden wird. Die optischen Filter 44, 46 können hierbei in den jeweiligen Beobachtungsstrahlengängen 32, 36 zwischen dem ersten Strahlteiler 43 und den entsprechenden optischen Sensoren 30, 34 angeordnet werden, wobei diese vorzugsweise zwischen dem ersten Strahlteiler 43 und den Okkularlinsen 40, 42 angeordnet sind.
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In 1B ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer optischen Messvorrichtung 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die optische Messvorrichtung 200 unterscheidet sich von der optischen Messvorrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darin, dass die Sensorfläche des ersten optischen Sensors 30 nicht senkrecht zu dem ersten Beobachtungsstrahlengang 32 angeordnet ist, sondern so auf die Optiken 38, 43 und 40 sowie auf die Orientierung des Lichtfächers 22 der Lichtschnittvorrichtung 18 abgestimmt ist, dass die Scheimpflug-Bedingung für die Abbildung der Triangulationslichtlinie 24 erfüllt ist, wie im Folgenden noch genauer erläutert werden wird.
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Erfindungsgemäß ist nicht nur eine optische Messvorrichtung 100 oder 200 zur Überwachung eines Fügebereichs 10 in einem Werkstück 16 vorgesehen, sondern auch ein Fügekopf, der die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100 oder 200 einsetzt. Ein erfindungsgemäßer Fügekopf kann beispielsweise als Laserschweißkopf 300 (wie z. B. in 2A und 2B gezeigt), als Metallschutzgasschweißkopf oder als Kleberaupenkopf ausgestaltet sein. Allgemein soll unter Fügekopf jede Vorrichtung verstanden werden, die zum Erzeugen einer Fügenaht zum Fügen eines Werkstücks oder zweier unterschiedlicher Werkstücke verwendet werden kann. Hierbei kann die Fügenaht 14 die die Werkstücke verbindende Naht sein, es ist jedoch auch vorstellbar, dass ein Kleberaupenkopf auf einem Werkstück eine Kleberaupe aufbringt und diese Kleberaupe während des Auftragens durch die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100, 200 auf ihre Qualität überprüft wird. Nach der Überprüfung wird ein zweites Werkstück auf die aufgetragene Kleberaupe aufgebracht und mit dem zu verklebenden Werkstück verpresst, um eine Klebeverbindung herzustellen.
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Die 2A und 2B zeigen eine stark vereinfachte Ansicht eines als Laserschweißkopf 300 ausgestalteten erfindungsgemäßen Fügekopfes, welcher die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einsetzt.
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Um einen Schweiß- oder Lötvorgang des Werkstücks 16 an einer Fügestelle 48 (3) durchführen zu können, wird ein von einer Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 50 durch ein Gehäuse 52 des Laserschweißkopfes 300 hindurch auf das Werkstück 16 gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 54 auf das Werkstück 16 fokussiert, wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Das auf die Fügestelle 48 im Fügebereich 10 fokussierte Laserlicht des Arbeitslaserstrahls 50 schmilzt Material des Werkstücks 16 oder mehrerer Werkstücke, die verbunden werden sollen, auf, wodurch ein Verschweißen des Werkstücks 16 oder mehrerer verschiedener Werkstücke erfolgen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Verlötung des Werkstücks 16 oder verschiedener Werkstücke erfolgt.
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Der Arbeitslaserstrahl 50 wird dem Laserschweißkopf 300 durch eine Lichtleitfaser 56 zugeführt, wobei das Faserende der Lichtleitfaser 56 in einer Faserhaltung 58 gehalten ist. Der bei dem Faserende der Lichtleitfaser 56 austretende Laserstrahl 50 wird mittels einer Kolimatoroptik 60 kollimiert und auf einen zweiten Strahlteiler 62 gelenkt, welcher den Laserstrahl 52 in Richtung der Fokussieroptik 54 umlenkt.
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In dem in 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zumindest eine Lichtschnittvorrichtung 18 und die zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung 26 am Gehäuse 52 des Laserschneidkopfes 300 angebracht, wobei die Lichtschnittvorrichtung 18 vorzugsweise fest mit dem Gehäuse 52 verbunden ist, so dass der auf das zu fügende Werkstück 16 geworfene Lichtfächer 22 in einem festen Winkel zur optischen Achse L der Fokussieroptik 54 steht. Der erste Beobachtungsstrahlengang 32 des ersten optischen Sensors 30 und der zweite Beobachtungsstrahlengang 36 des zweiten optischen Sensors 34 sind über den zweiten Strahlteiler 62 koaxial in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls 50 eingekoppelt.
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Durch die Integration der optischen Messvorrichtung 100 oder 200, wie sie in den 2A und 2B gezeigt sind, in einen erfindungsgemäßen Laserschweißkopf 300 kann also eine Online-Überwachung der durch den Arbeitslaserstrahl 50 gebildeten Fügenaht 14, die in diesem Fall eine Schweißnaht ist, durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100, 200 sowie ein Fügekopf oder ein Laserschweißkopf 300, der diese einsetzt, sind in besonders vorteilhafter Weise dazu geeignet, eine Fügenaht 14 zu überprüfen oder zu vermessen, wie im Folgenden erläutert werden wird.
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Bei der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 100, 200 werden zwei optische Messverfahren, eine dreidimensionale Vermessung der Fügenaht 14 durch ein Triangulationsverfahren sowie eine zweidimensionale Abbildung der Oberfläche der Fügenaht 14 in besonders geeigneter Weise dadurch kombiniert, dass zwei optische Sensoren (der erste optische Sensor 30 und der zweite optische Sensor 34) mit unterschiedlichen Eigenschaften, die auf das jeweilige Messverfahren abgestimmt sind, in einem Sensorsystem mit einer gemeinsamen Optik untergebracht sind.
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Zunächst soll das 3D-Messsystem mit der zumindest einen Lichtschnittvorrichtung 18 sowie dem ersten optischen Sensor 30 dargestellt werden.
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Wie in den 2A, 2B und 3 gezeigt, wird durch die zumindest eine Lichtschnittvorrichtung 18 zumindest ein Lichtfächer 22 in Richtung des Werkstücks 16 geworfen, um eine Lichtlinie 24 auf das Werkstück 16 zu projizieren, die die Fügenaht 14 schneidet. Vorzugsweise wird als erste Lichtquelle 20 der Lichtfächervorrichtung 18 ein Diodenlaser mit 50 mW bis 100 mW optischer Leistung und einer Wellenlänge von 660 nm verwendet. Der erste optische Filter 44 ist hierbei als optischer Bandpassfilter ausgebildet, dessen Durchwellenlängendurchlassbereich auf die Emissionswellenlänge der ersten Lichtquelle 20 der Lichtschnittvorrichtung 18 abgestimmt ist, wobei die Halbwertsbreite oder FWHM (Full Width At Half Maximum) des Wellenlängendurchlassbereichs des optischen Bandpassfilters 44 vorzugsweise kleiner 100 Nanometer, besonders bevorzugt kleiner 50 Nanometer, und insbesondere kleiner 20 Nanometer ist. Der erste optische Bandpassfilter 44 ist vorzugsweise ein Fabry-Perot-Filter oder ein Fabry-Perot-Etalon, wobei durch diese Art von Filter elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereichs durchgelassen und die restlichen Frequenzanteile durch Interferenz ausgelöscht werden. Als weitere Lichtquellen für die erste Lichtquelle 20 eignen sich auch AlGaInP-Laserdioden mit Multi-Quanten-Well-Strukturen, welche ein Abstrahlmaximum in einem Wellenlängenbereich zwischen 635 Nanometer und 670 Nanometern aufweisen. So kann beispielsweise eine Laserdiode mit einer Abstrahlwellenlänge von 658 Nanometer und einer Abstrahlleistung von 60 Milliwatt eingesetzt werden. Durch die Verwendung des als optischen Bandpasses ausgestalteten ersten optischen Filter 44 wird also nur die auf das Werkstück projizierte Triangulationslichtlinie 24 auf die Sensorfläche des ersten optischen Sensor 30 abgebildet, wobei störende Lichteinflüsse, insbesondere bei einem Laserschweißvorgang Reflektionen des Arbeitslaserstrahls oder Emissionen des in dem Werkstück gebildeten Schweißbades, weitgehend eliminiert werden.
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Wie weiter in 1A, 1B und 3 gezeigt, ist die Ebene des Lichtfächers 22 nicht parallel zur optischen Achse der Objektivlinse 38 oder zur optischen Achse L der Fokussierlinse 54. Da bei einem Fügevorgang die Werkstückoberfläche i. d. R. senkrecht auf der optischen Achse L einer Fokussierlinse 52 für einen Arbeitslaserstrahl 50 oder senkrecht zu einer optischen Achse einer Objektivlinse 38 gehalten wird, führen, wie in 3 gezeigt, eine vertikale Auslenkung in der Höhe der Oberfläche des Werkstücks 16 zu einer horizontalen Auslenkung der Laserlichtlinie 24 auf der Werkstückoberfläche. Durch dieses sogenannte Triangulationsverfahren kann also bei bekanntem Winkel des Lichtfächers 22 zur Werkstückoberfläche ein Höhenprofil der Fügenaht 14 erstellt werden, indem entweder eine Vielzahl von parallelen Lichtfächern auf das Werkstück geworfen werden oder die Höhenprofildaten während des Abtastens mittels der Triangulationslichtlinie 24 periodisch erfasst und zwischengespeichert werden. In der in 1B gezeigten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sensoroberfläche des ersten optischen Sensors 30 so auf die Ebene des Lichtfächers 22 abgestimmt, dass die Triangulationslichtlinie 24 stets scharf auf der Sensorfläche abgebildet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ebene der Sensorfläche des ersten optischen Sensors 30 und die Ebene des Lichtfächers 22 unter Berücksichtigung der optischen Komponenten 38, 43 und 40 die sogenannte Scheimpflug-Bedingung erfüllen. Die Scheimpflug-Bedingung wird eingehalten, d. h., dass die gewünschte Objekt-Ebene (entspricht der Ebene des Lichtfächers 22) mit maximaler Schärfe abgebildet wird, wenn Objekt-, Objektiv- und Bildebene (entspricht der Ebene der Sensorfläche des ersten optischen Sensors 30) sich in einer gemeinsamen Geraden schneiden. Somit wird also bei der Messvorrichtung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine zur Okularlinse 40 leicht gekippt angeordnete Sensorfläche der ersten Sensorvorrichtung 30 die Laserlichtlinie 24 mit optimaler Schärfe unabhängig von dem Höhenprofil der Fügenaht 14 auf die Sensorfläche des ersten optischen Sensors 30 ortsaufgelöst abgebildet, wodurch eine nach genauere Vermessung des Höhenprofils der Fügenaht 14 möglich wird.
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Der erste optische Sensor 30 ist darüber hinaus hinsichtlich seiner Bildaufnahmerate optimiert, um die eine oder mehreren Triangulationslinien 22 schnell zu erfassen, wodurch eine flächige Auswertung des Höhenprofils der Fügenaht 14 bei hohen Fügegeschwindigkeiten möglich wird. Die Ausleserate des ersten optischen Sensors 30 ist hierbei vorzugsweise größer als 1 kHz, weiter bevorzugt größer als 2 kHz, besonders bevorzugt größer als 3 kHz und insbesondere liegt die Ausleserate bei bis zu 3,5 kHz Abtastrate. Der sehr schnelle optische ortsaufgelöste erste Sensor 30 hat aus diesem Grund vorzugsweise eine lineare Kennlinie. Da die Laserlinie 24 nur mit etwa gleich bleibender Intensität visualisiert werden muss, bedeutet diese Eigenschaft keine Einschränkung für den Einsatz als Triangulationssensor, da keine hohe Dynamik für die Abbildung der Laserlinie 24 erforderlich ist. Bei Sensoren mit linearer Kennlinie sind Datenraten bis zu 600 MByte pro Sekunde möglich. Typische Schweißnähte beim Laserschweißen haben eine Breite von 2 bis 3 mm. Da die typisch verwendeten Triangulationslaserlinien eine Breite von etwa 30 μm aufweisen, genügt eine Abbildung mit einer Verkleinerung von 3:1.
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Bei einem 1-Zoll-Sensor mit einer Sensorbreite von etwa 10 mm können also 30 mm × 30 mm Objektfeld auf 10 mm × 10 mm Sensorfläche abgebildet werden. Bei einer relevanten Bildbereichs(ROI)-Größe von 600 Pixel × 150 Pixel ergeben sich damit bis zu 3,5 KHz Abtastrate zur Triangulation. Die Triangulationslinie 24 kann direkt über einen FPGA (field-programmable gate array) aus dem Bild extrahiert werden. Zu einer Auswerteeinrichtung werden damit nur noch Höhenbilder übertragen. Der damit abgetastete Objektbereich beträgt also 18 mm × 4,5 mm. Unter Ausnutzung der gesamten Sensorbreite des ersten optischen Sensors 30 von 1000 Pixeln kann ein Objektbereich von 30 mm Breite abgetastet und vermessen werden. Darüber hinaus wird bei der in 1B gezeigten Anordnung des ersten optischen Sensors 30 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgrund der Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung eine große Schärfentiefe für die Abbildung der Triangulation erreicht.
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Im Folgenden soll das 2D-Messsystem zur zweidimensionalen Abbildung der Fügenaht 14 mit zumindest einer Beleuchtungsvorrichtung 26 und dem zweiten optischen Sensor 34 genauer erläutert werden.
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Der zweite optische Sensor 34 ist vorzugsweise ein Graubildsensor, der auf die Erfassung eines Graubildes optimiert ist. So wird erfindungsgemäß für die Abbildung der Fügenaht 14 auf die Sensorfläche des zweiten optischen Sensors 34 ein Abbildungsverhältnis von 1:1 gewählt, um möglichst auch kleine Fehlstellen innerhalb der Fügenaht 14 detektieren zu können. Typischerweise wird ein Objektfeld von 5 mm × 5 mm abgetastet. Die Datenrate des zweiten optischen Sensors 34 muss lediglich schnell genug sein, um bei der Inspektionsvorschubgeschwindigkeit oder bei der Fügegeschwindigkeit noch eine ausreichende Überlappung der Objektbereiche zu garantieren. Bei beispielhaften 250 mm pro Sekunde Inspektionsgeschwindigkeit bedeutet dies eine Bildrate von 50 Bildern pro Sekunde. Die Ausleserate des zweiten optischen Sensors 34 ist hierbei vorzugsweise kleiner 500 Hz, weiter bevorzugt kleiner 200 Hz und insbesondere kleiner 100 Hz. Der zweite optische Sensor 34 besitzt vorzugsweise eine linear logarithmische Kennlinie, um auf Grund seiner hohen Dynamik in optimaler Weise den Reflektionseigenschaften von Schweiß- oder Lötnähten gerecht zu werden. Die gleichmäßige Ausleuchtung des Fügebereichs 10 mittels der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung 26 wird vorzugsweise mit einer als Leuchtdiode ausgestalteten zweiten Lichtquelle 28 durchgeführt. Hierbei kann die Einstrahlrichtung der Beleuchtung an die entsprechende Anwendung angepasst werden. Die Wellenlänge der Leuchtdiode 28 beträgt vorzugsweise 620 Nanometer. Mittels eines als optischen Bandpassfilters ausgestalteten zweiten optischen Filters 46 wird nur der Anteil der Diodenbeleuchtung der zweiten Lichtquelle 28 auf die Sensorfläche des zweiten optischen Sensors 34 abgebildet. Für die Eigenschaften des zweiten optischen Filters 46 sollen die obigen Ausführungen zu dem ersten optischen Filter 44 gelten. Um eine hohe Leuchtintensität zu erreichen, kann die zweite Lichtquelle 28 der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung 26 gepulst betrieben werden, wobei hierfür vorzugsweise LED-Module eingesetzt werden.
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Wie in 4 gezeigt, können für eine optimale Ausleuchtung der Fügenaht 14 vier Beleuchtungs- oder LED-Module 26a, 26a', 26b und 26b' verwendet werden. Hierbei sind zwei Beleuchtungsmodule 26a und 26a' zur Beleuchtung unter kleinem Winkel zur optischen Achse der Objektivlinse 38 oder zur optischen Achse L der Fokussierlinse 54, und zwei weitere Beleuchtungsmodule 26b, 26b' zur Beleuchtung unter großem Winkel zur optischen Achse der Objektivlinse 38 oder der Fokussierlinse 54 vorgesehen. Unter einem kleinen Winkel soll hierbei ein Winkel zwischen 1° und 45°, insbesondere zwischen 1° und 30° verstanden werden, unter einem großen Winkel soll hierbei ein Winkel zwischen 45° und 89°, insbesondere zwischen 45° und 65° verstanden werden. Vorzugsweise wird hierbei die Fügenaht 14 in ihrem Verlauf von jeweils zwei Seiten beleuchtet. Somit wird also die Fügenaht 14 von einer Seite unter kleinem Winkel zur optischen Achse L durch das Beleuchtungsmodul 26a und unter großem Winkel zur optischen Achse L durch das Beleuchtungsmodul 26b beleuchtet, und von der anderen Seite der Fügenaht 14 unter kleinem Winkel zur optischen Achse L durch das Beleuchtungsmodul 26a sowie unter großem Winkel zur optischen Achse L durch das Beleuchtungsmodul 26b' beleuchtet, so dass eine optimale Ausleuchtung der Fügenaht 14 erreicht wird.
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Die Abstrahlleistung der ersten Beleuchtungsmodule 26a, 26a' unter kleinem Winkel zur optischen Achse L und die Abstrahlleistung der zweiten Beleuchtungsmodule 26b, 26b' Letter großem Winkel zur optischen Achse L können mittels einer Steuervorrichtung (nicht gezeigt) unabhängig voneinander eingestellt werden. So kann zwischen einer Dunkel- und Hellfeldbeleuchtung gewechselt werden, es kann jedoch auch der Anteil der einen oder der anderen Beleuchtungsart entsprechend erhöht werden.
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Erfindungsgemäß weist die Messvorrichtung 100 oder 200 ferner eine Bildverarbeitungseinheit auf, welche die von dem zweiten optischen Sensor 34 erhaltenen Bilddaten auf ein Gittermodel eines durch die Auswertung des Verlaufs der Triangulations-Lichtlinie 24 gewonnenen Höhenbildes abbildet, um eine errechnete Modellansicht einer dreidimensionalen Fügenaht 14 zu erzeugen. Hierfür können bekannte Mappingtechniken eingesetzt werden. Durch dieses Verfahren wird also eine optimale gleichzeitige Darstellung von zweidimensionaler und dreidimensionaler Information erreicht. Durch ein Drehen oder eine Ansichtsänderung des erweiterten 3D-Gittermodels kann die Oberfläche der Fügenaht 14 zusammen mit der räumlichen Information gesehen und beurteilt werden.
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Erfindungsgemäß wird also eine Messvorrichtung zur Überwachung eines Fügebereichs 10 in einem Werkstück 16 mit einem zu fügenden Bereich 12 und einer Fügenaht 14 während eines Fügevorgangs geschaffen, bei welcher optimale Sensor- und optische Abbildungseigenschaften sowohl für eine Triangulationsanwendung als auch für eine Graubild-Auswertung, in einem Sensorsystem kombiniert sind. Während für die Triangulation ein möglichst schneller Sensor eingesetzt wird, wird für die Graubildauswertung ein Sensor mit möglichst gutem Signal/Rauschverhältnis und hoher Dynamik eingesetzt. Um kleinste Fehlstellen zu visualisieren, ist für die Graubildabbildung eine 1:1 Abbildung erforderlich.
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Der Triangulationssensor kommt mit einer verkleinernden Abbildung aus, da die Laserlinie 24 sich typischerweise nicht auf typische Pixelgrößen fokussieren lässt. Der Triangulationssensor 30 kann mit Bilddaten größer als 3 kHz betrieben werden, wobei der Graubildsensor typischerweise in einem Bereich bis 100 Hz arbeitet. Vorzugsweise ist also die Ausleserate des ersten optischen Sensors 30 größer als 1 kHz und die Ausleserate des zweiten optischen Sensors kleiner als 500 Hz. Darüber hinaus können durch das Vorsehen eines unterschiedlichen ersten optischen Sensors 30 und eines zweiten optischen Sensors 34 in der Messvorrichtung 100, 200 der vorliegenden Erfindung die Belichtungszeiten, Dynamik, Kennlinien und sonstige Sensoreigenschaften auf ihre entsprechende Aufgabe angepasst werden.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 200, 300 ist in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten einsetzbar, so beispielsweise zur Erkennung von Schweißkanten zur Führung von Schweißlasern, zur Qualitätsüberwachung von Schweißnähten aller Art bei höchsten Qualitätsanforderungen, zur Qualitätsüberwachung von Kleberaupen, zur Geometriemessung und Überwachung von Oberflächen bei gleichzeitiger Inspektion der Oberflächenbeschaffenheit, und zur 2D- und 3D-Vermessung von Werkstücken.
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Ein Anwender kann mit dem neuen Sensorsystem die notwendige 3D-Messung nach dem allgemein akzeptierten Lichtschnittverfahren mit sehr hoher Frequenz durchführen und parallel eine Graubildauswertung durchführen. Er kann über den großen Objektbereich mit dem Triangulationsverfahren auch Bereiche neben der Fügestelle 48 vermessen. Er hat eine große Schärfentiefe bei gleichzeitiger notwendiger Bildschärfe für die Graubildauswertung. Nach der Fusion der Daten hat der Anwender eine optimale räumliche Darstellung der Textur der zu prüfenden oder zu überwachenden Fügenaht 14. Die laterale Ausdehnung von Fehlstellen ist völlig unabhängig von der Sensorvorschubgeschwindigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19505832 A1 [0003]
- WO 2005/095043 A1 [0005]
- US 2010/0134628 A1 [0006]
