DE102014101568A1

DE102014101568A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen oder -schneiden mit einem dynamisch anpassbaren Analysebereich

Info

Publication number: DE102014101568A1
Application number: DE102014101568.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Vogl; Ulrich Munzert
Original assignee: Blackbird Robotersysteme GmbH
Current assignee: Blackbird Robotersysteme GmbH
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2015-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück (2) mittels eines Lasers, bei welchem ein Laserstrahl (7) in Abhängigkeit von Bewegungsdaten eines Manipulators (3), insbesondere eines Industrieroboters, und eines vom Werkstück (2) beabstandeten Strahlleitsystems (6) entlang einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn (10) geführt wird, wobei zuvor offline eine Näherungsposition (14) der Bahn festgelegt wird, online zur Genauigkeitsverbesserung mittels eines optischen Erfassungssystems (12) zumindest die Position eines Referenzmerkmals (17) des Werkstücks (2) in einem Analysebereich (15), der zur Erhöhung der Auswertungsgeschwindigkeit einen Teilausschnitt eines Erfassungsbereiches (13) des Erfassungssystems (12) bildet, ermittelt wird, anhand der Position des Referenzmerkmals (17) eine Soll-Position (19) der Bahn bestimmt wird, die Näherungsposition (14) mit der Soll-Position (19) der Bahn verglichen wird und die Bahn (10) bei Positionsabweichungen nachgeregelt wird. Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Fehlerrobustheit mittels des optischen Erfassungssystems (12) die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches (15) innerhalb des Erfassungsbereiches (13), insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem die Position des Referenzmerkmals (17) innerhalb des Erfassungsbereiches (13) näherungsweise bestimmenden Offlineparameters und/oder beeinflussenden Onlineparameters, dynamisch angepasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück mittels eines Lasers, bei welchem ein Laserstrahl in Abhängigkeit von Bewegungsdaten eines Manipulators und eines vom Werkstück beabstandeten Strahlleitsystems entlang einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn geführt wird, wobei zuvor offline eine Näherungsposition der Bahn festgelegt, online zur Genauigkeitsverbesserung mittels eines optischen Erfassungssystems zumindest die Position eines Referenzmerkmals des Werkstücks in einem Analysebereich, der zur Erhöhung der Auswertungsgeschwindigkeit einen Teilausschnitt eines Erfassungsbereiches des Erfassungssystems bildet, ermittelt, anhand der Position des Referenzmerkmals eine Soll-Position der Bahn bestimmt, die Näherungsposition mit der Soll-Position der Bahn verglichen und die Bahn bei Positionsabweichungen nachgeregelt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück mittels eines Lasers mit einem in Abhängigkeit einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn des Laserstrahls programmierbaren Manipulator, einem zum Ablenken des Laserstrahls geeigneten Strahlleitsystem, das zum Datenaustausch mit dem Manipulator verbunden ist, und einem mit dem Strahlleitsystem bzw. dessen Steuereinheit zum Datenaustausch verbundenen optischen Erfassungssystem, das einen optischen Bildsensor mit einem Erfassungsbereich und eine Bildauswerteeinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Position zumindest eines Referenzmerkmals in einem Analysebereich, der einen Teilausschnitt des Erfassungsbereiches bildet, ermittelbar, anhand der Position des Referenzmerkmals eine Soll-Position der Bahn bestimmbar, eine zuvor offline festgelegte Näherungsposition der Bahn mit der Soll-Position vergleichbar und bei Positionsabweichungen die Bahn nachregelbar ist.
Aus der EP 1 099 506 B1 ist ein Verfahren zur Messung von Prozessparametern eines Materialbearbeitungsprozesses – unter Verwendung eines relativ zum Manipulator unbeweglichen Laserkopfes – mit einem auf eine Bearbeitungszone eines Werkstücks fokussierten Hochenergiestrahls bekannt. Hierbei wird mittels eines Sensors die Lichtintensität koaxial zur Hochenergiestrahlung in der Bearbeitungszone im Bereich einer von dem Hochenergiestrahl erzeugten Dampfkapillare gemessen. Der Sensor tastet ein Bildfeld ab, wobei dessen Messsignale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden. In dem von dem optischen Sensor erfassten Bildfeld werden unterschiedliche Bildausschnitte frei wählbar festgelegt. Zur Überwachung der Prozessparameter werden ausschließlich die Messsignale dieser Bildausschnitte verwertet. Zur Messung der Nahtlage und zur Steuerung der Laserposition oder der Werkstückposition wird ein Bildausschnitt in Arbeitsrichtung vor der Bearbeitungszone verwendet. Die Position des Bildausschnitts wird offline einmalig festgelegt. Mit diesem Bildausschnitt ist beispielsweise die Nahtverfolgung möglich, so dass der Bearbeitungsprozess komplizierten Konturen folgen kann, indem eine vorgegebene Bahn abgetastet und der Laserstrahl entsprechend gesteuert wird. Nachteilig hierbei ist, dass dieses Verfahren bei überlagerten Bewegungen eines Manipulators und eines Strahlleitsystems nicht anwendbar ist, da sich hierbei die Lage und/oder Orientierung des Bildausschnitts gegenüber der zu schweißenden oder scheidenden Bahn ständig ändert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem bzw. mittels der sowohl die Genauigkeit als auch die Fehlerrobustheit bei bewegungsüberlagernden Laserschweiß- und/oder Laserschneidprozessen verbessert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 12.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück mittels eines Lasers, bei welchem ein Laserstrahl in Abhängigkeit von Bewegungsdaten eines Manipulators, insbesondere eines Industrieroboters, und eines vom Werkstück beabstandeten Strahlleitsystems, welches vorzugsweise mehrere bewegliche und/oder über einen Spiegelantrieb angetriebene Spiegel zur gezielten Ablenkung und/oder Fokussierung des Laserstrahls umfasst, entlang einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn geführt wird. Hierbei wird zuvor offline eine Näherungsposition der Bahn festgelegt. Diese Näherungsposition der Bahn wird vorzugsweise anhand von Geometriedaten eines Referenzwerkstücks vor Beginn des eigentlichen Schweiß- oder Schneidprozesses – d.h. offline – bestimmt. Die Geometriedaten des Referenzwerkstücks können auf CAD-Daten basieren und/oder durch die Vermessung des Referenzwerkstücks und/oder durch eine Teach-In-Programmierung ermittelt werden. Bei der Teach-In-Programmierung fährt ein Programmierer den Roboter mit einer Steuerkonsole in die gewünschte Position. Alle auf diesem Weg erreichten Koordinatenpunkte werden in der Steuerung gespeichert. Dieser Schritt wird so lange wiederholt, bis ein gesamter Arbeitszyklus einmal durchlaufen ist. Da die tatsächlichen Geometriedaten des zu schneidenden und/oder zu schweißenden Werkstücks, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Lagetoleranzen der Spannvorrichtungen, von den idealisierten Geometriedaten des Referenzwerkstücks abweichen können, kann diese Näherungsposition der Bahn während des tatsächlichen Schweißprozesses nicht der Idealposition entsprechen. Aufgrund dessen wird online – d.h. während des Schweiß- oder Schneidprozesses – zur Genauigkeitsverbesserung mittels eines optischen Erfassungssystems die Position zumindest eines Referenzmerkmals des Werkstücks in einem Analysebereich ermittelt. Zur Erhöhung der Auswertungsgeschwindigkeit bildet der Analysebereich einen Teilausschnitt eines vom Erfassungssystem erfassten Erfassungsbereiches. Hierdurch muss vorteilhafterweise nicht der gesamte Erfassungsbereich analysiert werden, sondern lediglich der durch den Analysebereich gebildete Teilausschnitt, wodurch die Auswertegeschwindigkeit erhöht werden kann. In einem weiteren Verfahrensschritt wird anhand der Position des Referenzmerkmals eine Soll-Position der Bahn, insbesondere auf dem Werkstück, bestimmt. Anschließend wird die Näherungsposition mit der Soll-Position der Bahn verglichen und die Bahn bei Positionsabweichungen nachgeregelt. Vorteilhafterweise können die Bewegungsdaten des Manipulators und/oder des Strahlleitsystems mittels dieser nachgeregelten Bahnposition derart angepasst werden, dass der Laserstrahl gemäß seiner Idealposition über das Werkstück bewegt wird.
Dadurch, dass der Analysebereich nur einen Teilausschnitt des gesamten Erfassungsbereiches bildet, kann es aufgrund der überlagerten Bewegungen des Manipulators und des Strahlleitsystems dazu kommen, dass das Referenzmerkmal aus dem Analysebereich austritt und infolgedessen keine Genauigkeitsverbesserung erfolgen kann. Zur Erhöhung der Fehlerrobustheit, insbesondere während des Onlinebetriebes, wird deshalb mittels des optischen Erfassungssystems die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches innerhalb des Erfassungsbereiches dynamisch angepasst. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich das Referenzmerkmal bei einer überlagerten Bewegung des Manipulators und des Strahlleitsystems nicht aus dem Analysebereich bewegt, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Genauigkeitsverbesserung während des Onlinebetriebes erfolgen kann. Des Weiteren kann hierdurch die Analysegeschwindigkeit des Analysebereiches erhöht werden, indem beispielsweise die Größe des Analysebereiches in fehlerunkritischen Zeitintervallen – d.h. wenn keine starken Positionsänderungen des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches zu erwarten sind – verkleinert und in fehlerkritischen Zeitintervallen vergrößert wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die dynamische Anpassung der Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches innerhalb des Erfassungsbereiches in Abhängigkeit von zumindest einem, insbesondere die Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches näherungsweise bestimmenden, Offlineparameters und/oder, insbesondere beeinflussenden, online Parameters angepasst wird. Unter der Begrifflichkeit „Offlineparameter“ sind jegliche Parameter zu verstehen, die bereits vor Beginn des eigentlichen Schweiß- oder Schneidprozesses – d.h. offline – bekannt und/oder zumindest näherungsweise bestimmbar sind. Derartige Offlineparameter können beispielsweise die Geometriedaten des Referenzwerkstücks, die durch diese Geometriedaten bestimmte Näherungsposition der Bahn auf dem Werkstück und/oder im Erfassungsbereich und/oder die daraus abgeleiteten offline bestimmten und/oder abgespeicherten Bewegungsdaten des Manipulators und/oder Strahlleitsystems sein. Bereits durch diese Offlineparameter kann die zu erwartende Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches zumindest näherungsweise bestimmt werden.
Die näherungsweise bestimmte Position des Referenzmerkmals und/oder die näherungsweise bestimmten Offlineparameter werden jedoch online beeinflusst. Infolgedessen kann die dynamische Anpassung des Analysebereiches innerhalb des Erfassungsbereiches noch weiter verbessert werden, wenn zusätzlich oder alternativ, wie bereits vorstehend erwähnt, zumindest ein Onlineparameter zur dynamischen Anpassung des Analysebereiches herangezogen wird. Unter der Begrifflichkeit „Onlineparameter“ sind jegliche Parameter zu verstehen, die während des tatsächlichen Schweiß- oder Schneideprozesses – d.h. online – die näherungsweise bestimmten Werte der Offlineparameter und/oder des Referenzmerkmals beeinflussen. Infolgedessen kann vorteilhafterweise auch online mittels der Onlineparameter jegliche die Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches verändernden Einflussparameter zur dynamischen Anpassung des Analysebereiches herangezogen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Referenzmerkmal außerhalb des Analysebereiches befindet, stark reduziert werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn der Analysebereich in Abhängigkeit zumindest eines die Näherungsposition der Bahn im Erfassungsbereich bestimmenden und/oder beeinflussenden Parameters angepasst wird. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Anpassung des Analysebereiches in Abhängigkeit der offline ermittelten und/oder der abgespeicherten Geometriedaten des Referenzwerkstücks erfolgt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die dynamische Anpassung des Analysebereiches in Abhängigkeit von Bahn-Positionsdaten, insbesondere der Näherungsposition, der Soll-Position und/oder der nachgeregelten Bahnposition, erfolgt. Durch eine derartige dynamische Anpassung des Analysebereiches in Abhängigkeit der offline näherungsweise bestimmten und/oder der online mittels der Nachregelung korrigierten Bahn-Positionsdaten kann die Genauigkeit der zu erwartenden Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches zur tatsächlichen Position des Referenzmerkmals sehr gut angenähert werden. Hierdurch kann die Abweichung von der näherungsweise bestimmten, insbesondere berechneten, Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches im Vergleich zu dessen unbekannter tatsächlichen Position reduziert werden.
Auch kann die Genauigkeit der dynamischen Anpassung des Analysebereiches verbessert werden, wenn die dynamische Anpassung des Analysebereiches in Abhängigkeit der aktuellen und/oder der innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zu erwartenden Position und/oder Orientierung des Manipulators und/oder des Strahlleitsystems, insbesondere zumindest eines Spiegels, erfolgt. Da die überlagerten Bewegungen des Manipulators und des Strahlleitsystems die Position des Referenzmerkmals bzw. der zu schweißenden oder schneidenden Bahn innerhalb des Erfassungsbereiches stark beeinflussen, kann durch eine derartige Berücksichtigung der aktuellen und/oder der zu erwartenden Bewegungsdaten eine sehr genaue und schnelle Anpassung des Analysebereiches erfolgen. Hierdurch kann wiederum das Risiko reduziert werden, dass sich das Referenzmerkmal außerhalb des angepassten Analysebereiches befindet.
Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn die aktuelle und/oder die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zu erwartende Position und/oder Orientierung des Manipulators und/oder des Strahlleitsystems anhand der offline vorbestimmten und/oder abgespeicherten Bewegungsdaten zumindest näherungsweise bestimmt wird und/oder online, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Zeitintervallen, ermittelt wird. Insbesondere zur online Ermittlung der Bewegungsdaten ist es vorteilhaft, wenn das optische Erfassungssystem zum Datenaustausch mit der Manipulator- und/oder der Strahlleitsystemsteuerung verbunden ist.
Zur Erhöhung der Fehlerrobustheit ist es vorteilhaft, wenn innerhalb des Erfassungsbereiches, insbesondere mittels zumindest eines Online- und/oder Offlineparameters, zumindest ein Erwartungsbereich der Position des Referenzmerkmals und/oder der Soll-Position der Bahn bestimmt wird. Der Erwartungsbereich umfasst die näherungsweise bestimmte, zu erwartende Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches. Mittels des Erwartungsbereiches können Ungenauigkeiten bei der näherungsweisen Bestimmung der Position des Referenzmerkmals abgefangen werden. Demnach wird durch die Größe des Erwartungsbereiches ein Fehlertoleranzbereich bestimmt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der, insbesondere als Quadrat, Rechteck und/oder Linie ausgebildete, Analysebereich derart angepasst wird, dass dieser den Erwartungsbereich, insbesondere zentrisch, beinhaltet. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass sich das Referenzmerkmal auch wirklich innerhalb des Analysebereiches befindet. Aus selbigem Grund ist es ferner vorteilhaft, wenn zumindest eine Begrenzungslinie des Analysebereiches orthogonal zu einem Bewegungsvektor der Bahn, der vorzugsweise näherungsweise bestimmt wurde, ausgerichtet wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die Größe, Orientierung und/oder Position des, insbesondere angepassten, Analysebereiches relativ zur aktuellen Laserposition bzw. Prozessortposition ermittelt und/oder gespeichert wird. Hierdurch kann ein zeitlicher und/oder räumlicher Bezug zwischen dem ermittelten Bahnkorrekturwert – d.h. der Abweichung der Näherungsposition von der Soll-Position der Bahn – und den die aktuelle Position des Prozessortes bestimmenden Bewegungsdaten des Manipulators und/oder des Strahlleitsystems hergestellt werden. Infolgedessen kann somit bestimmt werden, wann der im zeitlichen Vorlauf, insbesondere für einen definierten Zeitpunkt und/oder für eine definierte Position des Prozessortes, bestimmte Bahnkorrekturwert einzuregeln ist und/oder eingeregelt sein muss.
Die korrigierte Nachregelung der Bahn kann auf einfache Art und Weise erfolgen, wenn diese orthogonal zur Bahn – insbesondere zu einer Bahntangente und/oder einem Bewegungsvektor der Bahn und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt – erfolgt. Vorzugsweise wird hierbei in zur Bewegungsrichtung des Prozessortes in einer dazu senkrechten Richtung korrigiert. Aufgrund dessen ist es ferner vorteilhaft, wenn der Analysebereich senkrecht zur Bahn angeordnet ist und/oder die Bahnkorrekturwertbestimmung – d.h. die Bestimmung der Abweichung der Erwartungsposition des Referenzmerkmals von dessen tatsächlich über Bildverarbeitung ermittelter Position – senkrecht zur Bahn erfolgt.
Die Schnelligkeit und Erkennungsgenauigkeit kann bei der Analyse des Analysebereiches, insbesondere mittels einer Bildverarbeitung, dadurch erhöht werden, wenn der Analysebereich schräg, insbesondere orthogonal, zum Bewegungsvektor der Bahn analysiert wird. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Analysebereich von einer parallel zum Bewegungsvektor ausgerichteten ersten Begrenzungslinie zu einer dazu gegenüberliegenden zweiten Begrenzungslinie analysiert wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Abstand des Analysebereiches vom Prozessort in Abhängigkeit der offline vorbestimmten und/oder der online ermittelten Vorlaufgeschwindigkeit des Laserstrahls dynamisch angepasst wird.
Demnach kann beispielsweise bei einer sehr schnellen Vorlaufgeschwindigkeit der Abstand des Analysebereiches zum Prozessort erhöht werden, um für die Bildverarbeitung bzw. für die Analyse des Analysebereiches ausreichend viel Zeit zur Verfügung zu haben. Andererseits kann bei niedriger Vorlaufgeschwindigkeit der Abstand des Analysebereiches zum Prozessort reduziert werden, wodurch Ungenauigkeiten bei der Nachregelung der Bahn verringert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Soll-Position der Bahn unmittelbar anhand der Position zumindest eines ersten Referenzmerkmals des Werkstücks bestimmt wird. Hierbei kann das Referenzmerkmals beispielsweise ein Überlappungsstoß zweier miteinander über eine Kehlnaht zu verbindender Bauteile sein, wobei ein oberes Bauteil zumindest teilweise überlappend auf ein unteres Bauteil aufgelegt und die Schweißnaht zwischen wenigstens einer Kantenfläche bzw. Flankenfläche des oberen Bauteils und der angrenzenden Auflagefläche des unteren Bauteils ausgebildet wird. Die Kante zwischen den beiden Bauteilen bildet demnach das Referenzmerkmal, das die unmittelbare Soll-Position der Bahn definiert.
Zusätzlich oder alternativ kann die Soll-Position der Bahn aber auch mittelbar über einen Offset zur Position zumindest eines zweiten Referenzmerkmals des Werkstücks bestimmt werden. So kann beispielsweise die Soll-Position der Bahn in einem bestimmten Abstand zu einer Kante liegen, wobei zunächst das zweite Referenzmerkmals des Werkstücks, nämlich die Kante, ermittelt wird und über den ebenfalls bekannten Offset die Soll-Position der Bahn bestimmt wird. Als erstes und/oder zweites Referenzmerkmal kann jegliches körperliches Merkmal des Werkstücks, insbesondere eine Kannte, eine Ecke, eine Nut, eine Rippe, eine Rundung, ein Befestigungsmittel, eine Fläche, usw., dienen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nimmt das optische Erfassungssystem, insbesondere ein optischer Sensor, den Erfassungsbereich, insbesondere weg- und/oder zeitabhängig, als 2D- und/oder 3D-Bild auf. Der optische Sensor ist vorzugsweise eine 2D- oder 3D-Kamera. Hierdurch kann vorteilhafterweise mittels einer Bildverarbeitungssoftware der Analysebereich zur Identifikation des Referenzmerkmals analysiert werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das optische Erfassungssystem derart mit dem Strahlleitsystem mitgeführt wird, dass sich der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl stets an einer festgelegten, insbesondere zentrischen, Position im Erfassungsbereich befindet.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück mittels eines Lasers. Die Vorrichtung umfasst einen in Abhängigkeit einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn des Laserstrahls programmierbaren Manipulator, insbesondere einen Industrieroboter, ein zum Ablenken des Laserstrahls geeignetes Strahlleitsystem, das zum Datenaustausch mit dem Manipulator verbunden ist, und ein mit dem Strahlleitsystem, insbesondere mit dessen Steuereinrichtung, zum Datenaustausch verbundenes optisches Erfassungssystem. Das optische Erfassungssystem umfasst einen optischen Bildsensor mit einem Erfassungsbereich sowie eine Bildauswerteeinrichtung. Die Bildauswerteeinrichtung des optischen Erfassungssystems ist derart ausgebildet, dass mittels dieser die Position zumindest eines Referenzmerkmals in einem Analysebereich, der einen Teilausschnitt des Erfassungsbereiches bildet, ermittelbar ist. Des Weiteren ist die Bildauswerteeinrichtung derart ausgebildet, dass mittels ihr anhand der ermittelten Position des Referenzmerkmals eine Soll-Position der Bahn bestimmbar, eine zuvor offline festgelegte Näherungsposition der Bahn mit der Soll-Position vergleichbar und bei Positionsabweichungen die Bahn nachregelbar ist. Hierfür korrespondiert das optische Erfassungssystem insbesondere mit einer Steuereinheit des Manipulators und/oder des Strahlleitsystems.
Das optische Erfassungssystem ist derart ausgebildet, dass mittels diesem zur Erhöhung der Fehlerrobustheit die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches innerhalb des Erfassungsbereiches, insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem die Position des Referenzmerkmals innerhalb des Erfassungsbereiches näherungsweise bestimmenden offline Parameters und/oder beeinflussenden Onlineparameters, dynamisch anpassbar ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich das Referenzmerkmal bei einer überlagerten Bewegung des Manipulators und des Strahlleitsystems nicht aus dem Analysebereich bewegt, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Genauigkeitsverbesserung während des Onlinebetriebes erfolgen kann.
Vorteilhaft ist es, wenn die optische Erfassungseinheit, insbesondere deren Bildauswerteeinrichtung, gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das optische Erfassungssystem, insbesondere mittels eines Strahlteilers, in den Strahlengang des Strahlleitsystems eingekoppelt ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Prozessort im Erfassungsbereich stets an der gleichen Position ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Strahlleitsystem ortsfest angeordnet und das Werkstück gegenüber diesem mittels des Manipulators bewegbar. Alternativ ist es ebenso denkbar, dass das Werkstück ortsfest angeordnet ist und das Strahlleitsystem gegenüber diesem mittels des Manipulators bewegbar ist. Das Strahlleitsystem ist demnach an einem bewegbaren Ende, insbesondere einem Roboterarm, des Manipulators angeordnet und lenkt den Laserstrahl über mehrere sich relativ dazu bewegende Spiegel auf das Werkstück ab.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück mittels eines Lasers und
2a–2d eine Draufsicht auf einen Erfassungsbereich eines optischen Erfassungssystems mit einem einen Teilausschnitt bildenden Analysebereich in den unterschiedlichen Phasen seiner dynamischen Anpassung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Manipulator 3, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Industrieroboter ausgebildet ist. Der Industrieroboter weist mehrere Gelenke 4 auf, über die sein freies Ende 5 in eine Vielzahl von Positionen verfahrbar ist. Im Bereich des freien Endes 5 des Manipulators 3 ist ein Strahlleitsystem 6 angeordnet. Das Strahlleitsystem 6 umfasst mehrere in 1 nicht im Detail dargestellte bewegliche und/oder über einen Spiegelantrieb angetriebene Spiegel und/oder Linsen zur gezielten Ablenkung und Fokussierung eines Laserstrahls 7. Der Laserstrahl 7 wird somit durch eine zusätzliche Spiegelbewegung relativ gegenüber dem freien Ende 5 des Manipulators 3 abgelenkt. Die Position des Prozessortes 8 auf dem Werkstück 2 resultiert demnach aus einer überlagerten Bewegung des Manipulators 3 und des Strahlleitsystems 6. Hierbei ist das Strahlleitsystem 6 stets beabstandet zum Werkstück 2 positioniert.
Gemäß 1 wird der Laserstrahl 7 entlang einer zu schneidenden oder schweißenden Bahn 10 geführt, wobei dem Prozessort 8 nachgelagert eine Schweißnaht 11 ausgebildet wird. Die Schweißnaht 11 kann auch zusätzlich oder alternativ mehrere Steppnähte 20a, 20b, 20c umfassen. Alternativ kann die Schweißnaht 11 auch als Trennschnitt ausgebildet sein.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein optisches Erfassungssystem 12. Das optische Erfassungssystem 12 umfasst einen in 1 nicht näher spezifizierten optischen Bildsensor, mittels dem ein Erfassungsbereich 13 optisch erfassbar ist. Das optische Erfassungssystem 12 ist mittels eines in 1 nicht dargestellten Strahlteilers in den Strahlengang des Strahlleitsystems 6 eingekoppelt. Hierdurch befindet sich der Prozessort 8 im Erfassungsbereich 13 stets an der gleichen Position.
Der Erfassungsbereich 13 wird mittels einer in 1 nicht mehr dargestellten Bildauswerteeinrichtung zur Genauigkeitsverbesserung der Schweißnahtpositionierung analysiert. Das optische Erfassungssystem 12 ist zum Datenaustausch mit dem Manipulator 3, insbesondere einer hier nicht dargestellten Robotersteuerung, und dem Strahlleitsystem 6, insbesondere einer hier nicht dargestellten Steuerung des Strahlleitsystems, verbunden.
2a zeigt den vom optischen Erfassungssystem 12 erfassten Erfassungsbereich 13. In dem Erfassungsbereich 13 ist der Prozessort 8 zu erkennen, in dem der Laserstrahl 7 einwirkt. Der Laserstrahl 7 bzw. der Prozessort 8 wird in Abhängigkeit von Bewegungsdaten des Manipulators 3 und des Strahlleitsystems 6 entlang der Bahn 10 geführt. Hierdurch wird die dem Prozessort 8 nachgelagerte Schweißnaht 11 ausgebildet.
Zur Bestimmung der zu schweißenden oder schneidenden Bahn 10 wird vor der Ausführung des Schweiß- oder Schneidprozesses (offline) eine Näherungsposition 14 der Bahn 10 festgelegt. Zur Bestimmung der Näherungsposition 14 der Bahn werden Geometriedaten eines hier nicht dargestellten Referenzwerkstücks herangezogen. Diese Geometriedaten können CAD-basiert sein oder aber auch durch das Vermessen des Referenzwerkstücks ermittelt werden. Ferner ist auch eine Teach-In-Programmierung denkbar. In Abhängigkeit dieser Geometriedaten kann die Näherungsposition 14 der Bahn festgelegt werden. Anhand der Näherungsposition 14 der Bahn können wiederum die Bewegungsdaten des Manipulators 3 und des Strahlleitsystems 6 näherungsweise bestimmt werden.
Da jedoch die Geometriedaten des nun tatsächlich zu schweißenden oder schneidenden Werkstücks 3, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, von den Geometriedaten des hier nicht dargestellten Referenzwerkstücks abweichen können, kann die Näherungsposition 14 der Bahn sowie die offline näherungsweise bestimmten Bewegungsdaten des Manipulators 3 und des Strahlleitsystems 6 nicht exakt genug sein. Aufgrund dessen weist der Erfassungsbereich 13 einen Analysebereich 15 auf. Um die Auswertegeschwindigkeit zu erhöhen, stellt der Analysebereich 15 nur einen Teilausschnitt des Erfassungsbereiches 13 dar. Hierdurch müssen nur die Pixel oder Messwerte in dem Analysebereich 15 analysiert werden.
Der Analysebereich 15 ist in Bezug auf die zu schweißende Bahn 10 dem Prozessort 8 vorgelagert. Durch die hier nicht dargestellte Bildauswerteeinrichtung wird der Analysebereich 15, wie nachfolgend näher erläutert, derart analysiert, dass mittels der hieraus gewonnenen Ergebnisse die offline vorbestimmten Bewegungsdaten des Strahlleitsystems 6 und/oder des Manipulators 3 derart anpassbar sind, dass sich die Schweißnaht 11 exakt an der gewünschten Idealposition befindet.
Aufgrund der überlagerten Bewegungen des Manipulators 3 und des Strahlleitsystems 6 war die Anwendung eines vorlaufenden pixelreduzierten Analysebereiches 15 bislang problematisch, da sich die Position der Bahn 10 aufgrund der zusätzlichen Relativablenkung durch das Strahlleitsystem 6 innerhalb des Erfassungsbereiches 13 derart verändert, dass es aus einem statisch ausgebildeten Analysebereich 15 stets herausrutschen würde.
Zur Vermeidung dieses Fehlers bzw. zur Erhöhung der Fehlerrobustheit des Systems wird deshalb mittels des optischen Erfassungssystems 12 die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches 15 innerhalb des Erfassungsbereiches 13 dynamisch angepasst. In den 2a und 2d ist der Analysebereich 15 exemplarisch in zwei gegenüber dem Erfassungsbereich 13 unterschiedlichen Positionen sowie Orientierungen dargestellt. Die dynamische Anpassung des Analysebereiches 15 erfolgt anhand von Offlineparametern, die bereits vor Prozessbeginn ermittelt und/oder näherungsweise festgelegt wurden. Des Weiteren erfolgt die Anpassung anhand von Onlineparametern, die während des Prozesses, d.h. online, die Position und/oder Orientierung des Analysebereiches 15 relativ zum Erfassungsbereich 13 beeinflussen.
Um den in 2a in seiner ersten Position und Orientierung dargestellten Analysebereich 15 dynamisch auf seine in 2d dargestellte zweite Position und/oder Orientierung dynamisch anzupassen, wird gemäß 2b innerhalb des Erfassungsbereiches 13 zunächst ein Erwartungsbereich 16 definiert, innerhalb dessen die Position eines Referenzmerkmals 17 vermutet wird. Die Position des Erwartungsbereiches 16 kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem die Position des Referenzmerkmals 17 innerhalb des Erfassungsbereiches 13 näherungsweise bestimmenden Offlineparameters und/oder beeinflussenden Onlineparameters bestimmt werden. Demnach wird zur Positionsfestlegung des Erwartungsbereiches 16 gemäß 2b beispielsweise die Näherungsposition 14 der Bahn verwendet. Die Näherungsposition 14 der Bahn innerhalb des Erfassungsbereiches 13 ist insbesondere von den Geometriedaten des Referenzwerkstücks, und von den offline näherungsweise festgelegten sowie online korrigierten Bewegungsdaten des Manipulators 3 und/oder des Strahlleitsystems 6 abhängig.
Gemäß 2c wird in einem nachfolgenden Schritt die Position und die Orientierung des Analysebereiches 15 derart angepasst, dass dieser den Erwartungsbereich 16, insbesondere zentrisch, beinhaltet. Des Weiteren wird die Orientierung der Analysebereiches 15 in Abhängigkeit eines, insbesondere zu erwartenden, Bewegungsvektor 18 angepasst. Anschließend wird der Analysebereich 15 mittels einer Bildverarbeitungssoftware zur Ermittlung des Referenzmerkmals 17 analysiert.
Das Referenzmerkmal 17 dient dazu gemäß 2d eine Soll-Position 19 der Bahn zu bestimmen. Anschließend wird die Näherungsposition 14 der Bahn mit der Soll-Position 19 der Bahn verglichen und – wie auch bei dem in 2d dargestellten Beispiel – bei Positionsabweichungen die Bahn 10 auf die Soll-Position 19 nachgeregelt. Hierdurch kann die Genauigkeit des Schweißprozesses während des Onlinebetriebes verbessert werden.
Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass eine Verrechnung der gewonnen Bahnkorrekturwerte ohne Wissen um die Sollposition der Bahn und der Erwartungsposition des Referenzmerkmals nicht möglich wäre.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Werkstück
3: Manipulator
4: Gelenke
5: freies Ende
6: Strahlleitsystem
7: Laserstrahl
8: Prozessort
9: Bewegungsvektor
10: Bahn
11: Schweißnaht
12: optisches Erfassungssystem
13: Erfassungsbereich
14: Näherungsposition der Bahn
15: Analysebereich
16: Erwartungsbereich
17: Referenzmerkmal
18: Bewegungsvektor
19: Soll-Position der Bahn

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1099506 B1 [0002]

Claims

Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück (2) mittels eines Lasers, bei welchem ein Laserstrahl (7) in Abhängigkeit von Bewegungsdaten eines Manipulators (3), insbesondere eines Industrieroboters, und eines vom Werkstück (2) beabstandeten Strahlleitsystems (6) entlang einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn (10) geführt wird, wobei zuvor offline eine Näherungsposition (14) der Bahn festgelegt wird, online zur Genauigkeitsverbesserung mittels eines optischen Erfassungssystems (12) zumindest die Position eines Referenzmerkmals (17) des Werkstücks (2) in einem Analysebereich (15), der zur Erhöhung der Auswertungsgeschwindigkeit einen Teilausschnitt eines Erfassungsbereiches (13) des Erfassungssystems (12) bildet, ermittelt wird, anhand der Position des Referenzmerkmals (17) eine Soll-Position (19) der Bahn bestimmt wird, die Näherungsposition (14) mit der Soll-Position (19) der Bahn verglichen wird und die Bahn (10) bei Positionsabweichungen nachgeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Fehlerrobustheit mittels des optischen Erfassungssystems (12) die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches (15) innerhalb des Erfassungsbereiches (13), insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem die Position des Referenzmerkmals (17) innerhalb des Erfassungsbereiches (13) näherungsweise bestimmenden Offlineparameters und/oder beeinflussenden Onlineparameters, dynamisch angepasst wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysebereich (15) in Abhängigkeit von offline ermittelten und/oder abgespeicherten Geometriedaten eines Referenzwerkstücks angepasst wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Anpassung des Analysebereiches (15) in Abhängigkeit von Bahn-Positionsdaten, insbesondere der Näherungsposition (14), der Soll-Position (19) und/oder der nachgeregelten Bahnposition, erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Anpassung des Analysebereiches (15) in Abhängigkeit der aktuellen und/oder der innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zu erwartenden Position und/oder Orientierung des Manipulators (3) und/oder des Strahlleitsystems (6), insbesondere zumindest eines Spiegels, erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle und/oder die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zu erwartende Position und/oder Orientierung des Manipulators (3) und/oder des Strahlleitsystems (6) anhand der offline vorbestimmten und/oder abgespeicherten Bewegungsdaten zumindest näherungsweise bestimmt wird und/oder online, insbesondere kontinuierlich oder in diskreten Zeitintervallen, ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Erfassungsbereiches (13), insbesondere mittels zumindest eines Online- und/oder Offlineparameters, zumindest ein Erwartungsbereich (13) der Position des Referenzmerkmals (17) und/oder der Soll-Position (19) der Bahn bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, insbesondere als Quadrat, Rechteck und/oder Linie ausgebildete, Analysebereich (15) derart angepasst wird, dass dieser den Erwartungsbereich (16), insbesondere zentrisch, beinhaltet und/oder zumindest eine Begrenzungslinie des Analysebereiches (15) orthogonal zu einem Bewegungsvektor (18) der Bahn ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysebereich (15) schräg, insbesondere orthogonal, zum Bewegungsvektor (18) der Bahn analysiert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Analysebereiches (15) vom Prozessort (8) in Abhängigkeit der offline vorbestimmten und/oder der online ermittelten Vorlaufgeschwindigkeit des Laserstrahls (7) dynamisch angepasst wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Position (19) der Bahn unmittelbar anhand der Position zumindest eines ersten Referenzmerkmals (17) des Werkstücks (2) und/oder mittelbar über einen Offset zur Position zumindest eines zweiten Referenzmerkmals des Werkstücks (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem (12), insbesondere ein optischer Sensor, den Erfassungsbereich (13), insbesondere weg- und/oder zeitabhängig, als 2D- und/oder 3D-Bild aufnimmt.
Vorrichtung (1) zum Schweißen oder Schneiden von zumindest einem Werkstück (2) mittels eines Lasers mit einem in Abhängigkeit einer zu schweißenden oder schneidenden Bahn (10) des Laserstrahls programmierbaren Manipulator (3), einem sich zum Ablenken des Laserstrahls geeigneten Strahlleitsystem (6), das zum Datenaustausch mit dem Manipulator (3) verbunden ist, und einem mit dem Strahlleitsystem (6) zum Datenaustausch verbundenen optischen Erfassungssystem (12), das einen optischen Bildsensor mit einem Erfassungsbereich (13) und eine Bildauswerteeinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Position zumindest eines Referenzmerkmals (17) in einem Analysebereich (15), der einen Teilausschnitt des Erfassungsbereiches (13) bildet, ermittelbar, anhand der Position des Referenzmerkmals (17) eine Soll-Position (19) der Bahn bestimmbar, eine zuvor offline festgelegte Näherungsposition (14) der Bahn mit der Soll-Position (19) vergleichbar und bei Positionsabweichungen die Bahn (10) nachregelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem (12) derart ausgebildet ist, dass mittels diesem zur Erhöhung der Fehlerrobustheit die Größe, Position und/oder Orientierung des Analysebereiches (15) innerhalb des Erfassungsbereiches (13), insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem die Position des Referenzmerkmals (17) innerhalb des Erfassungsbereiches (13) näherungsweise bestimmenden Offlineparameters und/oder beeinflussenden Onlineparameters, dynamisch anpassbar ist.
Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem (12) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem (12), insbesondere mittels eines Strahlteilers, in den Strahlengang des Strahlleitsystems (6) eingekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlleitsystem (6) ortsfest angeordnet ist und das Werkstück (2) gegenüber diesem mittels des Manipulators (3) bewegbar ist oder dass das Werkstück (2) ortsfest angeordnet ist und das Strahlleitsystem (6) gegenüber diesem mittels des Manipulators (3) bewegbar ist.