DE102019006705A1

DE102019006705A1 - Verfahren und Anordnung zur Kontrolle von Fügenähten

Info

Publication number: DE102019006705A1
Application number: DE102019006705.3A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: VisionTools Bildanalyse Systeme GmbH
Current assignee: VisionTools Bildanalyse Systeme GmbH
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: DE102019006705B4

Abstract

Beim automatisierten Schweißen und Löten („Fügen“) von Werkstücken ist vielfach eine sofortige Kontrolle der Nahtstelle („Fügenaht“) schon während des Schweißprozesses erwünscht („online Kontrolle“). Dabei gilt es, Fehler wie falsches Volumen der Fügenaht, Unterbrechungen der Fügenaht, Poren und Löcher (z.B. Durchbrand) im Bereich der Fügenaht, falsche Lage der Fügenaht, falsche Form der Fügenaht, Spritzer neben der Fügenaht, Anbindungsfehler und weitere zu erkennen.

Description

Beim automatisierten Schweißen und Löten („Fügen“) von Werkstücken ist vielfach eine sofortige Kontrolle der Nahtstelle („Fügenaht“) schon während des Schweißprozesses erwünscht („online Kontrolle“). Dabei gilt es, Fehler wie falsches Volumen der Fügenaht, Unterbrechungen der Fügenaht, Poren und Löcher (z.B. Durchbrand) im Bereich der Fügenaht, falsche Lage der Fügenaht, falsche Form der Fügenaht, Spritzer neben der Fügenaht, Anbindungsfehler und weitere zu erkennen.
Dabei ist entweder das Bauteil stationär und die Fügeapparatur (z.B. Laserschweißkopf, Schweißdüse, Elektrode oder ähnliches) beweglich, wobei die Fügeapparatur von einem Handhabungssystem (Roboter) gehalten und geführt wird, oder es wird umgekehrt bei feststehender Fügeapparatur das Werkstück von einem Handhabungssystem gehalten und bewegt. In Sonderfällen werden sowohl Werkstück als auch Fügeapparatur von Handhabungssystemen gehalten und bewegt. Zur Kontrolle werden eine oder mehrere Kameras mit angeschlossener oder integrierter Bildverarbeitung verwendet. Bei stationärer Fügeapparatur und beweglichem Werkstück können im Allgemeinen die Kameras in größerer Entfernung von der Fügeapparatur fest installiert werden, hierbei sind naturgemäß die Kameras zur Fügestelle hin, also von außen nach innen, geneigt. Bei stationärem Werkstück und beweglicher Fügeapparatur müssen die Kameras mit der Fügeapparatur mitbewegt werden. Verwendet man dabei nur eine Kamera, muss bei gekrümmten Bahnen entweder die Kamera um die Fügeapparatur herum bewegt werden - oder die Fügeapparatur wird samt Kamera gedreht - oder es werden mehrere Kameras rund um die Fügeapparatur eingesetzt und je nach Situation wird das Bild derjenigen Kamera ausgewertet, in deren Bildfeld sich gerade die Fügenaht befindet.
Nach derzeitigem Stand der Technik werden bei beweglicher Fügeapparatur für eine sichere Darstellung der Fügenaht 3D-Sensoren wie z.B. Triangulationssensoren (Kamera mit Laserbeleuchtungseinheiten siehe z.B. DE102004039410A1 , DE102011104550B4 , ...) oder 2D-Sensoren wie z.B. Kameras mit Leuchtioden (siehe z.B. DE102006018558A1 , ...) eingesetzt, die an oder in der Nähe der Fügeapparatur montiert sind.
Ein Nachteil dieser Lösungen ist, dass die in der Nähe der Fügeapparatur montierten Beleuchtungsmodule aus beleuchtungstechnischen Gründen flächig ausgeführt werden müssen, typischerweise mit einer Vielzahl von Leuchtdioden. Kleine, aktive leuchtende Flächen (Beispiel: einzelne Leuchtdioden) würden schon bei gering glänzenden Oberflächen an nur wenigen Stellen Reflexionspunkte und ansonsten dunkle oder gar schwarze Bilder erzeugen; solche Bilder sind in der Praxis nicht auswertbar.
Beim Einsatz von Triangulationssensoren mit Laserbeleuchtungseinheiten ist eine permanente exakte Nachführung des Sensors erforderlich.
Weiter entsteht beim Fügeprozess (Schweißen) oft auch ein Lichtbogen welcher sich nachteilig auf die Bildaufnahme auswirkt. Die unter anderem dabei entstehenden Reflektionen verursachen Fehlauswertungen. Dieser Effekt wird durch den Einsatz von Kameras mit hohem Dynamikbereich (HDR-Kameras) zwar minimiert aber nur unzureichend ausgeglichen.
Nach DE 101 50 633 C5 wird zur Qualitätskontrolle einer Schweißlinse Wärmefluss-Thermographie eingesetzt, unter Einsatz eines ggf. wiederholten Anregungspulses. Die o.g. Nachteile der Verwendung einer speziellen Lichtquelle gelten hier entsprechend; außerdem ist mit der Anordnung nicht die Online-Kontrolle einer längeren Schweißnaht möglich.
Eine Anordnung zur Wärmefluss-Thermographie mit in unmittelbarer Nähe der Fügeapparatur montiertem Wärmesensor wird in EP 1 944 119 B1 beschrieben. Hierzu wird ein Lochkollimator verwendet, bestehend aus neben der Fügestelle, linear quer zur Naht (2) oder zirkular um die Fügestelle herum (3) angeordneten Röhrchen, wobei sich hinter jedem der Röhrchen ein Wärmesensor befindet. Zweck dieser Maßnahmen ist, Störungen durch den Lichtbogen und Schweißspritzer zu vermeiden. Nachteil ist der sehr spezielle technische Aufwand mit einzelnen, speziell angeordneten Wärmesensoren, die dadurch bedingte geringe Ortsauflösung, sowie die linienförmige, nichtflächige Auswertung.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst nach den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Demgemäß soll auf eine an oder in der Nähe der Fügeapparatur montierte Beleuchtung völlig oder weitestgehend verzichtet werden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass, ohne Zusatzbeleuchtung, das unterschiedliche Wärmestrahlungsverhalten von Fügenaht oder von Fügenaht und Werkstück ausgewertet wird.
Beim Einbringen der Fügenaht (Fertigungsprozesses „Schweißen“) wird diese schnell erwärmt, das Werkstück dagegen absorbiert die entstandene Wärme erst langsam. Es entsteht ein Temperaturunterschied zwischen Fügenaht und Werkstück, aufgrund dessen Ort und Form der Fügenaht mittels Wärmebildkamera dargestellt werden kann.
Es werden bevorzugt mehrere Wärmebildkameras rund um die Fügeapparatur herum montiert, in direkter Nähe der Fügeapparatur, wobei die Kameras vorteilhaft nach außen geneigt sind, bevorzugt mindestens 5 Grad. Dadurch kann am Werkstück ein großer Sichtbereich abgedeckt werden, ohne dass größere Aufbauten in Nähe der Fügeapparatur den Auftragsprozess bei komplizierter Werkstückgeometrie behindern.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die durch die ansonsten für die Kontrolle der Fügenaht-Geometrie notwendige großflächige Anordnung von Kameras und Beleuchtungseinrichtung verbundenen Nachteile vermieden. Dadurch, dass die Kameras platzsparend direkt neben der oder direkt um die Fügeapparatur montiert werden, und durch den Wegfall einer Beleuchtungseinrichtung, wird die Kontrolle auch an Engstellen ermöglicht. Durch im Gegensatz zu bekannter Technik nach außen gerichteten Kameras wird dennoch auf dem Werkstück ein großer Auswertebereich erreicht. Schon mit zwei Kameras kann eine Rundum Abdeckung erreicht werden, bevorzugt werden mindestens drei Kameras verwendet.
Ein weiterer Vorteil ist natürlich der verringerte technische Aufwand durch das Wegfallen der Beleuchtungseinrichtung.
Ein weiterer Vorteil ist die große Toleranz und Unabhängigkeit gegenüber Anlauf- und Anlassfarben sowie auch Schmauch und Rußbildung am Werkstück oder der Fügenaht.
Ein weiterer Vorteil durch die Neigung der Sensoren von innen nach außen ist die erhebliche Unempfindlichkeit gegenüber Schweißspritzern die sich ja vornehmlich von innen nach außen bewegen. Eine vollständige Unempfindlichkeit gegenüber Schweißspritzern und dem Lichtbogen wird dabei durch den Einsatz einer verlängerten Blende (z.B. Tubus) erreicht. Aufwendungen zum Schutz der Sensoren wie z.B. in EP 1 944 119 B1 beschrieben werden dadurch vermieden.
Um das Volumen zu kontrollieren, wird erfindungsgemäß der Abkühlvorgang der Fügenaht nach dem Fügen ausgewertet: Bei kleinem Volumen ist die eingebrachte Energie kleiner und Abkühlung schneller als bei großem Volumen.
Anbindungsfehler (Schweißnaht ist nur an einem Teil des Werkstückes angebunden) werden durch das Abkühlverhalten der Naht sowie eine fehlende Erwärmung des nicht angebundenen Werkstückes erkannt Um die Fügenaht auf Poren und Lunker zu kontrollieren, wird das Abkühlverhalten der Fügenaht betrachtet. An Stellen mit Poren oder Lunkern ist die Oberfläche der Naht vergrößert und der Abkühlvorgang ändert sich. Die Naht kühlt schneller aus.
Die Betrachtung des zeitlichen Temperaturverhaltens (z.B. der Abkühlvorgang der Fügenaht) erfolgt wahlweise durch die Betrachtung eines einzelnen Bildes kurz nach dem Auftrag oder einer Folge von zwei oder mehreren Bildern (Bildsequenz).
Bei unsicherer Positionierung des Werkstücks kann es erforderlich sein, zusätzlich eine falsche Positionierung der Fügenaht relativ zum Werkstück zu erkennen. Hierzu sind Merkmale wie Löcher im Werkstück oder Werkstückkanten zu vermessen. Diese Messungen können nicht in allen Fällen mittels Temperaturunterschieden erkannt werden, jedoch genügt für diese Aufgabe eine Kontrolle an nur ganz wenigen Stellen und auch nur mit einem sehr kleinen Sichtbereich, in einer gewissen Entfernung von der Fügenaht. Damit wird es andererseits ausreichend, für diese nur punktuell zu realisierende Aufgabe eine kleine, zusätzliche Beleuchtung, zu verwenden und bevorzugt auch nur eine zusätzliche Kamera. Diese Zusatzeinrichtung mit Kamera und Beleuchtung nimmt nur wenig Raum ein und befindet sich nur auf einer Seite. Falls in Einzelfällen die Zusatzeinrichtung dennoch hinderlich sein sollte, kann dies einfach durch Drehen derart, dass sich die Zusatzeinrichtung in oder gegen Fahrtrichtung befindet, vermieden werden.
1 zeigt die grundsätzliche Anordnung mit Werkstücken 1a und 1b, zwischen denen die Fügenaht 2 mittels einer Fügeapparatur 3 aufgebracht wird. Es sind rund um die Fügeapparatur drei Wärmebildkameras 5 (5a, 5b, 5c) montiert, die alle nah an der Fügeapparatur angebracht und nach außen geneigt sind. Für Kamera 5a ist der Auswertebereich 6a, schematisch vereinfachend als Ellipse eingezeichnet.
Die Fügenaht entsteht natürlich in Fahrtrichtung gesehen hinter der Fügeapparatur; 1 und die nachfolgenden Figuren machen keinen Unterschied in der Fahrtrichtung entlang der Fügenaht, daher ist die Fügenaht immer durchgehend gezeichnet.
2 zeigt zusätzlich beispielhaft ein Loch 7 als Merkmal zum Lokalisieren der Fügenaht relativ zum Werkstück. Die Kante dieses Lochs wird mit einer Zusatzkamera 8 in ihrem Auswertebereich 8b erfasst. Dieser Auswertebereich wird mittels Beleuchtungseinheit 9 beleuchtet, vereinfachend mit nur zwei Lampensymbolen gezeichnet.
3 zeigt in Draufsicht die Anordnung der Zusatzeinrichtung mit Kamera 8 und Beleuchtung 9, wiederum vereinfachend mit zwei Lampensymbolen gezeichnet. Die Zusatzeinrichtung befindet sich zwischen zwei Wärmebildkameras. Mit dieser Anordnung wird ein sehr kompakter Gesamtaufbau erreicht.
4a zeigt in Draufsicht die Kontrolle der Werkstückposition relativ zur Fügenahtposition anhand der Position eines Loch-Merkmals 7. Das Loch-Merkmal befindet sich hier in größerer Entfernung von der Fügenaht 2, daher wird das Lochmerkmal zur Vermessung extra angefahren. Obwohl die Relativposition der Fügeapparatur zum Werkstück nicht genau bekannt ist wohl aber die Relativbewegung, kann bei der nachfolgenden und/oder vorherigen Fügenahtkontrolle, siehe 4b, auch die Position der Fügenaht relativ zum Werkstück bestimmt werden. 4b zeigt zusätzlich eine bevorzugte Drehlage der Anordnung, wenn sich die Fügenaht an einer Engstelle befindet:

Die Zusatzeinrichtung ist hier in der Regel außer Betrieb, sie kann dann in eine beliebige Drehlage gedreht sein. Wenn sich die Zusatzeinrichtung in oder gegen Fahrtrichtung befindet, ist an Engstellen sehr unwahrscheinlich, dass die Zusatzeinrichtung Störkanten bildet.

Die 5a und 5b zeigen dieselben Situationen wie 4a bzw. 4b, nur mit dem Unterschied, dass sich hier das Loch-Merkmal 7 so nah an der Fügenaht 2 befindet, dass das Lochmerkmal ohne eine extra Anfahrbewegung vermessen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004039410 A1 [0003]
DE 102011104550 B4 [0003]
DE 102006018558 A1 [0003]
DE 10150633 C5 [0007]
EP 1944119 B1 [0008, 0017]

Claims

Verfahren zur online Kontrolle von Fügenähten (2) auf einem Werkstück (1) mit einer oder mehreren Kameras (5), gekennzeichnet dadurch, dass mit Wärmebildkameras (5) das unterschiedliche Abstrahlverhalten von Werkstück und Fügenaht bildhaft erfasst und die mittels an oder in der Nähe der Fügeapparatur (3) montierten Kameras (5) entstehenden Bilder mittels Bildanalysealgorithmen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Kontrolle der Anbindung der Fügenaht an das Werkstück die Temperaturanpassung zwischen Fügenaht und dem Werkstück nach dem Fügeprozess an einem Bild ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei hier zwei oder mehrere Bilder ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Kontrolle des Volumens die Temperaturanpassung der Fügenaht an das Werkstück oder die Umgebung nach dem Auftrag an einem Bild ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei hier zwei oder mehrere Bilder ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Kontrolle auf Poren und Lunker das lokale Abkühlverhalten der Fügenaht an die Umgebung nach dem Auftrag an einem Bild ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei hier zwei oder mehrere Bilder ausgewertet werden.
Anordnung zur Realisierung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mehrere Wärmebildkameras, die rund um die Fügeapparatur positioniert sind und nach außen geneigt sind.
Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Kamera (8), die im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeiten kann und durch eine flächige, in dem Wellenlängenbereich dieser Kamera wirkende Beleuchtung (9).
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zusätzliche Kamera nah an der Fügeapparatur (3) zwischen zwei Wärmebildkameras (5) befindet.