DE102020131980A1

DE102020131980A1 - Prüfverfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases

Info

Publication number: DE102020131980A1
Application number: DE102020131980.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Moll
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Überwachung eines Verschmutzungsgrads und/oder eines Beschädigungszustands eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases (3), durch das hindurch ein im Laserbearbeitungskopf (1) fokussierter und gelenkter Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet ist, wobei die dem Werkstück zugewandte Schutzglas-Oberfläche (5) während der Laserbearbeitung einer Verunreinigung und/oder einer Beschädigung ausgesetzt ist, wobei im Prüfverfahren die Schutzglas-Oberfläche (5) mittels einer Beleuchtungseinrichtung (9) beleuchtet wird und mittels einer Kameraeinrichtung (7) optisch erfasst wird, und wobei in einer Prüfeinrichtung (2) auf der Grundlage der von der Kameraeinrichtung (7) generierten Bilddaten der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird mittels der Kameraeinrichtung (7) und der Beleuchtungseinrichtung (9) von der Schutzglas-Oberfläche (5) zumindest ein Schattenbild (S1 bis S4) erzeugt, aus dessen Bilddaten die Prüfeinrichtung (2) eine Ist-Topographie (Tist) der Schutzglas-Oberfläche (5) ermittelt, anhand der der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Überwachung eines Verschmutzungsgrads und/oder eines Beschädigungszustands eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Prüfvorrichtung gemäß dem Anspruch 10.
In der Fahrzeug-Großserienfertigung kann eine Laserbearbeitung mit Hilfe eines am distalen Ende eines Roboterarms befestigten Laserbearbeitungskopfes erfolgen. Der Laserbearbeitungskopf weist eine Laseroptik auf, mittels der ein Laserstrahl fokussiert und gelenkt wird. Zum Schutz der Laseroptik ist der Laserbearbeitungskopf mit einem Schutzglas ausgestatten, durch das hindurch der im Laserbearbeitungskopf fokussierte und gelenkte Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet ist. Während der Laserbearbeitung kann die Schutzglas-Oberfläche durch Prozessemissionen, wie zum Beispiel Spritzer oder Schmauch, verunreinigt oder beschädigt werden. Dadurch verringert sich die für die Laserbearbeitung zur Verfügung stehende Laserleistung. Zudem können an der Schutzglas-Oberfläche anhaftende Spritzer den Laserstrahl ablenken und/oder streuen. Außerdem kann das Schutzglas durch auftreffende Spritzer beschädigt werden. Das Schutzglas muss daher als ein Verschleißteil regelmäßig gereinigt und/oder ausgetauscht werden.
Im Stand der Technik wird der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand des Schutzglases durch eine Leistungsmessung ermittelt. Bei sogenannten Scanneroptiken wird bei der Leistungsmessung - bedingt durch die Größe des Schutzglases - nur ein kleiner Teil des gesamten Schutzglases geprüft. Schweißspritzer, die sich außermittig auf dem Schutzglas befinden, bleiben unbemerkt, obwohl diese zum Beispiel für Schweißnähte mit spezifischer Strahlauslenkung relevant sein können.
Demgegenüber ist aus der DE 10 2014 203 798 B4 ein gattungsgemäßes Prüfverfahren bekannt, bei dem keine Leistungsmessung durchgeführt wird, sondern vielmehr die Schutzglas-Oberfläche mittels einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird und die beleuchtete Schutzglas-Oberfläche über eine Kameraeinrichtung optisch erfasst wird. Auf der Grundlage der von der Kameraeinrichtung generierten Bilddaten bestimmt eine Prüfeinrichtung den Verschmutzungsgrad und/oder den Beschädigungszustand der Schutzglas-Oberfläche.
In dem gattungsgemäßen Prüfverfahren kann es zu Direktreflexionen auf der zu prüfenden Schutzglas-Oberfläche kommen. Zudem kann das zur Beleuchtung bereitgestellte Licht durch das Schutzglas bis in das Innere des Laserbearbeitungskopfes eintreten, so dass es zu einer Direktreflexion an den inhomogenen Laseroptik-Konturen kommt. Derartige Direktreflexionen bilden Störgrößen, die die kameragestützte Bilderfassung beeinträchtigen.
Aus der DE 10 2013 226 961 A1 ist eine Vorrichtung zur automatischen, rechnergestützten Überwachung von Laserstrahloptiken und deren Werkzeugen bekannt. Aus der DE 10 2004 062 461 A1 ist eine Kombination von Schattierungs- und Polarisationsmerkmalen zur bildgestützten Oberflächenrekonstruktion bekannt. Aus der US 2011/0026016 A1 ist eine Laserschweiß-Prüfvorrichtung bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren sowie eine Prüfvorrichtung bereitzustellen, bei der der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand des Laserbearbeitungskopf-Schutzglases im Vergleich zum Stand der Technik mit größerer Genauigkeit durchführbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird mit Hilfe der Kameraeinrichtung und der Beleuchtungseinrichtung von der Schutzglas-Oberfläche zumindest ein Schattenbild erzeugt. Aus dessen Bilddaten ermittelt die Prüfeinrichtung eine Ist-Topographie der Schutzglas-Oberfläche. Anhand der Ist-Topographie der Schutzglas-Oberfläche bestimmt die Prüfeinrichtung den Verschmutzungsgrad und/oder den Beschädigungszustand der Schutzglas-Oberfläche.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann daher der Verschmutzungsgrad bzw. der Beschädigungszustand des Schutzglases nach Art eines shape-from-shading-Prozesses überwacht werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die Prüfeinrichtung Höhen- und Tiefeninformationen von Erhebungen und Vertiefungen in der Schutzglas-Oberfläche erfassen. Auf der Grundlage dieser Höhen- und Tiefeninformationen kann die Prüfeinheit prozesstechnisch sicher den Verschmutzungsgrad und/oder den Beschädigungszustand der Schutzglas-Oberfläche bestimmen.
In einer technischen Umsetzung kann die Prüfeinrichtung eine Signalverarbeitungseinheit aufweisen, die auf der Grundlage der Bilddaten der Kameraeinrichtung mit Hilfe eines shape-from-shading-Algorithmus die Ist-Topographie der Schutzglas-Oberfläche ermittelt. Zudem kann die Prüfeinrichtung eine Auswerteeinheit aufweisen, in der die Ist-Topographie mit einer, in der Prüfeinrichtung hinterlegten Soll-Topographie des Schutzglases verglichen wird. Auf der Grundlage dieses Vergleiches wird der Verschmutzungsgrad und/oder Beschädigungszustand bestimmt.
Im Gegensatz zu einer gängigen Leistungsmessung kann erfindungsgemäß bei der optischen Erfassung und Auswertung die gesamte, gegenüber dem Werkstück freigelegte Schutzglas-Oberfläche geprüft werden.
Für eine möglichst aussagekräftige Bildauswertung ist es von Bedeutung, dass die optische Erfassung der Schutzglas-Oberfläche weitgehend ohne Störgrößen erfolgt, das heißt weitgehend ohne Direktreflexionen des von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichts auf der Schutzglas-Oberfläche bzw. auf den inhomogenen Laseroptik-Konturen innerhalb des Laserbearbeitungskopfes. Vor diesem Hintergrund kann erfindungsgemäß der Sachverhalt genutzt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit des Schutzglases in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Im Hinblick auf eine möglichst störgrößenfreie optische Erfassung ist es daher von Vorteil, wenn die Beleuchtung des Schutzglases mit einem Licht erfolgt, bei dem die Schutzglas-Lichtdurchlässigkeit gering ist oder keine Lichtdurchlässigkeit vorliegt. In diesem Fall können Direktreflexionen auf dem Glas bzw. auf den inhomogenen Laseroptik-Störkonturen, die die Aussagekraft des von der Kameraeinrichtung erfassten Schattenbilds beeinträchtigen, zumindest reduziert werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von kurzwelligem Licht, insbesondere blauem Licht, in einem Wellenlängenbereich von 380 bis 600 nm, insbesondere 470 nm, erwiesen.
Im Hinblick auf eine möglichst aussagekräftige Bildauswertung ist es bevorzugt, wenn bei der durch die Kameraeinrichtung erfolgenden optischen Erfassung zumindest zwei, insbesondere vier Schattenbilder zeitlich hintereinander erfasst werden. Für jedes Schattenbild wird die Schutzglas-Oberfläche mittels der Beleuchtungseinrichtung in einer anderen Beleuchtungsrichtung beleuchtet. Somit ist jedem Schattenbild eine jeweils unterschiedliche Beleuchtungsrichtung zugeordnet. In jedem Schattenbild ist daher die Verunreinigung und/oder Beschädigung in unterschiedlicher Schattierung gezeigt.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann die Beleuchtungseinrichtung für die Erfassung jedes der Schattenbilder jeweils eine separate Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquellen sind voneinander räumlich beabstandet, um unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen bereitzustellen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben, bei der in einem schematischen Blockschaltdiagramm der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung hervorgeht.
In der Figur ist ein Laserbearbeitungskopf 1 mit einer zugeordneten Prüfvorrichtung 2 angedeutet, in der ein Verschmutzungsgrad und/oder ein Beschädigungszustand eines Schutzglases 3 des Laserbearbeitungskopfes 1 bestimmt wird. Der Laserbearbeitungskopf 1 kann an einem nicht gezeigten Roboterarm befestigt sein. Innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 1 befindet sich eine nicht gezeigte Laseroptik, die einen Laserstrahl fokussiert und umlenkt. Während der Laserbearbeitung wird der Laserstrahl durch das Schutzglas 3 auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet. Die dem Werkstück zugewandte Schutzglas-Oberfläche 5 ist während des Bearbeitungsprozesses einer Verunreinigung und/oder einer Beschädigung ausgesetzt. Von daher wird in regelmäßigen Zeitabständen mittels der Prüfvorrichtung 2 der aktuelle Verschmutzungsgrad und/oder Beschädigungszustand des Schutzglases 3 bestimmt.
Gemäß der Figur weist die Prüfvorrichtung 2 eine Kameraeinrichtung 7 und eine Beleuchtungseinrichtung 9 mit insgesamt vier voneinander separaten, räumlich getrennten Lichtquellen 11 auf, die bei der optischen Erfassung der Schutzglas-Oberfläche von der Prüfeinheit 2 angesteuert werden. Die Kameraeinrichtung 7 ist in der Figur in Signalverbindung mit einer Signalverarbeitungseinheit 13, in der die von der Kameraeinrichtung 7 generierten Bilddaten zu einer Ist-Topographie Tist der Schutzglas-Oberfläche 5 verarbeitet werden. Die Ist-Topographie T_ist der Schutzglas-Oberfläche 5 wird in einer Auswerteeinheit 15 mit einer, in der Prüfeinrichtung 2 hinterlegten Soll-Topographie T_soll verglichen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs bestimmt die Auswerteeinheit 15, ob das Schutzglas noch einsatzfähig ist („iO“) oder ob das Schutzglas 3 zu reinigen oder auszutauschen ist („niO“).
Bei der durch die Kameraeinrichtung 7 erfolgenden optischen Erfassung der Schutzglas-Oberfläche werden insgesamt vier Schattenbilder S1 bis S4 zeitlich hintereinander aufgenommen. Für jedes der Schattenbilder S1 bis S4 wird die Schutzglas-Oberfläche 5 mittels einer anderen Lichtquelle 11 beleuchtet. Von daher ist jedem Schattenbild S1 bis S4 eine jeweils unterschiedliche Beleuchtungsrichtung r₁ bis r₄ zugeordnet, so dass in dem Schattenbild S1 bis S4 die Verunreinigung und/oder Beschädigung in unterschiedlicher Schattierung gezeigt ist. Die Beleuchtungsrichtungen r₁ bis r₄ der Lichtquellen 11 sind so gewählt, dass aussagekräftige Schattenbilder S1 bis S4 erzeugt werden können.
Die vier Schattenbilder S1 bis S4 werden in der Signalverarbeitungseinheit 13 nach Art eines shape-from-shading-Verfahrens einander überlagert, woraus die Ist-Topographie T_ist bestimmt wird, die zur Auswerteeinheit 15 weitergeleitet wird. In der Auswerteeinheit 15 werden insbesondere anhand von Höhen- und Tiefeninformationen aus der Ist-Topographie T_ist der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand der Schutzglas-Oberfläche 5 untersucht.
Erfindungsgemäß wird der Sachverhalt genutzt, dass die Lichtdurchlässigkeit des Schutzglases 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Vor diesem Hintergrund erfolgt die Beleuchtung des Schutzglases 3 mit Licht, bei dem die Schutzglas-Lichtdurchlässigkeit gering ist oder überhaupt keine Lichtdurchlässigkeit vorliegt. Dadurch können Direktreflexionen auf der Schutzglas-Oberfläche 5 bzw. auf den Laseroptik-Konturen innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 1, die bei der Bildauswertung als Störeinflüsse wirken, reduziert oder sogar ausgeschlossen werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserbearbeitungskopf
2: Prüfeinheit
3: Schutzglas
5: Schutzglas-Oberfläche
7: Kameraeinrichtung
9: Beleuchtungseinrichtung
11: Lichtquellen
13: Signalverarbeitungseinheit
15: Auswerteeinheit
Tist: Ist-Topographie der Schutzglas-Oberfläche 5
Tsoll: Soll-Topographie der Schutzglas-Oberfläche 5
r1 bis r4: Beleuchtungsrichtungen
S1 bis S4: Schattenbilder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203798 B4 [0004]
DE 102013226961 A1 [0006]
DE 102004062461 A1 [0006]
US 2011/0026016 A1 [0006]

Claims

Prüfverfahren zur Überwachung eines Verschmutzungsgrads und/oder eines Beschädigungszustands eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases (3), durch das hindurch ein im Laserbearbeitungskopf (1) fokussierter und gelenkter Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet ist, wobei die dem Werkstück zugewandte Schutzglas-Oberfläche (5) während der Laserbearbeitung einer Verunreinigung und/oder einer Beschädigung ausgesetzt ist, wobei im Prüfverfahren die Schutzglas-Oberfläche (5) mittels einer Beleuchtungseinrichtung (9) beleuchtet wird und mittels einer Kameraeinrichtung (7) optisch erfasst wird, und wobei in einer Prüfeinrichtung (2) auf der Grundlage der von der Kameraeinrichtung (7) generierten Bilddaten der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kameraeinrichtung (7) und der Beleuchtungseinrichtung (9) von der Schutzglas-Oberfläche (5) zumindest ein Schattenbild (S1 bis S4) erzeugt wird, aus dessen Bilddaten die Prüfeinrichtung (2) eine Ist-Topographie (T_ist) der Schutzglas-Oberfläche (5) ermittelt, anhand der der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand bestimmt wird.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (2) aus der Ist-Topographie (T_ist) der Schutzglas-Oberfläche (5) Höhen- und Tiefeninformationen von auf der Schutzglas-Oberfläche (5) befindlichen Erhebungen und Vertiefungen erhält, und dass die Prüfeinrichtung (2) anhand der Höhen- und Tiefeninformationen den Verschmutzungsgrad und/oder den Beschädigungszustand der Schutzglas-Oberfläche (5) bestimmt.
Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (2) eine Signalverarbeitungseinheit (13) aufweist, die auf der Grundlage der Bilddaten der Kameraeinrichtung (7) mittels eines shape-from-shading-Algorithmus die Ist-Topographie (T_ist) der Schutzglas-Oberfläche (5) ermittelt.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (2) eine Auswerteeinheit (15) aufweist, in der die Ist-Topographie (T_ist) mit einer in der Prüfeinrichtung (2) hinterlegten Soll-Topographie (T_soll) des Schutzglases (3) verglichen wird, und dass auf der Grundlage dieses Vergleiches der Verschmutzungsgrad und/oder der Beschädigungszustand bestimmt wird.
Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Erfassung und Auswertung die gesamte, gegenüber dem Werkstück freigelegte Schutzglas-Oberfläche (5) geprüft wird.
Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdurchlässigkeit des Schutzglases (3) in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts unterschiedlich stark ausgeprägt ist, und/oder dass die Beleuchtungseinrichtung (9) das Schutzglas (3) mit einem Licht beleuchtet, bei dem die Lichtdurchlässigkeit des Schutzglases (3) gering ist oder keine Lichtdurchlässigkeit vorliegt.
Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (9) die Schutzglas-Oberfläche (5) mit kurzwelligem Licht, insbesondere blauem Licht, in einem Wellenlängenbereich von 380 bis 600 nm, insbesondere 470 nm, beleuchtet.
Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der durch die Kameraeinrichtung (7) erfolgenden optischen Erfassung zumindest zwei, insbesondere vier Schattenbilder (S1 bis S4) zeitlich hintereinander erfasst werden, und dass für jedes Schattenbild (S1 bis S4) die Schutzglas-Oberfläche (5) mittels der Beleuchtungseinrichtung (9) in einer anderen Beleuchtungsrichtung (r₁ bis r₄) beleuchtet wird, so dass insbesondere in jedem Schattenbild (S1 bis S4) die Ist-Topographie (T_ist) der Schutzglas-Oberfläche (5) in unterschiedlicher Schattierung gezeigt ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (9) voneinander separate Lichtquellen (11) aufweist, und dass die Lichtquellen (11) zur Bereitstellung unterschiedlicher Beleuchtungsrichtungen (r₁ bis r₄) voneinander räumlich beabstandet sind.
Prüfvorrichtung zur Durchführung eines Prüfverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.