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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Schweißen
oder Schneiden von ein oder mehreren Werkstücken entlang einer vorgegebenen
Bahn mittels eines Laserstrahls und mit den Merkmalen im Oberbegriff
des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.
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Die DE-198 52 302 A1 zeigt ein Laserschweißverfahren
nebst Vorrichtung. Die Schweißvorrichtung
besitzt einen Laserkopf, der einen Laserstrahl mit konstanter Ausrichtung
und Orientierung emittiert, wobei das Werkstück relativ zum stationären Laserkopf
bewegt wird. Über
einen Lochspiegel im Strahlengang des Laserstrahls ist ein Detektor, z.B.
eine CCD- oder CMOS-Kamera angeordnet, die das vom Bearbeitungsort
reflektierte Laserlicht aufnimmt und auswertet. Der Detektor besitzt
ein vergrößertes Beobachtungs-
oder Gesichtsfeld, mit dem sowohl der Prozessort selbst, wie auch
dessen weitere Umgebung, z.B. die zu verfolgende Bahn und auch die
gebildete Schweißnaht,
beobachtet werden können.
Hierbei ist auch eine ringförmig
den Laserstrahl umgebende Fremdlichtquelle vorhanden, die einen
Lichtkreis auf dem Werkstück
abbildet, welcher vom gleichen Detektor als Bild aufgenommen und unter
Triangulation ausgewertet wird. Bei Verwendung einer CMOS-Kamera
sollen sowohl der Bearbeitungsort mit dem Keyhole und der Dampfkapillare, wie
auch der umgebende Lichtkreis ohne Einschränkungen gemeinsam in einem
Bild erfasst und ausgewertet werden können. Dies soll dank des hohen
Dynamikbereichs einer CMOS-Kamera möglich sein. Bei einer CCD-Kamera
mit einem geringeren Dynamikbereich wird ein optisches Filtersystem
fest vorgeschaltet, welches für
jeden Beobachtungsbereich vorbestimmte Eigenschaften haben soll.
Auch hier werden Prozessort und Umgebung in einem Bild gleichzeitig
aufgenommen und ausgewertet. In der Praxis hat sich gezeigt, dass
dies nicht zu den gewünschten
Ergebnissen führt.
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Aus der
DE 197 16 293 C2 ist eine
Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen bekannt,
wobei eine außerhalb
des Strahlengangs vom Laserstrahl und extern neben dem Laserkopf
angeordnete CCD-Kamera eingesetzt wird. Sie ist auf das Schmelzbad
gerichtet und dient zur Aufnahme der Badgeometrie anhand der vom Schmelzbad
ausgesandten Wärmestrahlung. Änderungen
der Fokuslage führen
zu einer Änderung
der Badgeometrie. Die CCD-Kamera beobachtet nur den Prozessort und
das Schmelzbad, wobei zur Kontrasterhöhung Filter und Blenden stationär vorgeschaltet werden
können.
Der Einsatzbereich dieser Vorrichtung ist auf die reine Fokuslagenkontrolle
beschränkt.
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Die
DE 698 00 179 T2 offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Schweißen
metallischer Mantelrohre mittels einer Laserschweißvorrichtung,
bei der ebenfalls durch eine CCD-Kamera mittels Strahlteilern über den
Strahlengang des Laserstrahls die Schweißzone beobachtet und das erhaltene
Bild ausgewertet werden soll. Hierbei wird vor allem der Vorlauf
und die dortige Kantenlage des gerundeten Blechzuschnitts vor dem
Prozessort betrachtet. Bei Änderungen
der Blechkantenlage wird der Laserkopf entsprechend nachgeführt. Es
findet jedoch weder eine Prozessbeobachtung, noch eine Nachkontrolle
der Schweißnaht
statt.
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Ein anderes Laserschweißverfahren
nebst Vorrichtung sind aus der DE-41 06 008 C2 bekannt. Hierbei
wird ein Werkstück
entlang einer vorgegebenen Bahn mittels eines stationären Laserkopfes
mit einer Laseroptik mit langer Brennweite und mit einer beweglichen
Fokussiereinrichtung geschweißt.
Der von einer Strahlquelle einkoppelbare Laserstrahl wird durch
gesteuerte Bewegung von ein oder mehreren Spiegeln auf den Prozessort
fokussiert. In den Strahlengang ist ein optisches Erfassungssystem
eingekoppelt, mit dem während
des Schweißens
der Prozess beobachtet und auf das Auftreten von Schweißspritzern überwacht
wird, die sich durch Helligkeitsunterschiede bemerkbar machen. Die
optische Erfassungseinrichtung ist zur Helligkeitsmessung entsprechend
ausgebildet, wobei das Bildsignal über zwei eindimensionale CCD-Empfänger erfasst
und ausgewertet wird.
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Die
DE
198 28 723 zeigt eine andere Laserbearbeitungseinrichtung
mit einer steuerbaren Fokussiereinrichtung, wobei in den Strahlengang
eine Überwachungskamera
eingekoppelt ist, deren Gesichtsfeld einen den Arbeitspunkt umgebenden
Teil des Bearbeitungsfeldes umfasst. Hierbei handelt es sich um
eine Lasermarkierungs- oder Laserbeschriftungseinrichtung. Mit der Überwachungskamera
wird die Lage des an der stationären
Lasereinrichtung vorbei bewegten Werkstücks erkannt. Das von der Kamera
empfangene Bild wird digital gespeichert und in einem digitalen
Bildbearbeitungssystem ausgewertet. Hierdurch kann der Bearbeitungsvorgang
durch Bildvergleich automatisch kontrolliert werden. Außer der
Lagekontrolle der Bildteile kann durch den digitalen Bildvergleich
auch das Bearbeitungsergebnis, d.h. die Lasermarkierung oder Laserbeschriftung,
auf ihre Korrektheit überprüft werden.
Anhand der erkannten Bauteillage werden die beweglichen Spiegel der
Fokussiereinrichtung entsprechend eines vorgegebenen Steuerprogramms
zur Erzeugung der gewünschten
Markierung oder Beschriftung bewegt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Technik zum Laserschweißen oder -schneiden aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen
im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch. Mit dem optischen
Erfassungssystem können
sowohl der Prozessort, als auch dessen weitere Umgebung in getrennten
Bildern und abwechselnd erfasst sowie jeweils separat ausgewertet
werden. Eine dynamische Blendeneinrichtung sorgt dabei für jeweils
optimale Licht- und Bilderfassungsbedingungen. Um die Bildauswertung
der weiteren Umgebung durch die am Prozessort entstehende sehr hohe
Helligkeit nicht zu beeinträchtigen,
kann der Prozessort temporär
ausgeblendet werden.
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Zum einen kann die am Werkstück vorgegebene
und sichtbar markierte Bahn, z.B. eine Werkstückkante, welche der Laserstrahl
beim Schweiß- oder
Schneidprozess verfolgen soll, optisch erfasst und ausgewertet werden.
Hierbei wird ein zweidimensionales Bild aufgenommen, wobei die Bilddaten mit
Zeit- und Wegdaten bzgl. der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserkopf
gekoppelt werden. Aus diesen weg- bzw. zeitabhängigen Bilddaten kann eine
Positionsbestimmung der zu verfolgenden Bahn durchgeführt werden.
Dank dieses in den Laserkopf integrierten optischen Erfassungssystems kann
auf zusätzliche
externe kantentastende Sensoren verzichtet werden. Die Erfassungsgenauigkeit des
integrierten optischen Erfassungssystems ist zudem besser. Das aufgenommene
2-D-Bild erlaubt ferner
komplexere Auswertungen als die bisher übliche, einfachere kantentastende
Sensorik.
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Zusätzlich zur zweidimensionalen
Bilderfassung kann eine Abstandsmessung des Werkstück- oder
Fokusabstandes stattfinden. Auf diese Weise ergeben sich dreidimensionale
Positionsdaten, die eine noch bessere und umfassendere Weiterverwertung
ermöglichen.
Die Abstandsmessung kann von der Genauigkeit her eine wesentlich
geringere Auflösung
haben als die zweidimensionale Bilderfassung, da der Fokusabstand
des Lasers aufgrund der Strahlcharakteristik meist nicht kritisch
ist.
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Die Bild- und Positionsdatenerfassung
kann sowohl online wie auch offline angewandt werden. Bei online-Erfassung
ist eine dynamische digitale Kamera, z.B. eine CMOS-Kamera vorteilhaft.
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Aus den zwei- oder dreidimensionalen
Bild- bzw. Positionsdaten können
sich unterschiedliche weitere Verwertungen ergeben. Hierbei kann
z.B. die zu verfolgende Bahn vor dem Schweiß- oder Schneidprozess zunächst mit
einem Laser-Messstrahl offline an ein oder mehreren einzelnen Bahnpunkten
oder in ihrem teilweisen oder vollständigen Verlauf abgetastet werden.
Anhand dieser Ist-Positionsdaten kann das offline-programmierte
Bahnprogramm korrigiert und anhand dessen der Schweißprozess
ohne weitere Sensorbeeinflussung durchgeführt werden. In einer weiteren
Variante kann die zu verfolgende Bahn während des Schweiß- oder Schneidprozesses
gesucht und verfolgt werden. Auf die vorgenannte offline-Abtastung
der Bahn kann verzichtet werden. Alternativ ist es auch möglich, die Einhaltung
der zuvor offline erfassten Bahn während des Prozesses zu überwachen.
Mit dieser erfindungsgemäßen Technik
ist es möglich,
beim Schweißen
oder Schneiden die vorgegebene Bahn mit hoher Genauigkeit einzuhalten
und eine entsprechend hohe Prozessgüte und Schweiß- oder
Schneidqualität
zu erhalten. Dies ist vor allem beim Laserschweißen von Vorteil, weil hier
Bahnabweichungen wegen des kleinen Prozessortes sich sofort in einer
deutlichen Verminderung der Schweißqualität äußern würden. Während des Schweiß- oder
Schneidprozesses kann das vom Prozessort und der weiteren Umgebung
aufgenommene zweidimensionale Bild noch auf andere Weise, z.B. zur
Qualitätsüberwachung
einer Schweißnaht
ausgewertet werden. Hierbei wird das online aufgenommene Nahtbild
mit vorher aufgenommenen und gespeicherten Bilddaten einer optimalen
Schweißnaht
verglichen. Bei Auftreten von Nahtmängeln kann während des
Prozesses eine Korrektur in geeigneter Weise erfolgen. Aus dem Vergleich
der Ist-Naht mit der Soll-Naht kann ggf. auch Art und Ursache des
Fehlers zur zielgerichteten Korrektur bestimmt werden.
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Mit dem optischen Erfassungssystem
wird ein gegenüber
dem eigentlichen Prozessort vergrößertes Gesichtsfeld aufgenommen,
welches nicht nur den Prozessort, sondern auch dessen weitere Umgebung
mit einem größeren Radius
oder Abstand zeigt. In diesem vergrößerten Gesichtsfeld können während des
Prozesses und getrennt von Prozessort in verschiedenen sogenannten
Fenstern unterschiedliche Bildmerkmale von der Bahn, der Naht oder
der Umgebung erfasst und ausgewertet werden. Hierdurch kann z.B.
gleichzeitig mit einem Vorlauffenster die zu verfolgende Bahn gesucht
und mit einem Nachlauffenster die Nahtgüte überwacht werden. Die größenmäßig begrenzten
Felder haben den Vorteil, dass nur ein Teilbereich der gesamten
Bilddaten übertragen
und ausgewertet werden muss, was schnellere Berechnungen und Datentransfers
erlaubt. Dies ist vor allem für
online-Regelungen günstig.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen
beispielsweise und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
Lasereinrichtung mit einem Roboter und einem Laserkopf in Seitenansicht,
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2 eine
Schemadarstellung des Laserkopfes mit eingekoppelter Kamera und
Abstandsmessung sowie mit dem Werkstück und dem Gesichtsfeld der
Kamera,
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3 eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit III von 2 und
des Gesichtsfelds der Kamera,
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4 eine
dynamische Blendeneinrichtung mit Messfeldumschaltung der Kamera
und
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5 bis 8 zwei Varianten der Abstandsmessung
mit unterschiedlichen Schweißnähten und zugehörigen Abstandsdiagrammen.
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In 1 ist
eine Lasereinrichtung, vorzugsweise eine Laserschweißeinrichtung
(1) in Seitenansicht und schematisiert dargestellt. Mit
der Laserschweißeinrichtung
(1) wird z.B. ein sog. Remote-Laserschweißen von
ein oder mehreren Werkstücken (2)
mittels eines Laserstrahls (6) mit langer Brennweite durchgeführt. Die
Laserschweißeinrichtung
umfasst einen Laserkopf (9) mit einer geeigneten Laseroptik
und einem vorzugsweise beweglichen Strahlleitsystem (10),
welches mehrere bewegliche und über
einen Spiegelantrieb (13) angetriebene Spiegel (11,12)
zur gezielten Ablenkung und Fokussierung des Laserstrahls (6)
umfasst. Ein solches Strahlleitsystem (10) wird häufig auch
als Scanneroptik bezeichnet.
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Alternativ kann ein starres Strahlleitsystem mit
stationären
Spiegeln und/oder Linsen eingesetzt werden, welches den Laserstrahl
(6) nicht ablenkt.
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Der Laserkopf (9) wird von
einem Manipulator, vorzugsweise einem mehrachsigen Industrieroboter,
z.B. einem sechsachsigen Gelenkroboter, mit dem erforderlichen Fokusabstand
entlang des Werkstücks
(2) geführt,
um eine Laserschweißnaht
zu erzeugen. Durch die z.B. zwei beweglichen Spiegel (11,12)
kann in der bevorzugten Ausführungsform zusätzlich der
Laserstrahl (6) bewegt werden. Die Roboterbewegungen und
die Laserstrahlbewegungen können überlagert
werden. Alternativ kann zumindest bei kleinen Werkstückabmessungen
nur der Laserstrahl (6) bewegt werden, wobei der Manipulator
(4) steht oder durch eine starre Halterung für den Laserkopf
(9) ersetzt wird. Ferner ist eine kinematische Umkehr möglich, indem
das Werkstück
(2) relativ zum Laserkopf (9) bewegt wird.
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Der Laserkopf (9) ist mittels
einer Strahlführung
(5) an eine externe Strahlquelle (7) angeschlossen.
Die Strahlführung
(5) kann ein Lichtleitfaserkabel oder eine offene oder
geschlossene Spiegelstrahlführung
sein. Sie kann alternativ eine beliebige andere Gestaltung haben.
Die Strahlquelle (7) kann alternativ direkt an den Laserkopf
(9) angebaut oder in diesen integriert sein.
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Das Werkstück (2) kann z.B. aus
zwei oder mehr aufeinander liegenden Blechen bestehen, die mit einer
Laserschweißnaht
entlang einer vorgegebenen Bahn (3) verschweißt werden
sollen. Die Bahn (3) ist optisch in Laserstrahlrichtung
sichtbar und wird z.B. von der Kante des einen Blechs gebildet.
Alternativ kann es auch andere optisch erfassbare Erkennungsmerkmale
der vom Laserstrahl (6) zu verfolgenden Bahn (3)
für die
Erzeugung der gewünschten Schweißnaht geben.
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Wie 2 verdeutlicht,
beinhaltet der Laserkopf (9) ein optisches Erfassungssystem,
vorzugsweise eine digitale Kamera mit Bildsensor, die mit einer
integrierten oder über
Leitungen (8) angeschlossenen externen elektronischen Bildauswerteeinrichtung
(17) verbunden ist. Die digitale Kamera kann unterschiedlich
ausgebildet sein. Es kann sich z.B. um eine CCD-Kamera oder auch
um eine dynamische Kamera, z.B. eine CMOS-Kamera handeln. Die Kamera
(16) besitzt eine vorzugsweise telezentrische Optik und
ist über
mindestens einen Strahlteiler (14,15), z.B. zwei
teildurchlässige
Einkoppelspiegel vor den beweglichen Spiegeln (11,12)
in den Strahlengang des Laserstrahls (6) eingekoppelt.
An den beiden Strahlteilern (14,15) wird das vom
Beobachtungsort am Werkstück
(2) zurückgeworfene
Licht bzw. Bild zur Kamera (16) hin abgelenkt. Durch diese zweimalige
Strahlumlenkung an den teildurchlässigen Einkoppelspiegeln (14,15)
sieht die Kamera (16) in ihrem Gesichtsfeld (20)
die Umgebung des Prozessors (21) seitenrichtig.
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Die Kamera blickt über den
Strahlengang auf den Prozessort (21) des Laserstrahls (6)
am Werkstück
(2). und besitzt ein Gesichtsfeld oder Beobachtungsfeld
(20), welches größer als
der Prozessort (21) ist. Das Gesichtsfeld (20)
ist z.B. ein rechteckiges Fenster, welches den vorzugsweise zentralen Prozessort
(21) allseitig mit Abstand umgibt und somit auch die erweiterte
Umgebung um den Prozessort (21) aufnehmen und beobachten
kann.
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Die Kamera (16) erfasst
und liefert zweidimensionale Bilder vom Prozessort (21)
und seiner Umgebung, die von der Bildauswerteeinrichtung (17) ausgewertet
werden können.
Die Auswertung umfasst Vermessungs- und Vergleichsoperationen der aufgenommenen
und ggf. in der Einrichtung (17) gespeicherten aktuellen
2D-Bilder mit zuvor aufgenommenen und gespeicherten 2D-Bildern.
Hierbei können
auch an unterschiedlichen Stellen im Gesichtsfeld (20)
unterschiedliche Bildbestandteile erfasst und ausgewertet werden.
Dies betrifft zum einen den Prozessort (21) selbst. Hier
kann z.B. die Dampfkapillare über
dem Keyhole nach der absoluten und relativen Größe vermessen, gespeichert und
mit Sollwerten verglichen werden. Auch die Istwerte untereinander
können
zum Feststellen evtl. Änderungen
im Prozess verglichen werden. Ferner kann das Farbspektrum aufgenommen
und auf Informationen über den
Prozess, insbesondere über
etwaige Störungen ausgewertet
werden.
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Im Gesichtsfeld (20) können darüber hinaus am
unteren und oberen Rand oder auch an anderen Stellen angeordnete
Erfassungsfelder (22,23) vorhanden sein. Das in
Bewegungsrichtung (24) bei der Bahnverfolgung vorn liegende
und am unteren Gesichtsfeldrand befindliche Erfassungsfeld (23)
ist ein sog. Vorlauffeld, mit dem vor dem Prozessort (21)
die Bahn (3) erfasst und ausgewertet werden kann. Das Erfassungsfeld
oder sog. Vorlauffeld (23) hat hierfür eine entsprechende Breite.
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Das in Bewegungsrichtung (24)
hinter dem Prozessort (21) liegende und am oberen Gesichtsfeldrand
befindliche Erfassungsfeld (22) dient der optischen Erfassung
der am Prozessort (21) zuvor erzeugten Schweißnaht (37,38).
Dieses Erfassungsfeld oder Qualitätsfeld (22) hat ebenfalls
eine entsprechende Breite zur sicheren Erfassung und Abtastung der
Naht (37,38).
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Die Bildauswerteeinrichtung (17)
verfügt über eine
elektronische Hardware und eine entsprechende Auswertesoftware.
Sie kann ein oder mehrere Speicher zum kurzfristigen oder längerfristigen Speichern
der aktuell aufgenommenen Bilddaten und zum Speichern anderer anderweitig
aufgenommener Bilddaten aufweisen, mit denen Vergleichsoperationen
durchgeführt
werden können.
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Die Bildauswerteeinrichtung (17)
ist außerdem über Leitungen
(8) mit einem System zur Weg- und/oder Zeiterfassung bei
der Durchführung
der Spiegelbewegungen und ggf. der Relativbewegungen zwischen Roboter
(4) und Werkstück
(2) gekoppelt. Dies kann z.B. eine Weg- und/oder Zeit-Messung
in der Robotersteuerung (25) sein. In den meisten Fällen ist
die zu verfolgende Bahn (3) größer als das Gesichtsfeld (20)
der Kamera (16). In diesem Fall werden die Weg- und/oder
Zeitdaten mit den aufgenommenen Bilddaten verknüpft, um die aufgenommenen Bilder
lokalisieren und den zugehörigen
Orten am Werkstück
(2) zuordnen zu können.
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Die Bildauswerteeinrichtung (17)
ist außerdem über Leitungen
(8) mit einer Steuerung (18) für die Bewegung der Spiegel
(11,12) und der Spiegelantriebe (13)
verbunden. Die Bildauswerteeinrichtung (17) kann auch in
diese Steuerung (18) integriert sein. Beide Komponenten
können
alternativ in die Robotersteuerung (25) integriert sein.
Die gesamte Bildauswertung und weitere Bildverarbeitung, insbesondere
Steuerung des Roboters (4) und des Laserkopfes (9)
bzw. des Strahlleitsystems (10) erfolgt dann von der Robotersteuerung
(25) aus. Hier steht eine ausreichend mächtige Rechnerhardware zur Verfügung. Eine
zentrale Bildverarbeitung hat vor allem Vorteile bei der nachfolgend
näher beschriebenen
Online-Auswertung, die sehr schnelle Recheneinheiten erfordert.
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Am oder im Laserkopf (9)
ist ferner eine Abstandsmesseinrichtung (19) zur Messung
des Werkstück- oder Fokusabstandes
angeordnet. Die Abstandsmesseinrichtung (19) beinhaltet
eine Messstrahlquelle (28), die einen Laser-Messstrahl
(27) mit relativ geringer Leistung emittiert und diesen über die teildurchlässigen Spiegel
(14,15) in den Strahlengang des zum Schweißen benutzten
Laserstrahls (6) einkoppelt. Die Messstrahlquelle (28)
kann einen einzelnen zentralen Laser-Messstrahl (27) emittieren, der
sich in geeigneter Weise, z.B. durch Modulation, vom normalen Schweiß-Laserstrahl (6)
unterscheidet und der relativ zum Laserstrahl (6) stationär ist. In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein wandernder Laser-Messstrahl (27) erzeugt, der
mit Abstand vom Schweiß-Laserstrahl
(6) in einer konzentrischen Kreisbahn um letzteren herum
umläuft.
Wie 5 und 7 verdeutlichen, beschreibt
der Laser-Messstrahl (27)
hierdurch vorzugsweise konzentrisch um den Prozessort (21)
eine Messkreisspur (29), in deren Verlauf die Werkstück- bzw.
Fokusabstände
a ermittelt werden. Die Abstandsmessung geschieht mittels eines
geeigneten Sensors (26), z.B. eines Laufzeitsensors. Der
Laufzeitsensor (26) ist über die Strahlteiler (14,15)
in den Strahlengang des vom Werkstück (2) reflektierten
Laser-Messstrahls (27) eingekoppelt und misst die Zeitspanne
zwischen Emission und Rückkehr
des Laser-Messstrahls (27). Aus dieser Zeit kann anhand
von Referenzwerten der Abstand des Auftreffpunktes des Laser-Messstrahls (27)
am Werkstück
(2) vom Sensor (26) und damit auch der Abstand
des Laserkopfes (9) vom Werkstück (2) berechnet werden.
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5 bis 8 verdeutlichen diese Vorgänge bei zwei
verschiedenen Nahtformen. In der ersten Variante von 5 und 6 wird z.B. eine I- oder Stumpfnaht (37)
zwischen zwei stumpf gestoßenen
Werkstücken
geschweißt.
Auf seinem Messkreis (29) wandert der Laser-Messstrahl
(27) über
eine Höhenänderung
(30), hier einen Spalt, an der Stoßstelle der beiden Werkstücke, was
sich im Diagramm von 6 in
einer kleinen sprungweisen Abstandsvergrößerung bemerkbar macht. Im
Bereich der Schweißraupe
(37) sinkt entsprechend der Raupenwölbung der gemessene Abstand. 6 gibt diesen Abstands-
oder Höhenverlauf
in einem Diagramm wieder, wobei der vom Sensor (26) gemessene
Abstand a über
dem Bogenwinkel α bzw. über dem
Weg des Laser-Messstrahls (27) im Messkreis (29)
aufgetragen ist.
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In der zweiten Variante von 7 und 8 sind die Verhältnisse für eine Kehlnaht (38)
an zwei aufeinander liegenden Blechen dargestellt. In diesem Fall
gibt es an der Kante (3) und der hier bestehenden stufenartigen
Höhenänderung
(30) eine sprungartige Abstandsverminderung. An der Kehlnaht
(38) steigt der Abstand a entsprechend der Raupenform allmählich wieder
an.
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Die gemessenen Ist-Werte der Abstände a werden
mit gespeicherten Soll-Werten verglichen, um hieraus eine Stellgröße zum evtl.
Nachregeln des Strahlleitsystems (10) zu gewinnen. Außerdem kann durch
diesen Abstandsvergleich die Position der Bahn (3) detektiert
und überwacht
werden. Dies kann an Stelle oder zusätzlich zum vorbeschriebenen Nahtsuchen
mit dem Vorlauffeld (23) geschehen. Zudem kann die Form
der Schweißraupen
oder Schweißnähte (37,38)
anhand ihrer abgetasteten Höhenkontur
kontrolliert werden, was Rückschlüsse auf
die Schweißqualität erlaubt.
Dies kann ebenfalls an Stelle oder zusätzlich zur vorbeschriebenen
Nahtkontrolle mit dem Qualitätsfeld
(22) geschehen.
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Der Radius des Messkreises (29)
ist so groß gewählt, dass
die Höhenänderungen
(30) im Vorlauf in Bewegungsrichtung (24) rechtzeitig
erfasst und verglichen werden können,
um bei Abweichungen Korrekturmaßnahmen
einleiten zu können.
Andererseits kann durch diesen Radius die Schweißnaht (37,38)
mit ausreichendem Abstand vom Prozessort (21) oder Keyhole
in einer stabilisierten und teilweise abgekühlten Zone kontrolliert werden.
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In Abweichung der gezeigten Ausführungsform
muss der Messkreis (29) nicht konzentrisch zum Prozessort
(21) verlaufen. Es kann auch eine andere Form von Messstrahlspuren
erzeugt werden, die z.B. oval ausgebildet und längs der Bewegungsrichtung (24)
bzw. der vermuteten Bahn (3) ausgerichtet ist. Beliebige
andere Formen von Messstrahlspuren sind ebenfalls möglich.
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Der Sensor (26) kann über Leitungen
(8) ebenfalls mit der Bildauswerteeinrichtung (17)
bzw. der Steuerung (18) oder der Robotersteuerung (25) verbunden
sein. In der Bildauswerteeinrichtung (17) werden die gleichzeitig
mit den Bilddaten aufgenommenen Abstandsdaten verknüpft zur
Generierung von dreidimensionalen Positionsdaten.
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Mit dem optischen Erfassungssystem
(16) und ggf. der Abstandsmesseinrichtung (19)
kann die tatsächliche
Lage der zu verfolgenden Bahn (3) bzw. Werkstückkante
als Bild im Gesichtsfeld (20) der Kamera aufgenommen und
vermessen werden. Die Kanten- oder Linienerfassung kann z.B. über Hell/Dunkelunterschiede
geschehen. Hierbei kann außer
der Position der Bahn (3) am Werkstück (2) auch ihre Ausrichtung
ermittelt werden, um zu erkennen, ob der programmierte Bewegungsverlauf
des Laserstrahls (6) noch mit der Ist-Lage der Bahn (3) übereinstimmt.
Die aufgenommene Bahn (3) sollte sich in projezierter Verlängerung
durch das Zentrum des Beobachtungsfensters (20) oder bei
bewußtem Bahnversatz
durch einen anderen festgelegten Bezugspunkt erstrecken.
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Durch die Bildauswertung und die
Vermessung kann die Position jedes Punktes der Bahn (3)
im Gesichtsfeld (20) genau erfasst und bestimmt werden.
Unter gleichzeitiger Erfassung und Verknüpfung mit den Weg- und/oder
Zeitdaten (insbesondere bei vorgegebenem Weg) der Spiegelbewegung
und/oder der Relativbewegung zwischen Laserkopf (9) bzw. Roboter
(4) und Werkstück
(2) kann die räumliche Lage
der Bahn (3) am Werkstück
(2) exakt bestimmt und vermessen werden. Aus der Roboterposition
und der Robotersteuerung (25) ist hierbei die exakte Position
des Laserkopfes (9) mit den Spiegeln (11,12) bekannt.
Für den
Einsatz und die Funktion der Lasereinrichtung (1) gibt
es verschiedene Möglichkeiten, die
sich insbesondere auch in einem Offline- und einem alternativen
Online-Betrieb unterscheiden.
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In der einen Ausführungsform kann zunächst die
zu verfolgende Bahn (3) offline an ein oder mehreren einzelnen
Bahnpunkten oder in ihrem teilweisen Verlauf oder auch in ihrem
gesamten Verlauf durch das optische Erfassungssystem (16)
als 2D-Bild aufgenommen, ausgewertet und gespeichert werden. Dies
kann mit und ohne Laserstrahl (6) geschehen, insbesondere
wenn ausreichendes Umgebungslicht zur Verfügung steht. Statt eines Schweißstrahls
mit entsprechend hoher Laserleistung kann ggf. auch ein Messstrahl
mit niedrigerer Laserleistung geschaltet werden. In weiterer Abwandlung kann
eine Fremdlichtquelle zur ausreichenden Beleuchtung eingesetzt werden,
wenn der Laserstrahl (6) noch nicht gezündet ist.
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Durch die Bildauswertung in Verbindung
mit der bekannten Position des Laserkopfes (9) kann somit
die Ist-Lage der Bahn (3) am Werkstück (2) exakt aufgenommen
und bestimmt werden. Durch Verknüpfung
mit den vom Sensor (19) gelieferten Abstandsdaten kann
die Lage der Bahn (3) im Raum mit Bezug auf die bekannte
Roboterposition und die Lage des Laserkopfes (9) bestimmt
werden.
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Anhand dieser Ist-Lage der Bahn (3)
kann nun das Bahnprogramm des Roboters (4) und das Steuerprogramm
für die
Bewegung der Spiegel (11,12) mit der hier vorgegebenen
Soll-Lage der Bahn (3) verglichen und ggf. eine Korrektur
der Steuer- und Bahnprogramme durchgeführt werden. Hierbei wird die
Bahn (3) in einem ersten Suchschritt vor dem eigentlichen
Schweißvorgang
aufgenommen und das Bahnprogramm ggf. entsprechend korrigiert. In
einem weiteren vorgeschalteten Schritt wird das gesamte installierte
System zunächst
auf die vorhandenen Umgebungsbedingungen kalibriert. Zum Schweißen kann
mit dem offline korrigierten Bahnprogramm die Bahn (3)
mit dem Roboter (4) und dem emittierten Laserstrahl (6)
angefahren und entsprechend des vorprogrammierten Weges verfolgt
werden. In einer ersten Variante kann hierbei auf eine weitere Sensorbeeinflussung
verzichtet werden.
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In einer zweiten Variante kann in
der vorbeschriebenen Weise die Ist-Lage der Bahn (3) zunächst gesucht
und dann das Bahnprogramm bzw. Steuerprogramm der Spiegel (11,12)
bei Abweichungen von Soll- und Istlage korrigiert werden. Beim anschließenden Schweißprozess
kann abweichend von der ersten Variante über das optische Erfassungssystem
(6) und ggf. auch der Abstandsmesseinrichtung (19)
die Einhaltung der programmierten Bahn online überwacht werden. Dies erfolgt
mittels des Vorlauffeldes (23) in ausreichendem Abstand
und zeitlichem Vorlauf vor dem Prozessort (21). Hierbei wird
im Vorlauffenster (23) die Ist-Lage der Bahn (3) ermittelt,
mit der zuvor erfassten Lage der Bahn (3) an gleicher Stelle
durch Vergleich der Bilddaten oder ggf. der komplexen Positionsdaten
verglichen und bei Abweichungen die programmierte Roboterbewegung
und/oder Spiegelbewegung entsprechend korrigiert. Auf diese Weise
kann die Einhaltung der vorgegebenen Bahn (3) während des
Schweißprozesses
online überwacht
und ggf. nachgeregelt werden. Dies schließt auch evtl. Schräglagenkorrekturen
bei Bahnabweichungen ein.
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Zudem ist es möglich, das Beobachtungsfenster
(20) ohne den Laserkopf (9) bei Bedarf um die vom
Laserstrahl (6) gebildete Achse zu drehen und nach der
erfassten Bahn (3) auszurichten. Dies kann z.B. geschehen,
um einer stark verwinkelten oder gekrümmten Bahn optisch schnell
folgen zu können, ohne
dabei den relativ trägen
Laserkopf (9) ständig mitdrehen
zu müssen.
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In einer dritten Variante kann auf
die dem Schweißprozess
vorgeschaltete Suche und Erfassung der Bahn (3) verzichtet
werden. In diesem Fall wird die Bahn (3) online während des
Schweißprozesses
gesucht und verfolgt. Hierbei wird zunächst der Laserkopf (9)
am grob vorprogrammierten Bahnanfang positioniert, wobei im Gesichtsfeld
(20) der Naht- bzw. Bahnanfang gesucht und der Laserstrahl (6)
durch Roboter- und/oder Spiegelbewegung am gewünschten Anfangspunkt der Bahn
(3) exakt positioniert wird. In dem anschließend startenden Schweißprozess
wird in der vorbeschriebenen Weise über das Vorlauffenster (23)
die Bahn (3) gesucht und der nachfolgende Laserstrahl (6)
entsprechend durch Roboter- und/oder Spiegelbewegung positioniert.
Bei dieser Online-Bahnverfolgung kann der Prozessort (21)
aufgrund der Lichtintensität
während des
Schweißprozesses
mit einer nachfolgend beschriebenen Blendeneinrichtung (32)
ausgeblendet werden.
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Während
des Schweißprozesses
kann außerdem
die gesetzte Schweißnaht
(37,38) über
das Qualitätsfeld
(22) überprüft und überwacht
werden. Hierbei wird das aufgenommene Nahtbild mit gespeicherten
Nahtbildern auf Einhaltung vorgegebener Kriterien, z.B. Breite,
Höhe, Oberflächenaussehen etc. überwacht.
Hierbei kann auch ein Bildvergleich mit vorher aufgenommenen und
gespeicherten Bildern korrekter Schweißnähte durchgeführt werden. Falls
Abweichungen in der Schweißnahtqualität festgestellt
werden, können
die den Schweißprozess
beeinflussenden Parameter von der Schweißsteuerung z.B. anhand einer
Technologie-Datenbank automatisch nachgeregelt werden, um die gewünschte Qualität wieder
herzustellen.
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Alternativ oder zusätzlich zur
Nahtprüfung
im Erfassungsfeld (22) kann die Nahtqualität bzw. die Prozessgüte direkt
am Prozessort (21) anhand geeigneter Merkmale überwacht
und gegebenenfalls für
eine Nachregelung herangezogen werden. Hierbei kann z.B. die Helligkeit
oder Farbe des Lichtes am Prozessort (21) überwacht
werden. Durch eine geeignete dynamische Blendeneinrichtung (32)
kann gegebenenfalls auch die Intensität des reflektierten Lichtes
am Prozessort (21) im Gesichtsfeld (20) reduziert
werden, um eine direkte optische Beobachtung der Vorgänge am Prozessort
(21) zu ermöglichen.
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Für
die Ausbildung der dynamischen Blendeneinrichtung (32)
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die sich z.B. auch mach der Art der eingesetzten Kamera (16)
unterscheiden können.
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2 zeigt
hierzu ein Ausführungsbeispiel mit
mindestens einer der Kamera (16) vorgeschalteten mechanischen
Blende (33), die mittels einer automatisch gesteuerten
Stelleinrichtung (34) bei Bedarf in den Strahlengang eingebracht
und wieder entfernt wird. Eine solche mechanische Blende (33) kann
im Bereich um den Strahlengang bzw. den Prozessort (21)
einen abgedunkelten Bereich haben, der das unmittelbar vom Prozessort
(21) und von der näheren
Umgebung reflektierte sehr helle Laserlicht abschattet oder vollständig ausblendet.
Die Kamera (16) sieht dann nur den umgebenden Bereich im
Gesichtsfeld (20). Sie kann sich dadurch auf die dort herrschenden
Licht- und Helligkeitsverhältnisse
optimal einstellen. Dies ist insbesondere bei optischen Erfassungssystemen
(16) mit einheitlicher Bilderfassung, z.B. einer CCD-Kamera,
nützlich. Überstrahlungen
des den Prozessort (21) umgebenden Umfelds werden vermieden,
so dass das Umfeld ordnungsgemäß optisch
aufgenommen und ausgewertet werden kann.
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Wenn andererseits der Prozessort
(21) beobachtet werden soll, wird die mechanische Blende (33)
wieder entfernt, insbesondere ausgeschwenkt. Sie kann alternativ
aber auch gegen eine andere mechanische Blende ausgetauscht werden, die
das Umfeld rund um den Prozessort (21) ausblendet und nur das
Prozesslicht durchlässt.
Ferner ist es möglich,
in einer anderen Blende im Bereich um den Prozessort (21)
einen Farbfilter oder dergleichen andere optische Beeinflussungsmittel
für das
vom Prozessort (21) reflektierte Prozesslicht vorzusehen,
die die Erfassung und Auswertung erleichtern. Hierbei können z.B.
durch leichte Verdunklungen ebenfalls Überstrahlungen vermieden und
das reflektierte Licht gedämpft
bzw. der Kontrast verbessert werden.
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4 verdeutlicht
eine andere Variante der dynamischen Blendeneinrichtung (32),
die für
optische Erfassungssysteme mit einer dynamischen Bilderfassung,
z.B. mit einer CMOS-Kamera, einsetzbar ist. Bei einer CMOS-Kamera
können
die Bildpunkte oder Pixel des Bildsensors während der Aufnahme einzeln
angesprochen und beeinflusst werden. Hierbei werden im Beobachtungsfeld
(20) der Kamera (16) bzw. am Bildsensor zumindest
zwei unterschiedliche Messfeldbereiche (35,36)
oder Pixelbereiche definiert. Der eine Messfeldbereich (35)
befindet sich in der Zone des Prozessortes (21) und seiner
näheren
Umgebung. Das weitere Umfeld kann in ein oder mehreren Messfeldbereichen
(36) einbezogen sein, wobei hier ggf. auch die vorbeschriebenen Erfassungsfelder
(22,23) definiert werden können. Im zentralen Messfeldbereich
(35) um den Prozessort (21) können die Bild- oder Sensorpunkte
abgeschaltet werden, wenn das Umfeld im Vor- und Nachlauf und insbesondere
an den Erfassungsfeldern (22,23) beobachtet werden
soll. Durch diese dynamische Ausblendung des hellen Prozessorbereichs
werden ebenfalls Überstrahlungen
vermieden.
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Eine CMOS-Kamera hat zwar einen sehr
hohen Dynamikbereich, wobei der nutzbare und für die Auswertung heranziehbare
Kontrastbereich deutlich kleiner ist. Durch das Ausschalten des
Messfeldbereichs (35) um den Prozessort (21) können sich
der oder die anderen Messfeldbereiche (36) der Prozessortumgebung
optimal auf die dortigen Lichtverhältnisse einstellen und die
Bilder erfassen sowie auswerten.
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Wenn andererseits der Prozessort
(21) beobachtet werden soll, kann der zentrale Messfeldbereich
(35) aktiv geschaltet werden, so dass sich die CMOS-Kamera
auf die hier herrschenden Lichtverhältnisse einstellt. Hierbei
können
die Bild- oder Sensorpunkte im Messfeldbereich (35) in
der Lichtempfindlichkeit abgestuft und niedriger geschaltet werden.
Der umgebende Messfeldbereich (36) kann ggf. abgeschaltet
werden.
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Mit dem optischen Erfassungssystem
(16) werden während
des Betriebes vorzugsweise abwechselnd Bilder vom Prozessort (21)
und seiner weiteren Umgebung aufgenommen und eigenständig ausgewertet,
wobei die dynamische Blendeneinrichtung (32) entsprechend
taktweise umgeschaltet wird. Die Aufnahme und Auswertung der weiteren
Umgebung kann hierbei ebenfalls noch einmal in unterschiedliche
Bilder, z.B. von den Erfassungsfeldern (22,23)
und/oder vom Messkreis (29), unterteilt werden. In einem
solchen Zyklus könnte
beispielsweise zuerst das Erfassungsfeld (23) für den Vorlauf,
anschließend
der Prozessort (21), ggf. ergänzt vom Messkreis (29),
und danach das Erfassungsfeld (22) für die Nahtqualität aufgenommen
und ausgewertet werden. Dieser Zyklus kann sich dann beliebig oft wiederholen.
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Innerhalb der Zyklen kann es aus
verschiedenen Gründen,
z.B. bei Auftreten von Ungleichmäßigkeiten,
Fehlern oder dgl. zu Änderungen
in der Bildfolge kommen, um durch mehrmalige Bildaufnahmen und -auswertungen
des gleichen Bereichs eine Nachregelung oder Kompensation für etwaige
Abweichungen oder Fehler beobachten und überwachen zu können. Dementsprechend
wird auch die dynamische Blendeneinrichtung (32) gesteuert,
die hierzu ebenfalls vorzugsweise mit der Bildauswerteeinrichtung
(17) und der Steuerung (18,19) verbunden
ist.
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Abwandlungen der gezeigten Ausführungsformen
sind in verschiedener Weise möglich.
Zum einen kann auf den Abstandsensor (26) verzichtet werden.
Er kann alternativ auch an anderer geeigneter Stelle angeordnet
sein. Variabel ist ferner die Ausgestaltung und Anordnung der Laseroptik
bzw. des Strahlleitsystems (10), der Spiegel (11,12)
und der Spiegelantriebe (13). Die optische Erfassungseinrichtung
(16) lässt
sich gleichfalls in konstruktiver Ausführung und Funktion sowie Anordnung
abwandeln. Es empfiehlt sich jedoch eine optische Einkopplung in
den Laserstrahlgang vor den beweglichen Spiegeln, um den stets gleichbleibenden
Blick auf den Prozessort (21) zu behalten. In diesem Fall
kann die Kamera stationär
angeordnet sein. In Abwandlung lässt
sich die Kamera auch an einem Spiegel, gegebenenfalls an einem bewegten
Spiegel montieren und mit diesem mitbewegen.
-
Die genannten Verfahrensschritte
können nicht
nur zu dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Laserschweißens eingesetzt
werden. Sie können
auch zum Laserschneiden Verwendung finden. Insbesondere wenn die
zu verfolgende Bahn (3) in geeigneter Weise optisch sichtbar
und erfassbar gemacht wird. Dies kann z.B. durch eine repräsentative
Markierung neben oder auf der Schneidbahn geschehen. Ansonsten kann
auch hinter dem Prozessort die entstehende Trenn- oder Schnittkante
detektiert und in ihrer Lage mit vorgegebenen Bild- bzw. Positionsdaten
verglichen werden, um den korrekten Bahnverlauf wenigstens relativ zeitnah überwachen
und gegebenenfalls durch einen Prozessstopp oder eine Bahnkorrektur
eingreifen zu können.
-
- 1
- Lasereinrichtung,
Laserschweißeinrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Bahn,
Naht, Kante
- 4
- Manipulator,
Industrieroboter
- 5
- Strahlführung
- 6
- Laserstrahl
- 7
- Strahlquelle
- 8
- Leitung
- 9
- Laserkopf
- 10
- Strahlleitsystem
- 11
- Spiegel
- 12
- Spiegel
- 13
- Spiegelantrieb
- 14
- Strahlteiler,
teildurchlässiger
Einkoppelspiegel
- 15
- Strahlteiler,
teildurchlässiger
Einkoppelspiegel
- 16
- optisches
Erfassungssystem, Kamera
- 17
- Bildauswerteeinrichtung
- 18
- Steuerung
- 19
- Abstandsmesseinrichtung
- 20
- Gesichtsfeld,
Beobachtungsfeld Kamera
- 21
- Prozessort
- 22
- Erfassungsfeld
Qualität,
Qualitätsfeld
- 23
- Erfassungsfeld
Vorlauf, Vorlauffeld
- 24
- Bewegungsrichtung
- 25
- Robotersteuerung
- 26
- Sensor,
Laufzeitsensor
- 27
- Laser-Messstrahl
- 28
- Messstrahlquelle
- 29
- Messstrahlspur,
Messkreis
- 30
- Höhenänderung,
Stufe, Spalt
- 31
- Kameramessfeld
- 32
- Blendeneinrichtung
- 33
- Blende
mechanisch
- 34
- Stelleinrichtung
Blende
- 35
- Messfeldbereich
Prozessort
- 36
- Messfeldbereich
Umgebung
- 37
- Schweißraupe Stumpfnaht
- 38
- Schweißraupe Kehlnaht