DE19854956A1

DE19854956A1 - Optische Abtastvorrichtung zur optischen Kontrolle der Abnützung zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden sowie Verfahren zur Kontrolle derartiger Schweißelektroden

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Publication number: DE19854956A1
Application number: DE19854956A
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: DE19854956C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung (1) zur optischen Kontrolle der Brauchbarkeit zylinder- oder stabförmiger, insbesondere an einem Ende abgerundeter, Schweißelektroden (4) zur Verwendung in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie. Die Abtastvorrichtung besteht aus einem optischen Element (5, 6) mit wenigstens einem ein Lichtbündel (12) aussendenden Lichtsender und wenigstens einem Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts sowie einer opto-elektrischen Auswerteeinheit (13) zur Auswertung der Signale des Lichtempfängers.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung zur optischen Kon trolle der Brauchbarkeit zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden sowie ein Verfahren zur Kontrolle derartiger Schweißelektroden.

In der Automobilindustrie werden elektrische Schweißelektroden für Punktschweißautomaten verwendet, um die verschiedensten punkt förmigen Schweißverbindungen am Chassis oder der Karosserie herzu stellen. Die Schweißelektroden bestehen dabei aus kurzen stabförmigen Zylindern, die an einem Ende abgerundet oder bombiert sind und mit dem entgegengesetzen Ende in einen Automatenarm eingesetzt werden. Das abgerundete oder bombierte Ende der Schweißelektrode dient zur elektri schen Kontaktgabe mit der Gegenelektrode des Automatenschweißgerätes. Im Betrieb nützt sich die zylindrische Schweißelektrode ab, wobei sich das kontaktgebende Ende der Schweißelektrode schon nach relativ wenigen Schweißvorgängen kegelstumpfförmig verformt mit einem mehr oder weniger ausgeformten runden obersten Plateau und einem sich daran anschließenden Kegelmantel mit einem mehr oder weniger stumpfen Winkel, der dann in den Zylinderdurchmesser der Schweißelektrode übergeht. Nach einer Reihe von Schweißvorgängen ist aufgrund des Stromflusses das runde Plateau der Schweißelektrode zu groß geworden, ebenso wie unter Umständen der Kegelmantel einen zu stumpfen Winkel angenommen hat. Dann muß die Schweißelektrode in einer Fräsein richtung wieder auf bestimmte Maße, nämlich eine bestimmte, vorge gebene Plateauflächengröße sowie einen bestimmten Winkel des stumpfen Kegelmantels, gefräst werden. Dieser Fräsvorgang wird bis heute von einer Bedienungsperson per Augenmaß vorgenommen, die auch per Augenmaß zu beurteilen hat, ob eine bestimmte Schweißelektrode zum Schweißen noch brauchbar ist oder abgefräst werden oder völlig ersetzt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beurteilung der Brauchbarkeit bzw. Abnützung derartiger zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden zur Verwendung in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie zu automatisieren und menschliche Fehlbeurteilungen auszuschließen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer optischen Abtastvorrichtung zur optischen Kontrolle der Brauchbarkeit zylinder- oder stabförmiger, insbesondere an einem Ende abgerundeter, Schweißelektroden zur Verwendung in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie, bestehend aus einem optischen Element mit wenigstens einem ein Lichtbündel aussendenden Lichtsender und wenigstens einem Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweiß elektrode reflektierten Lichts sowie einer opto-elektrischen Auswerte einheit zur Auswertung der Signale des Lichtempfängers.

In bevorzugter Ausgestaltung besteht die Abtastvorrichtung aus einem auf eine Standfläche montierten Winkel mit einem senkrecht auf die Stand fläche montierten Schenkel und einem dazu ungefähr waagrechten Schenkel, wobei in den beiden Schenkeln je eines der optischen Elemente in einem Fenster montiert ist, wobei der Lichtsender des im waagrechten Schenkel montierten optischen Elements das Lichtbündel nach unten gerichtet abstrahlt und sich unterhalb dieses optischen Elements inner halb der Standfläche eine Aussparung befindet zum Einführen und Plazieren der zylinder- oder stabförmigen Schweißelektrode.

Das optische Element des waagrechten Schenkels umfaßt einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, das optische Element des senkrecht auf die Standfläche montierten Schenkels kann nur einen Lichtempfänger umfassen. Bevorzugt wird somit das Lichtbündel von oben nach unten abgestrahlt und von der zu messenden Schweißelektrode sowohl nach oben als auch seitlich zu den jeweiligen Lichtempfängern reflektiert.

Des Weiteren kann die Abtastvorrichtung in einer vorteilhaften Ausge staltung aus einem auf eine Standfläche montierten U-förmigen Winkel mit zwei senkrecht auf die Standfläche montierten Schenkeln und einem die senkrechten Schenkel ungefähr waagrecht verbindenden Schenkel bestehen, wobei in den drei Schenkeln je eines der optischen Elemente in einem Fenster montiert ist und sich unterhalb des optischen Elements des waagrechten Schenkels zwischen den beiden senkrechten Schenkeln innerhalb der Standfläche eine Aussparung befindet zum Einführen und Plazieren der zylinder- oder stabförmigen Schweißelektrode. In diesem Fall ist vorteilhaft wiederum oben nur ein Lichtsender, aber drei Lichtempfänger montiert. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn die Schweißelektroden unregelmäßig und nicht in etwa rotationssymme trisch abbrennen.

Die Abtastvorrichtung kann auch aus zwei auf die Standfläche montierte, sich kreuzende U-förmige Winkel bestehen, wobei in den vier senkrechten Schenkeln sowie dem waagrecht verlaufenden Kreuzteil je eines der optischen Elemente angeordnet ist. Hier sind vorteilhaft einem oben angeordneten Lichtsender vier oder fünf Lichtempfänger zugeordnet, so daß eine stark deformierte Schweißelektrode in einem Meßgang rundherum begutachtet werden kann.

Gewöhnlich sind Lichtsender und Lichtempfänger des optischen Elements zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts eine lichtaussendende Diode und ein lichtempfindlicher Lichtempfänger. Das optische Element kann auch eine optische Kamera mit einer CCD-Matrix sein.

Die Abbildung des Endes des zylinder- oder stabförmigen Gegenstandes zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts auf den Lichtempfänger kann auch mittels eines Linsensystems oder eines Blendensystems erfolgen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur optischen Kontrolle der Abnützung zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden, die in Automatenschweiß geräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie Ver wendung finden, und die an einem ihrer Enden eine Spitze, bestehend aus einem Plateau und eine sich daran anschließenden, umlaufenden Kegel fläche, aufweisen, unter Verwendung einer optischen Abtastvorrichtung mit wenigstens einem optischen Element mit wenigstens einem ein Lichtbündel aussendenden Lichtsender und wenigstens einem reflek tiertes Licht auffangenden Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts sowie einer opto-elektrischen Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale des bzw. der Lichtemp fänger(s) besteht in der Bestrahlung der Spitze der Schweißelektrode mit dem Lichtbündel, wobei das vom Plateau und/oder das von der Kegelfläche reflektierte Licht aufgefangen und ausgewertet wird, wobei das Verhältnis und/oder die Intensität bzw. die Lichtstärke des vom Plateau und/oder des von der Kegelfläche reflektierten Lichts gemessen und ausgewertet wird und daraus eine Aussage über die Brauchbarkeit der Schweißelektrode abgeleitet wird. Die Auswertung des vom Plateau und des von der Kegelfläche reflektierten Lichts kann entweder in ein- und demselben optischen Element oder auch in verschiedenen optischen Elementen vorgenommen werden, die die Schweißelektrode umgeben.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer optischen Abtastvor richtung mit einem Winkel mit je einem optischen Element in jedem Schenkel des Winkels

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Fig. 1 von unten schräg nach oben zur Darstellung der beiden optischen Elemente

Fig. 3a, b, c und d eine Ansicht der optischen Abtastvorrichtung der Fig. 1 mit vier verschiedenen Schweißelektroden a, b, c und d, welche unterschiedlich verformte, kontaktgebende Enden aufweisen und

Fig. 4 eine Schweißelektrode, wie sie in der Erfindung Anwendung findet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine optische Abtastvorrichtung 1 zur optischen Kontrolle der Abnützung bzw. der Brauchbarkeit zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden 4, die insbesondere an einem Ende abgerundet sind, zur Verwendung in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie. Die Abtastvorrichtung 1 besteht aus einem Winkel 1, der einen senkrechten Schenkel 11 aufweist, mit dem der Winkel 1 auf eine Standfläche 2 montiert ist, mit einem auf die Standfläche 2 montierten Schenkel 11, und mit einem zum senkrechten Schenkel 11 ungefähr waagrecht verlaufenden Schenkel 10, so daß die Schenkel ungefähr rechtwinklig zueinander stehen. In den beiden Schenkeln 10, 11, und zwar in den beiden rechtwinklig zueinander stehenden, inneren Nachbarflächen, ist je ein optisches Element 5, 6 montiert, welches bevorzugt in einem Fenster des jeweiligen Schenkels sitzt. Ein jedes optische Element 5, 6 kann aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts bestehen, wobei der Lichtsender vorzugsweise ein zylindrisches Lichtbündel 12 der Querschnittsfläche F paralleler Licht strahlen auszusenden imstande ist. Das ausgesandte Lichtbündel 12 kann auch kegelförmig mit einem bestimmten Öffnungswinkel geformt sein. Zumindest muß eines der optischen Elemente 5, 6 sowohl einen Lichtsender als auch einen Lichtempfänger aufweisen.

Unterhalb des im waagrechten Schenkel 10 des Winkels 1 angeordneten optischen Elements 5 ist innerhalb der Standfläche 2 eine Aussparung 3 angeordnet zum Einführen und Plazieren der zylinder- oder stabförmigen Schweißelektrode 4. Dazu wird die Schweißelektrode von einem nicht gezeigten Automatenarm gehaltert und zum Vermessen des kontakt gebenden Endes in die Aussparung 3 eingeführt, so daß die kontaktgebende Spitze der Schweißelektrode nach oben zum optischen Element 5 innerhalb des waagrecht verlaufenden Schenkels 10 ragt. Vorzugsweise verjüngt sich die Aussparung 3 in Richtung nach oben, so daß die Schweiß elektroden aufgrund ihrer umlaufenden Kegelstumpffläche 8 mit dem kontaktgebenden Ende nach oben immer eine definierte, reproduzierbare Stellung innerhalb der Standfläche 2 bezüglich der optischen Abtast vorrichtung 1 einnehmen. Des Weiteren weist die Abtastvorrichtung eine opto-elektronische Auswerteeinheit 13 zur Auswertung der Signale der unterschiedlichen Lichtempfänger auf.

Die Schweißelektrode 4 besitzt einen bestimmten Durchmesser d sowie nach einigen Schweißvorgängen an der kontaktierenden, oberen Spitze einen umlaufenden stumpfen Kegelmantel 8, an den sich ein Plateau 9 als stirnförmige Abschlußfläche F_S anschließt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Funktion der optische Abtastvorrichtung 1 ist folgende, daß das ausgesandte Lichtbündel 12 wenigstens in Höhe des Plateaus 9 der stirnförmigen Abschlußfläche F_S der Elektrode eine gegebene, vorgebbare Querschnittsfläche F aufweist. Vorzugsweise besteht das Lichtbündel 12 aus parallelen Lichtstrahlen, jedoch sind gleichermaßen andere Strahlbündel anwendbar. Die Querschnittsfläche F des Lichtbündels 12 ist vorzugsweise gleich der maximal zulässigen Kontaktfläche F_Sb einer Elektrode 4, wobei diese Kontaktfläche Fb jeweils das Plateau 9 darstellt, wie es in den Fig. 3b und 4 gezeigt ist. Ist die Kontaktfläche der Elektrode 4 bzw. deren Plateau 9 kleiner als die Querschnittsfläche F des Lichtbündels 12, so reflektiert durch die konische Form des Endes der Elektrode derjenige Teil der Lichtstrahlen, der auf das Plateau 9 auftrifft, in den Lichtempfänger des optischen Elements 5 zurück, derjenige Teil der Lichtstrahlen, der über das Plateau 9 hinausgeht und auf die Kegelfläche 8 auftrifft, wird hingegen in den in den Lichtempfänger des optischen Elements 6 reflektiert. Ist das Plateau 9 zu groß, so wird das Lichtbündels. 12 nur zum optischen Element 5 reflektiert. Wenn nun allerdings das Plateau 9 aufgrund der vorangegangenen Schweißvorgänge abgebrannt und dunkel bzw. schwarz gefärbt ist, so empfängt das optische Element 5 nicht mehr genügend reflektierte Strahlung, was von der Auswerteeinheit 13 ausgewertet wird. Auf diese Weise kann mittels der Abtastvorrichtung 1 festgestellt werden, und zwar über die Verhältnisse der von den Plateaus .9 und von den Kegelfläche 8 der Elektroden empfangenen reflektierten Strahlbündel des Lichtbündels 12, ob das Ende der betreffenden Elektrode 4 noch brauchbar ist oder abgefräst werden muß oder ob die verbrauchte Elektrode durch eine neue Elektrode ersetzt werden muß. Die Auswertung kann beispielsweise durch entsprechende Verhältnis- bzw. Quotienten bildungen der reflektierten Strahlungen in den optischen Elementen 5 und 6 sowie durch entsprechende Empfindlichkeitseinstellungen an den beiden Lichtempfängern der optischen Elemente 5 und 6 realisiert werden.

In der Fig. 3 sind einige Abnutzungszustände von vier verschiedenen Schweißelektroden a, b, c und d mit den Plateauflächen F_Sa, F_Sb, F_Sc, F_Sd gezeigt. In Fig. 3a wird das vom Lichtsender abgestrahlte Lichtbündel 12 mit dem gegebenen Durchmesser S und der Fläche F zum Teil von dem Plateau 9 der Schweißelektrode 4 in Richtung der optischen Achse 13 zum oberen Lichtempfänger des optischen Elements 5 reflektiert, nämlich entsprechend der Fläche des Plateaus 9; das Plateau 9 selbst ist in Ordnung, was durch das Weiß des Plateaus 9 dargestellt ist. Gleichzeitig aber wird gemäß Fig. 3a ein Teil dieses Lichtbündels 12 von der schrägen, ringförmig umlaufenden Kegelfläche 8 in Richtung der optischen Achse 14 auf den Lichtempfänger des optischen Elements 6 reflektiert, so daß beide Lichtempfänger oder Sensoren ein Signal abgeben, welches jeweils von der Auswerteeinheit 13 ausgewertet wird.

In Fig. 3b fällt das Lichtbündel 12 vollständig auf das Plateau 9, weil der Durchmesser des Plateaus 8 gerade dem Durchmesser S des Lichtbündels entspricht. In diesen beiden Abbildungen besitzt das Plateau 8 auch eine bestimmte Struktur, die durch die weiße Fläche des Plateaus gekenn zeichnet sein soll und die eine bestimmte Reflexion zuläßt, das Plateau 9 soll auch hier noch als in Ordnung gelten. In den Fig. 3c und 3d besitzt das Plateau 9 jeweils eine abgebrannte, schwarze Struktur, was durch das schwarz ausgefüllte Plateau 9 gekennzeichnet ist und was natürlich ein anderes Reflexionsverhalten, nämlich schlechteres, besitzt, welches von den Lichtempfängern der optischen Elemente 5, 6 gemessen wird. In Fig. 3c fällt ein Teil des reflektierten Lichts in Richtung der optischen Achse 14 wiederum auf den Sensor bzw. den Lichtempfänger des optischen Elements 6. Gleichzeitig wird aufgrund der abgebrannten Struktur des Plateaus 9, was durch die Schwärzung gekennzeichnet ist, nur wenig Licht zum Lichtempfänger des optischen Elements 5 reflektiert. In Fig. 3d findet, wie in Fig. 3b, praktisch keine Reflexion auf den Sensor bzw. den Lichtempfänger des optischen Elements 5 statt, aber wegen der ausge dehntheit des Plateaus 9 wird auch kein Licht von der kleiner gewordenen Kegelfläche 8 reflektiert, weil das Lichtbündel 12 vollständig auf das Plateau 9 fällt, was natürlich von der Auswerteeinheit 13 festgestellt wird.

In der folgenden Tabelle sind diese Zustände zusammengefaßt:

Aufgrund der kreisrunden Fräsung durch den Frässer genügt es, wenn prinzipiell nur von einer Seite bzw. aus einer Richtung die Schweiß elektrode betrachtet wird. Durch den Fräser wird die Elektrode prinzipiell von oben auf dem Plateau 9 sowie seitlich auf der Kegelstumpffläche 8 gefräst. Auch können die Beleuchtungswinkel von 0 Grad bzw. 90 Grad unterschiedlich sein. Ebenso können die optischen Elemente 5, 6 auch gekrümmte Oberflächen aufweisen.

Claims

1. Optische Abtastvorrichtung (1) zur optischen Kontrolle der Abnützung zylinder- oder stabförmiger, insbesondere an einem Ende abgerundeter, Schweißelektroden (4) zur Verwendung in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie, bestehend aus einem optischen Element (5, 6) mit wenigstens einem ein Lichtbündel (12) aussendenden Lichtsender und wenigstens einem Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts sowie einer opto-elektrischen Auswerteeinheit (13) zur Auswertung der Signale des Lichtempfängers.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus einem auf eine Standfläche (2) montierten Winkel (1) mit einem senkrecht auf die Standfläche (2) montierten Schenkel (11) und einem dazu ungefähr waagrechten Schenkel (10) besteht, wobei in den beiden Schenkeln (10,11) je eines der optischen Elemente (5, 6) in einem Fenster montiert ist, wobei der Lichtsender des im waagrechten Schenkel montierten optischen Elements das Lichtbündel nach unten gerichtet abstrahlt und sich unterhalb dieses optischen Elements (5) innerhalb der Standfläche (2) eine Aussparung (3) befindet zum Einführen und Plazieren der zylinder- oder stabförmigen Schweißelektrode (4).

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (5) des waagrechten Schenkels (10) einen Lichtsender und einen Lichtempfänger und das optische Element (6) des senkrecht auf die Standfläche (2) montierten Schenkels (11) nur einen Lichtempfänger umfaßt.

4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus einem auf eine Standfläche (2) montierten U-förmigen Winkel mit zwei senkrecht auf die Standfläche (2) montierten Schenkeln und einem die senkrechten Schenkel ungefähr waagrecht verbindenden Schenkel besteht, wobei in den drei Schenkeln (10,11) je eines der optischen Elemente (5, 6) in einem Fenster montiert ist und sich unterhalb des optischen Elements (5) des waagrechten Schenkels (10) zwischen den beiden senkrechten Schenkeln innerhalb der Standfläche (2) eine Ausspa rung (3) befindet zum Einführen und Plazieren der zylinder- oder stab förmigen Schweißelektrode (4).

5. Abtastvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe aus zwei auf die Standfläche (2) montierte, sich kreuzende U- förmige Winkel besteht, wobei in den vier senkrechten Schenkeln sowie dem waagrecht verlaufenden Kreuzteil je eines der optischen Elemente (5, 6) angeordnet ist.

6. Abtastvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts des optischen Elements (5, 6) eine optische Kamera mit einer CCD-Matrix ist.

7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung des Endes des zylinder- oder stabförmigen Gegenstandes (4) zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts auf dem Lichtempfänger mittels eines Linsensystems oder eines Blenden systems erfolgt.

8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (5, 6) aus einem optischen Lichtsender, aber einer Mehrzahl von optischen Lichtempfänger bestehen.

9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Lichtsender ausgesendete Lichtbündel (12) zylindrisch oder eine kegelförmig gestaltet ist.

10. Verfahren zur optischen Kontrolle der Abnützung zylinder- oder stabförmiger Schweißelektroden (4), die in Automatenschweißgeräten für Punktschweißvorgänge in der Automobilindustrie Verwendung finden, und die an einem ihrer Enden eine Spitze, bestehend aus einem Plateau (9) und eine sich daran anschließenden, umlaufenden Kegelfläche, aufweisen, unter Verwendung einer optischen Abtastvorrichtung mit wenigstens einem optischen Element (5, 6) mit wenigstens einem ein Lichtbündel (12) aussendenden Lichtsender und wenigstens einem reflektiertes Licht auffangenden Lichtempfänger zum Empfang des von der Schweißelektrode reflektierten Lichts sowie einer opto-elektrischen Auswerteeinheit (13) zur Auswertung der Signale des bzw. der Licht empfänger(s), wobei die Spitze der Schweißelektrode mit dem Lichtbündel bestrahlt wird und das vom Plateau und/oder das von der Kegelfläche reflektierte Licht aufgefangen und ausgewertet wird, wobei das Verhältnis und/oder die Intensität bzw. die Lichtstärke des vom Plateau und/oder des von der Kegelfläche reflektierten Lichts gemessen und ausgewertet wird und daraus eine Aussage über die Brauchbarkeit der Schweißelektrode abgeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des vom Plateau (9) und des von der Kegelfläche (8) reflektierten Lichts entweder in ein- und demselben optischen Element oder in verschiedenen optischen Elementen vorgenommen wird, die die Schweißelektrode (4) umgeben.