DE19961625C1

DE19961625C1 - Teach-In-Verfahren (Programmhilfe) für das Erstellen von Programmen einer dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen mittels Festkörperlasern

Info

Publication number: DE19961625C1
Application number: DE19961625A
Authority: DE
Inventors: Christian Elsner
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 1999-12-13
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2019-12-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Teach-In-Verfahren (Programmierhilfe) für das Erstellen von Programmen einer dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen mittels Festkörperlasern. Dies soll ohne Verwendung beweglicher Teile erfolgen. Hierzu wird das Videobild der in Form eines Ringes mit einem Mittelpunkt auf eine Werkstückoberfläche projizierten Strahlung einer in die Bearbeitungsoptik eingesetzten Laserdiode in einem PC in ein Pixelbild umgewandelt und jeder Bildpunkt mit einem Helligkeitswert abgespeichert. Durch Integration über alle Bildpunkte wird der Mittelwert der Helligkeit gebildet und somit der ringförmige Auftreffort der Strahlung und sein Mittelpunkt von der Umgebung unterschieden. Dann erfolgen das Suchen des Mittelpunktes, die Höhenbestimmung durch Triangulation, die umlaufende Ermittlung der Radien vom Mittelpunkt aus, wobei eine sprunghafte Radienänderung als Nachweis einer Kante gewertet wird, und die Rekonstruktion der Form des Ringes und daraus die Ermittlung der Winkelstellung zur Werkstückoberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen, insbesondere beim Laserschweißen und -schneiden mit Hochleistungslasern werden an die Positioniergenauigkeit des Aktors hohe Anforderungen gestellt. Hauptsächlich werden dazu heute Portalanlagen und Gelenkarmroboter mit einer Strahlübertragung über Lichtleitkabel verwendet. Allerdings beeinträchtigen schon geringe Abweichungen von der idealen Bahn im Bereich weniger 1/10-Millimeter das Ergebnis. Verbesserungen in diesem Zusammenhang sind mit weiterentwickelten Nahtfolgesensoren wie z. B. sogenannten "Scout"-Sensoren erreicht worden, die bereits im Serieneinatz erprobt werden

Derartige Sensoren eignen sich aber nicht für die Bearbeitung von Bauteilen

- mit engen Radien, wegen der notwendigen Vorlaufstrecke für den Sensor,
- mit stark gekrümmten Konturen, wegen notwendiger aufwendiger Umorientierungen des Bearbeitungskopfes,
- mit schlechter Zugänglichkeit wie z. B. bei Innenkonturen,
- mit strukturierter, beschichteter und/oder reflektierender Oberfläche,
- ohne Naht oder Kante, an der sich der Sensor entlangtasten könnte. Dies gilt z. B. für Preßwerkzeuge, die durch nebeneinander liegende Spuren beschichtet werden sollen, für Schweißungen am Überlappungsstoß oder für das Ausschneiden von Durchbrüchen an 3D- Bauteilen.

In zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere bei der Fertigung nur kleiner Stückzahlen im Werkzeug-, Versuchs- und Prototypenbau ist die Bearbeitungskontur daher nach wie vor sozusagen "von Hand" zu programmieren. Folgende Hilfsmittel werden dabei wahlweise eingesetzt:

- mechanische Tastspitzen, die jedoch ungenau, empfindlich und schwierig zu justieren sind,
- induktive und kapazitive Sensoren zur Abstandsregelung, insbesondere bei Schneidköpfen, die sich dicht über der Werkstückoberfläche bewegen und deshalb eine eingeschränkte Zugänglichkeit bedingen,
- ein sichtbarer Pilotlaser, dessen Strahl mit einer Glasfaser übertragen wird, dessen Fokuslage jedoch nicht mit der des Arbeitslasers übereinstimmt,
- Triangulationssensoren zur Messung des Abstandes des Bearbeitungskopfes von der Werkstückoberfläche,
- ein rotierender Triangulationssensor (Fraunhofer Institut für Lasertechnik), bei dem die Berechnung der Orientierung der Arbeitsoptik zur Werkstückoberfläche durch Drehen des eindimensionalen Abstandssensors um die Laseroptik und Aufnahme der Abstandswerte erfolgt. Als nachteilig zeigt sich hier die Mechanik zum Bewegen des Abstandssensors, die störanfällig ist und die Zugänglichkeit zum Bauteil einschränkt.

Allen oben genannten Hilfsmitteln ist der Nachteil gemeinsam, daß mit diesen keine definierte Orientierung der Arbeitsoptik zur Oberfläche eingestellt werden kann, wie es z. B. beim Kehlnahtschweißen mit Lateralwinkel, beim Laserschneiden und beim Beschichten erforderlich ist. Weiterhin ist beim Einsatz dieser Hilfsmittel der Zeitaufwand für das genaue Programmieren einer Bahn verhältnismäßig hoch und der Aktor sowie unter Umständen auch der Laser sind während dieser Zeit für andere Anwendungen blockiert.

Bei einem aus der EP 0 531 558 B1 bekannten Verfahren der eingangs erwähnten Art und der entsprechenden Vorrichtung zum Positionieren und Steuern eines Lasers relativ zu einem Werkstück ist zwischen der Beobachtungsebene und dem Auftreffort des Laserstrahls ein zweigeteiltes optisches Filter vorgesehen, das eine Polarisationsgrundfolie aufweist. Mit Hilfe der CCD-Kamera und des optisch zweigeteilten Filters kann z. B. eine Schweißung aufgenommen und als Graubild in einem mit der CCD-Kamera gekoppelten Rechner (PC) ausgewertet werden, so daß sich zur Programmierung der Bewegungsbahn eines Schweißroborters der Abstand der Bewegungsbahn zur Werkstückoberfläche und die seitliche Abweichung zur Schweißnaht einfach und exakt bestimmen lassen.

An sich bekannt ist weiterhin aus der US 4 636 611, die sich auf optische Systeme zur Erzeugung statischer Strahlungsmuster bezieht, die Projektion eines kreisförmigen Lichtflecks zur Führung eines Bearbeitungskopfes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bei verhältnismäßig geringem Zeitaufwand eine effektive Hilfe für die Programmierung der dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen mittels Festkörperlasern ohne Verwendung beweglicher Teile ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die aus dem Patentanspruch 1 hervorgehenden Verfahrensschritte gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Durch die Kombination von Triangulation und der speziellen Bildauswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache Weise folgende Informationen gewinnen:

- der Abstand der Arbeitsoptik von der Werkstückoberfläche aus der Lage des Mittelpunktes im Kamerabild (Fig. 5a bis 5c). Dies ist besonders wichtig bei kleiner Schärfentiefe des Bearbeitungsstrahls,
- die Orientierung der Arbeitsoptik zur Werkstückoberfläche, d. h. der Winkel zwischen der Strahlachse und der Oberflächennormalen aus der Form des Lichtschnitts im Kamerabild (Fig. 5d bis 5f),
- die Bestimmbarkeit der seitlichen Abweichung von der Sollposition an einer Kehlnaht (Fig. 6a und 6d), an einem Überlappstoß (Fig. 6b und 6e) oder u. U. auch am Stumpfstoß (Fig. 6c und 6f) jeweils nach dem Lichtschnittprinzip,
- das Erkennen der Richtung der Naht an der Kehlnaht (Fig. 7).

Von Vorteil ist, daß die Auswertung der Bilddaten z. B. auf einem handelsüblichen PC implementiert werden kann, und zwar mit den folgenden Auswerteschritten:

- Grauwertfilterung (Hell-Dunkel-Schwelle)
- Suchen des Mittelpunktes
- Höhenbestimmung durch Triangulation
- vom Mittelpunkt aus die umlaufende Ermittlung der Radien r(α)
- Hinweis auf eine Kante bei einer sprunghaften Radienänderung
- Rekonstruktion der Form des Ringes aus den Radien und daraus Ermittlung der Winkelstellung zur Werkstückoberfläche.

Vor dem Programmieren der Bahn an der Robotersteuerung werden die einzuhaltenden Toleranzen im Auswerte-Programm eingetragen. Beim "Teachen" der Bahn werden die gemessenen Daten dann ständig mit den Vorgaben verglichen. Der Bedienungsperson wird angezeigt, welche Parameter noch zu korrigieren sind. Liegen alle Werte innerhalb der Toleranzen, so wird z. B. akustisch gemeldet, daß der Punkt übernommen werden kann.

Sofern die Steuerung des Aktors geeignet ist, kann auf das genaue Ausrichten der Bearbeitungsoptik in den einzelnden Bahnpunkten auch verzichtet werden. Die Punkte werden dann nur grob angefahren und die Meßeinrichtung errechnet die Abweichung zur Sollposition und korrigiert die Programmpunkte selbständig in der Steuerung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert: Darin sind:

Fig. 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Bearbeitungsoptik mit Strahlengang des Arbeitslasers in Zuordnung zu einer Werkstückoberfläche,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungskopfes entsprechend der Fig. 1, wobei jedoch anstatt des Fasersteckers ein eine Laserdiode aufweisender Einschub im Gehäuse der Bearbeitungsoptik und eine externe CCD-Kamera zur Beobachtung des Projektionsbildes der Strahlung der Laserdiode auf der Werkstückoberfläche vorgesehen sind,

Fig. 3 ein Kamerabild, aus dem eine Blechkante ablesbar ist,

Fig. 4 ein Pixelbild im Auswerterrechner, aus dem eine Blechkante ablesbar ist,

Fig. 5a-5f unterschiedliche Bilder beim Blick durch das Objektiv der Beobachtungkamera, aus denen die jeweilige Lage der Optik zur Werkstückoberfläche erkennbar ist,

Fig. 6a, 6b, 6c jeweils ein Bild beim Blick durch das Objektiv der Beobachtungskamera, aus dem jeweils die Lage einer Blechkante am Beispiel: Kehlnaht bzw. Überlappstoß bzw. Stumpfstoß erkennbar ist,

Fig. 6d, 6e, 6f jeweils eine Seitenansicht des Beispiels: Kehlnaht bzw. Überlappstoß bzw. Stumpfstoß, aus dem jeweils die Projektionsrichtung hervorgeht,

Fig. 7a, 7b, 7c je ein Bild beim Blick durch das Objektiv der Beobachtungskamera, aus dem die jeweilige Lage des Fokus zu einer Kante am Beispiel: Kehlnaht erkennbar ist, und

Fig. 7d eine Seitenansicht des Beispiels: Kehlnaht, aus der die Projektionsrichtung hervorgeht.

Fig. 1 zeigt schematisch den herkömmlichen Strahlengang eines Arbeitslasers in einer Bearbeitungsoptik mit einem Gehäuse 1, an dessen Innenwand 2 ein sich in Richtung der optischen Achse in das Gehäuse 1 hinein erstreckender Faserstecker 3 gehaltert ist, in dem der die Glasfaser 4 umfassende Fasermantel 5 aufgenommen ist. Die Glasfaser 4 hat einen Durchmesser von 0,6 mm. Der aus der Glasfaser 4 am innenseitigen Ende des Fasersteckers 3 austretende Strah lungskegel wird von einer Kollimierlinse 6 als zur optischen Achse parallele Strahlung auf einen um 45° zur Strahlrichtung geneigten Umlenkspiegel 7 gerichtet. Dieser lenkt die Strahlung um 90° um und auf eine Fokussierlinse 8, von der die Strahlung des Arbeitslasers durch ein nachgeordnetes, an der Wand des Gehäuses 1 gehaltertes Schutzglas 9 gerichtet und auf einer unterhalb des letzteren angeordneten Werkstückoberfläche 10 in einem Arbeitspunkt 11 fokussiert wird.

Gemäß Fig. 2 ist erfindungsgemäß im Gehäuse 1 der Bearbeitungsoptik der Faserstecker nach Fig. 1 durch einen Einschub 12 ersetzt, der eine Laserdiode 13 mit einer Ansteuerschaltung 14 aufweist, die mit einer Stromversorgung in Form eines 9 V-Akkus verbunden ist. Der Laserdiode 13 ist eine Projektionsoptik 15 und dieser wiederum eine Maske 16 in Strahlrichtung nachgeordnet, so daß der von der Laserdiode 13 erzeugte Strahlungskegel 17 mit einem Mittelstrahl 18 durch die ansonsten wie in Fig. 1 aufgebaute Projektionseinrichtung aus Kollimierlinse 6, Umlenkspiegel 7, Fokussierlinse 8 und Schutzglas 9 auf die Werkstückoberfläche 10 derart projiziert wird, daß er als Kreis oder Ellipse 19 mit einem Punkt (Arbeitspunkt) 20 in der Mitte erscheint. Diese Bild wird durch das Objektiv 22 einer externen, in Fig. 2 am Gehäuse 1 gehalterten Beobachtungskamera 21, die mit einem CCD-Chip 23 ausgerüstet ist, unter einem Winkel (Triangulationswinkel) β betrachtet und mittels einer mit der CCD- Beobachtungskamera 21 gekoppelten, in Fig. 2 nicht dargestellten automatischen Bildverarbeitung (PC; Videorecorder) in erfindungsgemäßer Weise ausgewertet. Durch Kombination von Triangulation und Bildauswertung werden in erfindungsgemäße Weise die erforderlichen Informationen der Programmierhilfe erhalten.

Die Fig. 3 und 4, die ein Kamerabild bzw. ein Pixelbild im Auswerterrechner zeigen, verdeutlichen den Hinweis auf eine Blechkante 24 durch die sprunghafte Radienänderung bei der umlaufenden Ermittlung der Radien r(α) vom Mittelpunkt aus.

Die Fig. 5a bis 5f verdeutlichen die Erkennung unterschiedlicher Lagen der Beobachtungsoptik zur Werkstückoberfläche 10 jeweils beim Blick durch das Objektiv 22 der Beobachtungskamera 21 und bei Wiedergabe des Projektionsbildes der Strahlung der Laserdiode 13 auf der Werkstückoberfläche 10 im Sichtbereich 25 der Beobachtungskamera 21. Ein Höhenversatz der Bearbeitungsoptik zur Werkstückoberfläche 10 bewirkt eine Verschiebung v des Bildes innerhalb des Sichtbereiches 25 der Beobachtungskamera 21, und zwar abhängig vom Triangulationswinkel. Gemäß den Fig. 5a, 5b, 5c ist der Abstand der Bearbeitungsoptik zur Werkstückoberfläche 10 korrekt bzw. zu groß bzw. zu klein.

Die seitliche Neigung der Beobachtungskamera 21 ändert die Form des projizierten Bildes auf dem Kamerachip. Gemäß den Fig. 5d, 5e, 5f ist die Position der Bearbeitungsoptik zur Werkstückoberfläche 10 parallel bzw. seitlich gekippt bzw. nach vorn oder hinten gekippt.

Die Fig. 6A, 6b, 6c verdeutlichen die Erkennung der Lage mindestens einer Blechkante 24 beim Blick durch das Objektiv 22 der Beobachtungskamera 21 am Beispiel einer Kehlnaht bzw. eines Überlappungsstoßes bzw. eines Stumpfstoßes, und die Fig. 6d, 6e, 6f zeigen jeweils entsprechend die Projektionsrichtung P bei diesen Beispielen.

Die Fig. 7a, 7b, 7c verdeutlichen schließlich die Erkennung der Lage des Arbeitspunktes (Fokus) 20 zu einer Blechkante 24 beim Blick durch das Objektiv 22 der Beobachtungskamera 21 am Beispiel der Kehlnaht. Hierbei ist gemäß den Fig. 7a, 7b, 7c die Fokuslage zur Blechkante 24 korrekt bzw. zu weit auf dem Oberblech 26 bzw. zu weit auf dem Unterblech 27.

Fig. 7d zeigt die entsprechende Projektionsrichtung P bei den Beispielen nach den Fig. 7A, 7b, 7c.

Liste der Bezugszeichen

1

Gehäuse

2

Innenwand

3

Faserstecker

4

Glasfaser

5

Fasermantel

6

Kollimierlinse

7

Umlenkspiegel

8

Fokussierlinse

9

Schutzglas

10

Werkstückoberfläche

11

Arbeitspunkt

12

Einschub

13

Laserdiode

14

Ansteuerschaltung

15

Projektionsoptik

16

Maske

17

Strahlungskegel

18

Mittelstrahl

19

Kreis oder Ellipse

20

Arbeitspunkt

21

Beobachtungskamera

22

Objektiv

23

CCD-Chip

24

Blechkante

25

Sichtbereich

26

Oberblech

27

Unterblech
v Verschiebung des Bildes
P Projektionsrichtung
β Triangulationswinkel

Claims

1. Teach-In-Verfahren (Programmierhilfe) für das Erstellen von Programmen einer dreidimensionalen Bearbeitung von Bauteilen mittels Festkörperlasern, insbesondere des Laserschweißens und -schneidens mittels Hochleistungslasern, bei der bzw. dem die Laserstrahlung über eine in einem verschiebbaren Bearbeitungskopf befindliche Arbeitsoptik auf einem Werkstück positioniert wird und die Lichtstrahlen, die ihren Ursprung im Umfeld des Auftreffortes des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche haben, von einer Beobachtungsoptik erfaßt werden, die eine mit einer automatischen Bildverarbeitung (PC) und mit einem Videorecorder gekoppelte CCD-Kamera aufweist und deren optische Achse zur Richtung des Laserstrahls im Auftreffort auf dem Werkstück unter einem Winkel verläuft, und die Abbildung des Auftreffortes des Laserstrahls auf dem Werkstück von der CCD-Kamera aufgenommen und als Graubild in dem Rechner (PC) ausgewertet wird sowie Abweichungen von vorgegebenen Größen des Abstandes und der Orientierung der Arbeitsoptik von bzw. zur Werkstückoberfläche durch das Triangulationsverfahren bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bearbeitungskopf eine Laserdiode eingesetzt wird, deren Strahlung als Lichtkegel mit einem Mittelstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet und im Auftreffort auf diese als kreis- oder ellipsenförmiger Ring mit einem Punkt in der Mitte projiziert wird, und daß die Auswertung des unter einem Winkel erfaßten Kamerabildes des Auftreffortes des Lichtkegels mit einem Mittelstrahl auf der Werkstückoberfläche in folgender Weise vorgenommen wird:

a) Das Videobild des Auftreffortes der Strahlung der Laserdiode wird über eine Frame-Grabber- Karte im PC in ein Pixelbild (Bitmap) umgewandelt, wobei jeder Bildpunkt mit einem Helligkeitswert (bei Schwarz-Weiß-Kameras üblicherweise 256 Graustufen) abspeichert wird.
b) Durch Integration über alle Bildpunkte oder durch vorherige Festlegung wird der Mittelwert der Helligkeit (Graustufe) zwecks Unterscheidung des ringförmigen Auftreffortes und dessen Mittelpunktes von der Umgebung gebildet, worauf jedem Pixel, das unterhalb der Schwelle liegt, der Wert 0 (Dunkel) und jedem Pixel, das oberhalb der Schwelle liegt, der Wert 1 (Hell) zugeordnet wird und das Videobild sich somit als zweidimensionales Feld mit den Elementen P(x, y) = 0 oder 1 (x: Spalte; y: Zeile des Pixels) darstellt.
c) Suchen des Mittelpunktes, der dadurch gekennzeichnet ist, daß eine bestimmte Anzahl benachbarter Punkte (z. B. fünf Pixel) hell, deren Umgebung jedoch dunkel sein müssen, so daß bei einem Mittelpunkt mit den Koordinaten xm und ym und der Ausdehnung von fünf Pixeln gilt:
P(y, x) = 1 für xm - 2 < x < xm + 2 und ym - 2 < y < ym + 2 bzw.
P(x, y) = 0 für xm - 2 < x < xm + 2 und ym - 2 < y < ym + 2,
wobei die Größe von xm und ym und somit die Lage des Mittelpunktes im Kamerabild die Höhenbestimmung der Arbeitsoptik zur Werkstückoberfläche durch Triangulation möglich machen,
d) Suchen des ringförmigen Auftreffortes, indem ausgehend von den bekannten Koordinaten des Mittelpunktes radial nach außen die Pixel auf Hell und Dunkel überprüft werden, wobei, da zwischen Mittelpunkt und Ring "Dunkel" liegt, der Ring "Hell" ist und danach bis zum Bildrand wieder "Dunkel" vorliegt, der Radius R des Ringes an einer Stelle durch Abzählen der dunklen Pixel erhalten wird und der Suchvorgang mehrmals vom Mittelpunkt aus umlaufend unter schrittweiser Änderung der Suchrichtung (z. B. in α = 1° Schritten) durchgeführt wird, bis 360 Radien R(α), die die Form des Ringes beschreiben, erhalten worden sind.
e) Bestimmen der Orientierung der Arbeitsoptik zur Werkstückoberfläche, indem die Radien a, b der Ellipse, zu der die Kreisringform des Auftreffortes des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche bei Neigung der Arbeitsoptik zur Werkstückoberfläche verzerrt wird, mittels folgender Gleichung ermittelt werden:
x²/a² + y²/b² = 1
f) Detektion von Bauteilkanten, indem die Radiusänderung, deren Größe proportional zur Kantenhöhe ist, bei kleinem Drehwinkel α ermittelt und und das Vorliegen einer Kante angenommen wird, wenn |R(α1) - R(α2)| einen vorgegeben Wert überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Suchen des Mittelpunktes gemäß Verfahrensschritt c) durch Matrizenrechnung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Suchen des Mittelpunktes gemäß Verfahrensschritt c) durch mehrere Programmschleifen durchgeführt wird.