DE3030404A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen erkennung der geometrischen zuordnung von unter waermeeinwirkung stehenden werkstuecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur automatischen erkennung der geometrischen zuordnung von unter waermeeinwirkung stehenden werkstuecken

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DE3030404A1
DE3030404A1 DE19803030404 DE3030404A DE3030404A1 DE 3030404 A1 DE3030404 A1 DE 3030404A1 DE 19803030404 DE19803030404 DE 19803030404 DE 3030404 A DE3030404 A DE 3030404A DE 3030404 A1 DE3030404 A1 DE 3030404A1
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Wolfgang 8000 München Kanis
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SUEDDEUTSCHES MECHANISCHES WER
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/12Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B23K9/127Means for tracking lines during arc welding or cutting
    • B23K9/1272Geometry oriented, e.g. beam optical trading
    • B23K9/1274Using non-contact, optical means, e.g. laser means

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur automatischen
  • Erkennung der geometrischen Zuordnung von unter Wärmeeinwirkung stehenden Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Erkennung der geometrischen Zuordnung von unter Wärmeeinwirkung stehenden Werkstücken, insbesonderewrhrend eines Schweßvorgangs, durch zeilenweises Abtasten von Einzelpunkten im Bereich einer Meßzone und Umwandlung der Messignale zuerst in eine digitale Information, dann in der Geometrie entsprechende Signale.
  • Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der Deutschen Patentanmeldung 26 06 123. Dabei wird das Bild der Schweißfuge von einer dem Schweißkopf vorauslaufenden opitschen Kamera in Einzelpunkte aufgelöst und die Helligkeit der Einzelpunkte mit einem Schwellwert verglichen.
  • Im Ergebnis entstehen dabei Bilder der Schweßfuge in rechteckiger Darstellung, aus denen Informationen für die Regelung der Schweißparameter abgeleitet werden. Die dabei verwendete Einrichtung hat wie alle optischen Abtastsystem den Nachteil, daß für eine einwandfreie Funktion das Vorhandensein einer kontrastreich sich abbildenden Schweißfuge vorauszusetzen ist. Damit ist das Anwendungsgebiet des bekannten Verfahrens stark eingeschränkt. Eine Anwendung auf Schweißaufgaben, bei denen Werkstücke auf einer Unterlage aufgeschweißt werden, kommt für das bekannte Verfahren kaum in Frage.
  • Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein universell anwendbares Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die geometrische Zuordnung zweier unter Wärmeinwirkung stehender Werkstücke sicher zu ermitteln.
  • Diese Aufgabe wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrensvorschlags dadurch gelöst, daß in einer Infrarotkamera ein den Einzelpunkten entsprechendes elektronisches Rasterbild der Temperaturverteilung erzeugt wird, daß eine dem Rasterbild entsprechende analoge Spannungsverteilung in eine digitale Form umgesetzt und gespeichert wird, daß die Digitalwerte miteinander verglichen werden, wobei der maximale Differenzwert zwischen benachbarten Digitalwerten ermittelt wird, daß dem ermittelten Maximalwert eine geometrische Koordinate zugeordnet wird und daß dieser Vorgang zeilenweise wiederholt wird.
  • Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schweißkopfpositionierung umfaßt eine auf eine Meßzone vor dem momentanen Schweißpunkt gerichtete Infrarotkamera, deren dem Temperaturbild der Meßzone entsprechende Anlalogsignale einem zugeordneten Digitalumwandler und über einen Bildspeicher als digitales Temperaturbild einem nachgeschalteten Rechner zugeführt werden, der den ermittelten maximalen Temperaturdifferenzen entsprechende Steuersignale in einen Regelkreis einer zugeordneten Schweißkopfsteuerung zuleitet.
  • Im Rahmen der Erfindung wird die Überlegung ausgenutzt, daß bei zwei erwärmten Werkstücken unterschiedliche Wärmeverteilungen auftreten, so daß sich entsprechend unterschiedliche Temperaturbilder längs eines abzutastenden Randes zwischen den beiden Werkstücken ergeben. Im Falleeines Schweißvorgangs stellt der Schweißpunkt selbst die Wärmequelle dar; gleichzeitig bildet er den Ausgangspunkt zur Ermittlung der Koordinaten für die Schweißkopfsteuerung. Die Infrarotkamera läuft dem Schweißpunkt in Schweißrichtung voraus, z.B.
  • in einem Abstand von einigen Zentimetern und tastet innerhalb einer durch die Kamera,optik vorgegebenen Meßzone die Temperatur einer größeren Zahl von Einzelpunkten ab, so daß im Ergebnis ein elektronisches Rasterbild der Temperaturverteilung entsteht wobei jede Temperatur durch eine bestimmte Spannung repräsentiert ist. Ein derartiges Temperatur- bzw. Spannungsgebirge im Bereich einer Meßzone zeigt an dem abzutastenden Rand zwischen den beiden miteinander zu verschwißenden Werkstücke einen steilen Abfall, um beim anschauli-.chen Bild des Temperaturgebirges zu bleiben.
  • Diese Unstetigkeit des Temperaturverlaufs im Bereich des abzutastenden Randes wird zur geometrischen Festlegung des Randverlaufs verwendet. Im Falle eines Schweißvorgangs wird der auf diese Weise ermittelte Verlauf der Schweißfuge bzw. des Schweißrandes in Steuersignale zur entsprechenden Bewegung des Schweißkopfs verwendet, was für alle bekannten Schweißverfahren möglich ist.
  • Im allgemeinen genügt es, die zeilenweise Abtastung innerhalb der Meßzone in nur einer Richtungdurchzuführen; in besonders gelagerten Fällen,bei denen der Verlauf des abzutastenden Randes nur durch geringe Temperaturunterschiede markiert ist, beispielsweise, weil-sich die Einflüsse eines vorhandenen Luftspalts einerseits und der unterschiedlichen Blechstärke zwischen den beiden Werkstücken andererseits gegenseitig nahezu aufheben, ist es vorteilhaft, daß die zeilenweise Abtastung einer Meßzone in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen durchgeführt wird.
  • Eine derartige Abtastmethode kann auch bei starken Richtungsänderungen der Schweißfuge bzw. des Schweißrandes zweckmäßig sein.
  • Was die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft, so wird es im allgemeinen genügen, die Infrarotkamera unabhängig vom Schweißkopf ortsfest anzuordnen und, durch entsprechendes Verschwenken ihrer Optik dem Schweißkopf vorauslaufen zu lassen.
  • In vielen Fällen ist es aber auch ausreichend, die Kamera auf dem Schweißkopf zu montieren.
  • Für diesen F#all ist bereits eine feste geometrische Zuordnung zwischen Meßzone und Schweißkopf gegeben, wodurch sich die Steuerung des Schweißkopfs vereinfach.
  • Bei Verwendung von Schweißrobotern, deren Programmierung einem Soll-Verlauf der Schweißnaht entspricht, genügt es, wenn durch das erfindungsgemäße Verfahren die Abweichungen von dem vorgegebenen Sollwert ermittelt werden, was durch entsprechenden Soll-Ist-Vergleich in einem Regelkreis zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Schweißroboter erfolgt.
  • Im folgenden wird ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 2 bis 4 ein Funktionsschema beim stumpfen Verschweißen zweier Bleche und Fig. 5 bis 7 ein Funktionsschema beim Aufschweißen eines Blechwinkels auf ein ebenes Blech.
  • Gemäß Fig. 1 wird oberhalb einer Schweißebene 1 ein Schweißkopf 2 in Schwe#ichtung R bewegt.
  • Mit dem Schweißkopf 2 ist starr gekoppelt eine Infrarotkamera 3, deren Optik 4 eine Meßzone 5 auf der Schweißfläche 1 definiert. Innerhalb der Meßzone 5 werden nach einem bestimmten Raster Temperaturpünkte gemessen. Den Analogwerten der Temperatur in diesen Temperaturpunkten werden in einem nachgeschalteten Analog-Digital-Umwandler 6 entsprechende Digitalwerte zugeordnet. In einem nachgeschalteten Bildspeidier 7 entsteht ein' digitales Temperaturbildder gesamten Meßzone, welches in einem dem Bildspeicher nachgeschalteten Rechner 8 ausgewertet wird. Bei dimer Auswertung wird jeder Temperaturpunkt mit benachbarten Temperaturpunkten verglichen und die ermittelten Differenzwerte zur geometrischen Festlegung des abzutastenden Schweißrands bzw. der Schweißfuge verwendet. Der Ort der Schweißfuge bzw. des Schweißrands ist dabei defiriert durch den Ort der größten ermittelten Temperaturdifferenz. Die örtliche Festlegung der größten Temperaturdifferenz, z.B. pro abgetasteter Zeile innerhalb der Meßzone wird umgesetzt in ein entsprechendes Steuersignal, welches in einem Regelkreis zwischen dem Rechner 8 und einer Schweißkopfsteuerung 9 eingegeben wird. Rechner 8 und Schweißkopfsteuerung 9 arbeiten dabei im Sinne einer echten Regelung mit Rückkopplung zusammen. Bei Verwendung eines einfachen Schweißkopfs ohne Steuerung mit Sollwertvorgabe steuert der Rechner 8 direkt die Schweißkopfbewegung, wobei entsprechende analoge Steuersignale den Eingängen des Schweißkopfs, wie durch die gestrichelte Linie 1O#symbolisiert, zugeführt werden.
  • Fig. 2 zeigt zwei stumpfgestoßene Bleche 11, 12 mit einer unregelmäßg verlaufenden Schweißfuge 13.
  • Der erste Schweißpunktalso bei Beginn des Schweißvorgangeslsei bei 14 am auf dem Zeichenblatt unteren Rand der beiden Bleche angenommen. Diesem ersten Schweißpunkt 14 eilt die Kamera in Schweißrichtung R entsprechend voraus und tastet eine erste Meßzone 5 ab. Dieser Meßvorgang wird in der Schweißgeschwindigkeit angepassten Intervallen ständig wiederholt. Der Schweißkopf wird dadurch entsprechend dem unregelmäßigen Verlauf der Schweißfuge gesteuert.
  • Fig. 3 zeigt ein vergrößertes Bild der Meßzone 5 mit qualitativ angegebener Wärmeflußrichtung bzw. Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend den Linien 15. Der näher am Schweißpunkt liegende Rand 16 der Schweißzone 5 ist dabei durch eine höhere Wärmedichte gekennzeichnet als der gegenüberligende Rand 17. Im Bereich der Schweißfuge 13 ist der Wärmefluß unterbrochen.
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt IV-IV durch das innerhalb der Meßzone ermittelte Temperaturgebirge, wobei der Temperaturverlauf T in Schnittrichtung aufgezeigt ist. Im Bereich der Schweißfuge zeigt sich ein tifer Graben 18 des Temperaturverlaufs.
  • Einen qualitativ anderen Temperaturverlauf ergibt die Meßzone 5 gemäß Fig. 6, welche einen Rand 19 zwischen einem Blechwinkel 20 und einer ednen Blechplatte 21, wie in Fig. 5 dargestellt, abtastet.
  • Bei der Darstellung gem. der Fig. 7 wird eine ideale Auflage des Blechwinkels auf der Unterlage vorausgesetzt, d.h. ein Luftspalt zwischen Blechwinkel und Unterlage vernachlässigt. Der Wärmewiderstand im Bereich des Blechwinkels der Meßzone 5 ist durch die übereinanderliegenden Blechschichten geringer, so daß eine raschere W&rmeausbreitung in der linken Hälfte der Meßzone 5 gem. Fig. 6> also eine höhere Wärmedichte festzustellen ist.
  • Eine geringere Wärmedichte ergibt sich im Bereich der rechten Hälfte der Meßzone 5, also in dem rechts vom abzutastenden Rand 19 liegenden Bereich der Meßzone 5.
  • Fig. 7 zeigt den Temperaturverlauf längs eines Schnitts VII-VII durch das gemessene Temperaturgebirge innerhalb der Meßzone 5. Der Temperaturverlauf entspricht qualitativ der in Fig. 6 eingetragenen Wärmeflußdichte, d.h. links vom Schweißrand 19 ist das Temperaturniveau hoch; es fällt sodann im Bereich des Schweißrands 19 stark ab und verbleibt dann auf einem relativ niedrigen Niveau im Bereich der rechten Hälfte der Meßzone 5.
  • Leerseite

Claims (6)

  1. Patentansprüche Verfahren zur automatischen Erkennung der geometrischen Zuordnung von unter Wärmeeinwirkung stehenden Werkstücken, insbesondere während eines Schweißvorgangs, durch zeilenweises Abtasten von Einzelpunkten im Bereich einer Meßzone und Umwandlung der Messignale zuerst in eine digitale Information, dann in der Geometrie entsprechende Signale, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Infrarotkamera (3) ein den Einzelpunkten entsprechendes Rasterbild der Temperaturverteilung erzeugt wird, daß eine dem Rasterbild entsprechende analoge Spannungsverteilung in eine digitale Form umgesetzt und gespeichert wird, daß die Digitalwerte miteinander verglichen werden, wobei der maximale Differenzwert zwischen benachbarten Digitalwerten ermittelt wird, daß dem ermittelten Maximalwert eine geometrische Koordinate zugeordnet wird und daß dieser Vorgang zeilenweise wiederholt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Koordinatenwerte in elektrische Steuersignale zur Bahnsteuerung eines Schweißkopfes (2) umgewandelt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßpunkte innerhalb der Meßzone (5) zeilenweise nacheinander abgetastet werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastvorgang für eine Meßzone (5) in regelmäßigen zeitlichen Abständen für diese oder folgende Meßzonen (5) wiederholt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeilenvweise Abtastung einer Meßzone (5) in zwei zueinander senkrechten Koordinanterichtungen durchgeführt wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchruhrung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Schweißkopfpositionierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Meßzone (5) vor dem momentanen Schweißpunkt (14) gerichtete Infrarotkamera (3) vorgesehen ist, deren dem Temperaturbild der Meßzone (5) entsprechende Analogsignale einem zugeordneten Digitalumwandler (6) und über einen Bildspeicher (7) als digitales Temperaturbild einem nachgeschalteten Rechner (8) zugeführt werden, der den ermittelten maximalen Temperaturdifferenzen entsprechende Steuersignale in einen Regelkreis einer zugeordneten Schweißkopfsteuerung (9) leitet.
DE19803030404 1980-08-12 1980-08-12 Verfahren und vorrichtung zur automatischen erkennung der geometrischen zuordnung von unter waermeeinwirkung stehenden werkstuecken Withdrawn DE3030404A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2540019A1 (fr) * 1983-02-01 1984-08-03 Canadian Patents Dev Procede et dispositif de soudage
US4477712A (en) * 1982-04-26 1984-10-16 General Electric Company Arc-welding seam-tracking applications employing passive infrared sensors
EP0165501A1 (de) * 1984-05-23 1985-12-27 Hitachi, Ltd. Schweissüberwachungssystem durch Schweissbildauswertung

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