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Verfahren und Vorrichtung zur automatischen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus
den Unteransprüchen 2 bis 5.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine derartige Abtastmethode kann auch bei starken Richtungsänderungen
der Schweißfuge bzw. des Schweißrandes zweckmäßig sein.
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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.
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In vielen Fällen ist es aber auch ausreichend, die Kamera auf dem
Schweißkopf zu montieren.
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Für diesen F#all ist bereits eine feste geometrische Zuordnung zwischen
Meßzone und Schweißkopf gegeben, wodurch sich die Steuerung des Schweißkopfs vereinfach.
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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.
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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.
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Gemäß Fig. 1 wird oberhalb einer Schweißebene 1 ein Schweißkopf 2
in Schwe#ichtung R bewegt.
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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.
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Fig. 2 zeigt zwei stumpfgestoßene Bleche 11, 12 mit einer unregelmäßg
verlaufenden Schweißfuge 13.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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