DE3034977A1

DE3034977A1 - Einrichtung zur erfassung von oberflaechenstrukturen eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3034977A1
Application number: DE19803034977
Authority: DE
Inventors: Heinrich Rudolf Dipl.-Ing. 3181 Barwedel Delp; Karl-Heinz Dipl.-Phys. Dr. 3171 Weyhausen Sonnenberg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1982-04-22

Description

Einrichtung zur Erfassung von Ober-
flächenstrukturen eines Werkstücks Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich im Rahmen einer Schweißvorrichtung, so ist man im Zuge der Automatisierung daran interessiert, durch selbsttätig erfolgende Relativbewegung zwischen Werkstück und Schweißvorrichtung diese zunächst selbsttätig in die Schweißposition zu bringen und dann nach Erreichen dieser vorgegebenen Position die Schweißvorrichtung einzuschalten. Dabei ist in der Regel die Stelle, an der die Schweißnaht oder dergleichen zu erzeugen ist, durch eine bestimmte Oberflächenstruktur, beispielsweise eine Stufe, im Werkstück charakterisiert.
Zum Erkennen von Oberflächenstrukturen, beispielsweise der Lage von Schweißnähten in einem von einem Coil abgezogenen Blech, ist es bekannt, Anderullgen der Reflexion eines Lichtstrahls am Ort der Schweißnaht zur Gewinnung von Signalen auszunutzen. Schwierigkeiten bzw. einen erheblichen zusätzlichen auf wand verursacht aber die erforderliche Unterdrückung von Störlicht.
Der Einsatz der Erfindung ist jedoch keineswegs begrenzt auf Schweißvorrichtungen. Im Rahmen der Erzeugung von Steuersignalen ist die Erfindung immer dann einsetzbar, wenn ein steuerungstechnischer Ausgleich von Toleranzen im Rahmen von programmgesteuerten Fertigungsverfahrer erforderlich ist, beispielsweise also auch bei Klebvorrichtungen oder Transportvorrichtungen, die mit selbsttätiger Aufnahme von Teilen arbeiten. Außerdem läßt sich die Erfindung mit Vorteil bei der Kontrolle von Oberflächenstrukturen einsetzen.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine allgemein einsetzbare Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die Störgrößen mit nur geringem Aufwand an noch dazu handelsüblichen, erprobten Baugruppen oder dergleichen unwirksam zu machen gestattet und selber ebenfalls nur einfache, in ihrer Technik leicht beherrschbare Bestandteile aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung beruht also auf der Erfassung der Störung eines Düsenfreistrahls durch Oberflächenstrukturen des Werkstücks. Der durch den Freistrahl hervorgerufene Schallpegel wird durch Annäherung der Werkstückoberfläche an die Düse erhöht, im umgekehrten Falle verringert. Die damit verbundenen Änderungen des Schallpegels bzw. des zeitlichen Verlaufs desselben oder aber der Frequenzzusammensetzung des vom Schallempfänger aufgenommenen Schalls können in verschiedener Weise, wie in den Patentansprüchen 4, 5 und 6 geschützt,. zur Gewinnung entsprechender Signale ausgewertet werden.
Der für die erfindungsgemäße Einrichtung erforderliche Aufwand ist dann besonders gering, wenn das Bearbeitungsverfahren ohnehin eine Luft- bzw. Gasströmung an der Bearbeitungsstelle erfordert, wie dies bei einer Schutzgasschweißung der Fall ist. Dann kann gemäß Patentanspruch 3 der Freistrahl durch den Schutzgasstrahl selber gebildet sein, der die Düse durchströmt.
Wie im Patentanspruch 7 angegeben, können auch mehrere Schallempfänger zur Gewinnung von Korrelationssignalen vorgesehen sein. Man wird diese Schallempfänrer relativ zueinander so anordnen, daß sie in ihrer Gesamtheit ein Signal erzeugen, das eine bestimmte Stelle der Werkstückoberfläche, beispielsweise eine solche, an der eine Schweißverbindung hergestellt werden soll, eindeutig bestimmt. Die Verwendung mehrerer Schallempfänger kann aber auch sinnvoll sein zur Gewinnung eines weiteren Kriteriums für die auszuwählende Oberflächenstelle, indem beispielsweise die Erstreckung einer Kante quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück zur Signaigewinnung mit erfaßt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 die wesentlichen Bestandteile der Einrichtung, teilweise im Schnitt, nebst Werkstück, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Schallpegels im Bereich einer kantenartigen Oberflächenstruktur des Werkstücks, Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Signalgewinnung und die Fig. 4 u. 5 weitere Blockschaltbilder zur Erläuterung verschiedener Auswertemöglichkeiten.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist angenommen, daß das-in diesem Ausführungsbeispiel mi#t einer Schweißnaht zu versehende Werkstück 1 zwei Bleche 2 und 3 enthält und cie Schweißnaht- an der Kante 4 des oberen Blechs 2 anzubringen ist.
Oberhalb des Werkstücks 1 werden die Düse 5 und das den Schallempfänger bildende Mikrofon 6 il Richtung des Pfeils 7 bewegt, bis der die Düse 5 durch setzende Schweißdr-ht 8 die Schweißposition erreicht hat. Dann wird in diesem Ausführungsbei. piel die Relativbewegung gemäß Pfeil 7 unterbrochen und der Schweißstrom e ngeschaltet.
Die hierzu erforderlichen Steuersignale werden durch Ausnutzung des Schallpegels mittels des Mikrofons 6 gewonnen, der hervorgerufen wird durch den mit Überdruck durch die Düse 5 strömenden Schutzgasstrahl 9 in Verbindung mit der Oberflächenstruktur des Werkstücks 1, also hier insbesondere in Verbindung mit der Stufe 4.
Einen beispielsweiss Verlauf des Schallpegels über der Zeit t (der praktisch mit dem Verlauf über dem Weg der Relativbewegung gemäß Pfeil 7 übereinstimmt) zeigt Fig. 2: Bei Relativbewegung zwischen Düse 5 und Werkstück 1 längs der Oberfläche des unteren Blechs 3 tritt der bei 20 angedeutete Schallpegel auf.
Sobald der Ort der Kante 4 erreicht ist, steigt der Schallpegel mit einem großen Gradienten 21 auf Werte an, die oberhalb eines Schwellwerts 22 liegen. Damit kann also der Gradient 21 oder aber das Erreichen des Schwellwerts 22 zur Gewinnung eines Signals dafür herangezogen werden, daß der -Schweißdraht 8 die Schweißposition erreicht hat. Verständlicherweise ändert sich auch das Frequenzspektrum in dem vom Mikrofon 6 erfaßten Schall, so daß auch die Frequenzzusammensetzung oder gegebenenfalls das Auftreten einzelner, im Ultraschallbereich liegender Frequenzen als Kriterium für das Erreichen der vorgegebenen Sc,hweißposition herangezogen werden kann.
In der Regel wird die Relativbewegung gemäß Pfeil 7 nunmehr beendet und der Schweißstrom eingeschaltet; beide Vorgänge werden durch das mittels des Mikrofons 6 erzeugte Signal ausgelöst.
In Fig. 3 ist angenommen, daß die von dem Schallempfänger 30 erzeugten Signale nach entsprechender Verarbeitung und Aufbereitung in der Stufe 3i und der Steuersignalerzeugerstufe 32 einem Handhabungsautomaten 33 zugeführt werden, der eine Art Grobpositionierung nach einem gespeicherten Programm vornimmt und dann durch die durch Abtasten des Schallfelds mittels des Schallempfängers 30 erzeugten Steuersignale eine Feinsteuerung erfährt.
Gerrsäß Fig. 4 kann, wie bereits anhand Fig. 2 ausgeführt, dem Schallempfänger 40 ein Frequenzanalysator 41 mit vorgeschaltetem, eine Bandbegrenzung aufweisendem Vorverstärker 42 nachgeschaltet sein. Der Oszillograph 43 gestattet die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des Schallpegels gemäß Fig. 2, und das Ausgangssignal des Frequenzanalysators 41 wird mittels des Recorders 44 festgehalten.
Während in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen nur ein Schallempfänger Einsatz fand, sind in Fig. 5 zwei Schallempfänger 50 und 51 vorgesehen, die über den Korrelator 53 zur Erzeugung eines Korrelationssignals, das wiederum einem Eecorder 54 zugeführt wird, zusammengeschaltet sind. Der Oszillograph 55 gestattet die Beobachtung der von den Schallempfängern 50 und 51 kommenden Einzelsignale.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß in Abhängigkeit vom Vordruck des Luft-oder Gasstrahls vor der Düse 5 und der Oberflächenstruktur auch charakteristische Schwingungen angeregt werden können, die ebenfalls ausgewertet werden können.
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Claims

Patentansprüche Einrichtung zur Erfassung von Oberflächenstrukturen eines Werkstücks, insbesondere zur Gewinnung von Einschaltsignalen für eine Schweißvorrichtung, mit einem Erzeuger für eine durch die Oberflächenstruktur signifikant veränderbare physikalische Größe und einem Detektor für die Änderungen der Größe bei Relativbewegungen zwischen der Einrichtung und dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Düse (5) zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Werkstücks (1) gerichteten Luft- oder Gasfreistrahls (9) enthält und der Detektor ein Schallempfänger (6) für den durch den Freistrahl (9) hervorgerufenen Schallpegel ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger (6) mit einer Signalaufbereitung (31,32) zur Gewinnung von Einschaltsignalen für eine Schweißvorrichtung verbunden und die Düse (5) von einem Schweißdraht (8) durchsetzt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Freistrahl ein Sciutzgasstrahl (9) ist.
4. Einrichtung n<,ch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schal,empfänger (6) ein Diskriminator für die Höhe des Schallpegels nachge:'chaltet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schallempfänger (40) ein Filter (42) nachgeschaltet ist, das nur für vorgegebene, im Ultraschallbereich liegende Frequenzen durchlässig ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schallempfänger (6) ein Differenzierglied zur Erfassung starker Gradienten im zeitlichen Verlauf des Schallpegels nachgeschaltet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schallempfänger (50,51) versetzt angeordnet und zur Gewinnung von Korrelationssignalen zusammengeschaltet sind.