DE3228014A1

DE3228014A1 - Verfahren und einrichtung zur lagesteuerung eines werkzeugs relativ zu einem werkstueck

Info

Publication number: DE3228014A1
Application number: DE19823228014
Authority: DE
Inventors: Robert Coy 94040 Mountain View Calif. Bolles; Jan Howard 95006 Boulder Creek Calif. Kremers
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1981-08-28
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-03-10
Also published as: FR2511917A1; SE8204895D0; US4412121A; FI822967L; FI822967A0; JPS5844972A; DK385982A; SE8204895L; NO822589L; GB2104652A

Description

Patentanwälte
DlpL-Ing. Hans-JUpgen Müller Dlpl.-Chem. Dr. Gerhard 8chupfner Dlpl.-Ing. Hans-Peter Gauger Luclto-enhn-Str. 3B-D 8000 München 80

SRI International 333 Ravenswood Ave» Menlo Park, CA 94025 V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zur Lagesteuerung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück

32280H

Verfahren und Einrichtung zur Lagesteuerung eines Werkzeugs

relativ zu einem Werkstück

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Einrichtung und ein Verfahren zur Positionierung eines Werkzeugs, z. B. eines Schweißkopfs, relativ zu einem Werkstück unter Anwendung der optischen Erfassung mit spezieller Eignung für die automatische Echtzeit-Steuerung beim Lichtbogenschweißen,
wobei eine Vielzahl unterschiedlich geformter Werkstücke zu schweißen ist.

Es ist seit längerem bekannt, daß die Bereitstellung einer
automatischen Lichtbogenschweißeinrichtung bzw. eines
entsprechenden Verfahrens erwünscht ist. Es besteht ein
starker und zunehmender Mangel an ausgebildeten Schweißern. Dieser Mangel wird noch durch die schlechten Arbeitsbedingungen in den meisten Lichtbogenschweiß-Anlagen und den
daraus resultierenden häufigen Personalwechsel verstärkt.

32280U

Außerdem wird von Seiten der Regierung und der Gewerkschaften zunehmend Druck ausgeübt dahingehend, daß Personal von gefährlicher oder potentiell gesundheitsschädlicher Umgebung abzuziehen ist..

Zusätzlich zu den genannten Paktoren besteht die ständig zunehmende Notwendigkeit einer Verringerung der unmittelbaren Arbeitskosten, die bei der Herstellung von lichtbogengeschweißten Gütern anfallen. Die Bedeutung dieser Notwendigkeit wird dadurch unterstrichen, daß Lohn- und zugehörige Gemeinkosten mehr als 80 % der direkten Kosten pro Schweißnaht-Längeneinheit ausmachen.

Ferner werden in der Automobilindustrie und in anderen Industriezweigen immer mehr Werkstoffe eingesetzt, die gegenüber Schweißfehlern empfindlich sind. Solche Werkstoffe erfordern eine höhere Schweißgüte, als sie von einem menschlichen Schweißer gewährleistet werden kann.

Es wurden zwar bereits verschiedene Vorschläge zur automatischen Positionierung von Schweißköpfen gemacht; es ist jedoch zu beachten, daß bei vielen manuellen Schweißvorgängen der Schweißer nicht nur als Manipulator, sondern auch als Echtzeit-Erfassungs- und Rückführmedium dient, indem er geringfügige Nachstellungen der Schweißparameter und des Schweißverfahrens zur Anpassung an festgestellte Änderungen der Verbindungs-Orientierung, -Abmessungen und -Passung vornimmt. In gewissem Umfang kann diese Anpassung durch speziell ausgelegte Hartwerkzeugbestückung oder durch einen vorprogrammierten Positionierer erfolgen. In vielen Fertigungssituationen ist diese Möglichkeit jedoch nicht anwend-

-X-¹I

bar infolge der vorhandenen Ungenauigkeiten der Forragebungs- und Schneidverfahren, die für die Werkstückherstellung angewandt werden, und infolge anderer unvorhersehbarer thermischer und mechanischer Auswirkungen. Es ist daher erforderlich, ein automatisches Schweißsystem mit der Möglichkeit der Echtzeit-Feststellung und -Analyse von erfaßten Daten auszurüsten. Dies ermöglicht es der Schweißeinrichtung, der Schweißnaht räumlich zu folgen und gleichzeitig Schweißparameter, etwa den Drahtvorschub und die Bewegungsgeschwindigkeiten, die Lage des Brenners und die Lichtbogenspannung, zu justieren. Die Echtzeit-Datenerfassung und -Datenanalyse ermöglicht es einem automatischen Schweißsystem ferner, unter alternativen Schweißverfahren, z. B. dem Raupenlegen, d. h. Pendeln zur Überbrückung von Passungsspielräumen, zu wählen, um eine Anpassung an Änderungen der Art der Schweißverbindung, ihrer Geometrie, Lage und Passung zu erreichen.

Derzeit verfügbare Sensoren oder Fühler für das Lichtbogenschweißen sind in drei allgemeine Kategorien zu unterteilen. Die erste Kategorie verwendet irgendeine Art von mechanischen oder tastenden Kontaktelementen, z. B. elektromechanische Sonden und verschiedene Arten von Führungsrollen und -stiften. Die zweite Kategorie verwendet Wirbelstrom-Fühlelemente. Die dritte Kategorie arbeitet mit Rückführung von Schweißparametern wie der Bogenspannung oder Stromverläufen zur Steuerung des SchweißVorgangs.

Diese Systeme weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Sowohl die mechanischen als auch die Wirbelstrom-Fühlelemente müssen für unterschiedliche Arten von Schweißverbindungen,

ζ. B. Stumpf- und Kehlnahtverbindungen, mechanisch umgebaut werden. Ferner müssen mechanische oder Wirbelstrom-Fühler im Betrieb entweder das Werkstück kontaktieren oder sich in dessen Nähe befinden.Der Kontakt zwischen einem Werkstück und einem Fühlelement resultiert in mechanischem Verschleiß. Die Unterhaltung eines kontaktfreien Fühlers sehr nahe am Werkstück resultiert in einer erhöhten Gefahr der mechanischen Beschädigung des Fühlelements.

Unter Erkennung der Probleme, die bei den vorgenannten drei Arten von Schweißsteuersystemen auftreten, wurden bereits verschiedene Vorschläge für die Sichtbestimmung der Werkstückgeometrie beim Schweißen gemacht. In der US-PS 3 976 382 ist z. B. ein System angegeben, bei dem eine Lichtquelle in Verbindung mit einer Lichtabschirmung, die nahe dem Werkstück positioniert ist, verwendet wird, wobei ein Schatten bekannter vorbestimmter Getalt auf das Werkstück fällt. Eine Abweichung des Schattens von seiner bekannten Gestalt liefert dann eine Grundlage zur Charakterisierung der Gestalt des Werkstücks. Diese Methode macht es jedoch erforderlich, daß die Abschirmung nahe dem Werkstück positioniert ist. Die Schattenmethode unterliegt daher vielen Nachteilen, die auch bei der eingangs erwähnten Wirbelstrom-Methode auftreten.

In der Veröffentlichung Welding and Metals Fabrication, Bd. 47, Nr. 9, S. 647-658 (Nov. 1979), "Robot 'Sees¹, Decides and Acts", wird von T. Nozaki u. a. ein optischer Fühler angegeben. Das System verlangt jedoch im Betrieb die anwenderseitige Eingabe bestimmter Schweißgeometrie-Informationen und ist hinsichtlich der damit herstellbaren Schweißnähte

beschränkt, und zwar infolge der begrenzten Schweißnahtgeometrie-Information, die mit dem angegebenen optischen Fühler erhalten werden kann.

So wurde zwar bereits viel Arbeit hinsichtlich der Bereitstellung einer automatischen Positioniereinrichtung für Schweißköpfe und ähnliche Werkzeuge geleistet, es besteht jedoch immer noch ein Bedarf für die Weiterentwicklung einer automatischen Einrichtung zur Positionierung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück, die die strengen Anforderungen von Schweißverfahren an eine solche Einrichtung erfüllen kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung und eines Verfahrens zur Positionierung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück, wobei unter Nutzung von vom Werkstück reflektiertem Licht ausreichend schnell eine ausreichende Informationsmenge lieferbar ist, um auf Echtzeitbasis die Werkstückgeometrie zu bestimmen und die Positionierung durchzuführen. Dabei soll die gleichzeitige Messung der dreidimensionalen Schweißverbindungs-Lage, -Geometrie und -Passung möglich sein. Ferner soll eine ausreichende Informationsmenge über unterschiedlich geformte dreidimensionale Werkstücke lieferbar sein, so daß auf Echtzeitbasis die Positionierung des Werkzeugs durchführbar ist, ohne daß eine mechanische Umrüstung der Einrichtung für anders geformte Werkstücke erforderlich ist. Ferner sollen dabei die Fühlelemente fern vom Werkstück angeordnet sein, und es soll eine gleichmäßigere Schweißgüte erzielbar sein, als dies mit einem menschlichen Schweißer möglich ist.

/ -■"■ -^{: :}-^:; "O.::."3228ou

viii?

Die Einrichtung nach der Erfindung zur Lagesteuerung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück ist gekennzeichnet durch eine Einheit zum Projizieren eines Lichtmusters, umfassend eine Anordnung von Lichtelementen mit jeweils bekannter Gestalt und bekanntem Abstand relativ zueinander, auf das Werkstück, durch eine von der Projektionseinheit im Abstand befindliche Erfassungseinheit, die die vom Werkstück reflektierte Anordnung von Lichtelementen erfaßt und aufgrund der erfaßten Lichtelemente erste Ausgangssignale erzeugt, durch eine Einheit zur Klassifizierung der ersten Ausgangssignale in Gruppen auf der Grundlage mindestens einer, aus der Werkstückgeometrie resultierenden gemeinsamen Charakteristik der ersten Ausgangssignale jeder Gruppe, durch eine Einheit zur Bestimmung der Werkstückgeometrie aus mindestens einer Beziehung zwischen verschiedenen der Gruppen erster Ausgangssignale und zur Erzeugung zweiter Ausgangssignale, die die so bestimmte Werkstückgeometrie bezeichnen, und durch eine auf die zweiten Ausgangssignale ansprechende Einheit, die das Werkzeug relativ zum Werkstück positioniert.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Lagesteuerung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Projizieren eines Lichtmusters, umfassend eine Anordnung von Lichtelementen mit jeweils bekannter Gestalt und mit bekanntem Abstand voneinander, auf das Werkstück, Erfassen der vom Werkstück reflektierten Lichtelement-Anordnung, Zusammenfassen der erfaßten Lichtelemente zu Gruppen auf der Grundlage mindestens einer gemeinsamen, aus der Werkstückgeometrie resultierenden Charakteristik der reflektierten Lichtelemente, Bestimmen

der Werkstückgeometrie aus mindestens einer Beziehung zwischen verschiedenen der zusammengefaßten Gruppen von erfaßten Lichtelementen, und Steuern der Positionierung des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander auf der Grundlage der so bestimmten Werkstückgeometrie.

Durch die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung wird eine ausreichende Menge an erfaßter Information aus auf das Werkstück projiziertem Licht gewonnen, und die Information wird hinreichend schnell verarbeitet, so daß auf Echtzeitbasis ein Werkzeug relativ zu Werkstücken sehr unterschiedlicher Gestalt positionierbar ist. Die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung können zur Positionierung einer großen Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge relativ zu Werkstücken mit unterschiedlicher Geometrie eingesetzt werden; sie eignen sich insbesondere zur Anwendung bei der Positionierung eines Lichtbogenschweißkopfs in bezug auf Teile, die in unterschiedlichen Konfigurationen miteinander zu verschweißen sind.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise perspektivisch und teilweise schematisch die Einrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Perspektivansicht, die bestimmte, für das Verständnis der Erfindung wichtige Beziehungen zeigt;

Ο.-.:'. 3 22 80 U

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1, wobei auch bestimmte für das Verständnis der Erfindung wesentliche Beziehungen gezeigt sind;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Werkstück mit bestimmten für das Verständnis wesentlichen Beziehungen;

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Lichtmuster, das bei der Erfindung eine Rolle spielt;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm, das die praktische Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt;

Fig. 7A eine Perspektivansicht eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 8 eine Perspektivansicht eines Werkstücks bei der praktischen Ausführung des Verfahrens;

Fig. 9 eine Draufsicht auf Muster, die bei der praktischen Anwendung der Erfindung erhalten werden;

Fig. 10 eine resultierende Abbildung, die mit den Mustern nach Fig. 9 erhalten wird;

Fig. 11 ein detailliertes Ablaufdiagramm eines Teils des Prozeßablaufs nach Fig. 7;

Fig. 12 Ergebnisse, die aus der Abbildung von Fig. 10 erhalten wurden;

Fig. 13 eine Ausgangsanzeige von Resultaten, die aus einer erfindungsgemäßen Analyse der Abbildung von Fig. 10 erhalten wurden;

Fig. 14 eine Perspektivansicht von Lichtmustern, die bei der praktischen Ausführung der Erfindung auf eine andere Schweißverbindung projiziert wurden;

Fig. 15 eine Draufsicht auf eine Abbildung, die aus den Mustern von Fig. 14 erhalten wurden; und

Fig. 16 eine Ausgangsanzeige von Ergebnissen, die aus einer erfindungsgemäßen Analyse der Abbildung von Fig. 15 erhalten wurden.

Fig. 1 zeigt die Einrichtung nach der Erfindung. Sie umfaßt einen XY-Tisch 10, der von Schrittmotoren 12 und 14 angetrieben wird. Ein zu schweißendes Werkstück 16 ist auf dem XY-Tisch 10 positioniert. Eine Schweißpistole 18 bekannter Bauart, die eine Schweißdrahtvorschubeinheit umfaßt, ist über dem XY-Tisch 10 befestigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Werkstück 16 also so verschoben, daß es unterhalb der ortsfesten Schweißpistole 18 positioniert ist. Selbstverständlich kann das Werkstück 16 auch ortsfest bleiben, wobei dann die Schweißpistole 18 zur Herstellung einer Schweißverbindung entlang dem Werkstück 16 verfahren wird. Ein dritter Schrittmotor 20 ist mit der Schweißpistole 18 verbunden und verschwenkt diese um die Z-Achse 22. In der Praxis ist ferner eine manuell betätigbare Drehbühne (nicht gezeigt) vorgesehen, so daß. der Winkel einstellbar ist, den die Schweißpistole 18 in bezug auf die Ebene des XY-Tischs 10 hat.

Über dem XY-Tisch 10 ist eine Lichtquelle 24 positioniert, die das zu schweißende Werkstück 16 mit einem Lichtmuster 26 beleuchtet. Weitere Einzelheiten über die Art des Lichtmusters 26 ergeben sich später im Zusammenhang mit der Erläuterung der Fig. 6. Die Lichtquelle 24 kann zwar jede Lichtquelle sein, die ein Muster 26 mit den noch zu erläuternden Charakteristiken auf das Werkstück 16 projiziert; bevorzugt ist sie jedoch ein kleiner, mechanisch robuster Projektor-

:.*." 3 22 80 U

kopf, der eine Blende mit einer geeigneten Abbildung für die Erzeugung des Musters 26 aufnimmt. Ein solcher Projektorkopf ist vorteilhafterweise über ein Lichtleiterbündel mit einer Glühlampe (nicht gezeigt) verbunden, die aus Gründen der Betriebszuverlässigkeit fern von der Schweißpistole 18 und dem XY-Tisch 10 angeordnet ist.

Eine Fernsehkamera 28 ist fern von der Lichtquelle 24 angeordnet und empfängt das vom Werkstück 16 reflektierte Lichtmuster 26. Es ist von Wichtigkeit, daß die Kamera 28 fern von der Lichtquelle 24 angeordnet ist zur Erzielung eines in bezug auf das Werkstück 16 verschiedenen Winkels, da die vorliegende Erfindung zur Bestimmung von dreidimensionalen Eigenschaften des Werkstücks 16 aus einer zweidimensionalen Abbildung die Triangulationsmethode anwendet. Es eignet sich zwar prinzipiell jede Fernsehkamera; bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Festkörperfernsehkamera Modell TN 2500 CID von General Electric eingesetzt. Der Ausgang 30 der Kamera 28 ist mit einer Kamera-Schnittstelle 32 verbunden, die entweder eine rohe Grauskalenabbildung oder eine binäre Abbildung vom Schwellenwerttyp auf dem Ausgang 34 zu einem konventionellen Monitor 35 gibt, und zwar in Abhängigkeit von einem Steuereingang zu den Interfaceschaltungen 32 auf Leitung 37 von einem Rechner 38. Die Kamera-Schnittstelle 32 weist ferner einen Ausgang 36 auf, der als direkter Speicherzugriffs-Eingang zum Rechner 38 führt. Weitere Einzelheiten der Kamera-Schnittstelle 32 gemäß Fig. 2 werden nachstehend erläutert.

Der Rechner 38 ist prinzipiell irgendein handelsüblicher Kleinrechner, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel

32280U

ein PDP-11/34-Kleinrechner (Hersteller: Digital Equipment Corp.) ist. Anwenderzugriff zum Rechner 38 ist möglich über ein Bildschirmterminal 40, das z. B. ein Rektronix 4006-Bildschirmterminal (Hersteller: Tektronix, Inc.) ist. Das Bildschirmterminal 40 ist an den Rechner 38 über eine Leitung 42 angeschlossen. Der Rechner 38 führt die Analyse der von der Kamera-Schnittstelle 32 auf der Leitung 36 zugeführten Daten unter Anwendung eines gespeicherten Datenanalyseprogramms durch. Das Bildschirmterminal 40 dient zur Anzeige der Ergebnisse von Operationen, die mit dem Rechner 38 auf der Leitung 36 zugeführten Äbbildungsdaten durchgeführt werden, und ermöglicht ferner den Anwenderzugriff zum Rechner 38.

Die Ausgangssignale des Rechners 38, die auf der Datenanalyse basieren, werden auf einer Leitung 44 einem Steuergerät 46 zugeführt. Die Leitung 44 ist bevorzugt als 1200-Baud-Serienleitung vom Typ RS 232 ausgeführt. Das Steuergerät 46 ist mit den Schrittmotoren 12, 14 und 20 über Leitungen 48 bzw. 50 bzw. 52 verbunden zur Steuerung des XY-Tischs 10 und der Schweißpistole 18. Das Steuergerät 46 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Modell 8138 von Summit Engineering. Die Leitung 54 verbindet das Steuergerät 46 ferner mit einem Schweißstromgenerator 56 (z. B. Modell ABT von Miller Electric, einem Konstantstromgenerator), der über eine Leitung 58 mit der Schweißpistole 18 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt weitere Einzelheiten der Kamera-Schnittstelle 32. Ein Bus 30 verbindet die Fernsehkamera 28 mit einem Signalformer 60. Der Signalformer 60 hat die Funktionen der

Pegelverschiebung, Signalformung und Trennung der Kamera 28 von den übrigen Schaltungen in der Schnittstelle 32. Ein Bus 62 liefert Daten von dem Signalformer 60 zu einem 1^-Demultiplexer 64. Der Signalformer 60 liefert ferner ein Taktsignal über Busse 66, 68 und 70 zum Demultiplexer 64. Busse 71 und 72 liefern Daten vom Demultiplexer 64 zu einem Speicher 73. Eine Speicher-Ansteuerlogik 74 empfängt Taktsignale vom Signalformer 60 auf Leitungen 66 und 75. Der Ausgang 76 der Ansteuerlogik 74 ist mit dem Speicher 73 verbunden. Die Ausgangsleitung 77 vom Speicher 73 ist mit einem 2:1-Multiplexer 78 und über einen Bus 79 mit einem DMA-Eingabesteuerteil 80 verbunden. Letzterer empfängt ferner über Busse 66, 68 und 81 ein Takteingangssignal vom Signalformer 60. Der Bus 36 liefert Daten vom DMA-Eingabesteuerteil 80 zum Rechner 38 (Fig. 1).

Der Bus 36 liefert ferner Daten vom Rechner 38 zum DMA-Ausgabesteuerteil 82. Busse 71 und 72 liefern Daten vom DMA-Ausgabesteuerteil 82 zum Speicher 73. Der DMA-Ausgabesteuerteil 82 empfängt Taktsignale vom Signalformer 60 auf Leitungen 66, 68 und 83.

Ein gepackter binärer DMA-Eingabesteuerteil 83 ist mit dem DMA-Eingabesteuerteil 80 und dem DMA-Ausgabesteuerteil 82 über Busse 85 und 86 verbunden. Busse 85, 86 und 37 verbinden ferner den DMA-Eingabesteuerteil 80, den DMA-Ausgabesteuerteil 82 und den gepackten binären DMA-Eingabesteuerteil 84 mit dem Rechner 38 zwecks Übertragung von Status- und Steuersignalen. Der gepackte binäre DMA-Eingabesteuerteil 84 ist ferner über den Bus 36 mit dem Bus 87 verbunden. Ein Taktsignal wird dem gepackten binären DMA-Eingabesteuer-

teil 84 vom Signalformer 60 über Busse 66 und 88 zugeführt. Der Bus 89 liefert diese Taktsignale ferner zum Multiplexer 78. Dieser liefert Daten auf Bussen 90 und 91 zu einer Bildschirmsteuereinheit 92 bzw. zu einem Vergleicher 93. Die Bildschirmsteuereinheit 92 ist ein Digital-Analog-Umsetzer. Der Ausgang 34 der Bildschxrmsteuereinheit 92 liefert Eingangssignale an einen Videomonitor 35 (Fig. 1) über die Leitung 34.

Der Vergleicher 93 empfängt einen Schwellenwerteingang auf einem Bus 94 von einer manuell oder vom Rechner einstellbaren Schwellenwerteinheit 95. Wenn die auf Bus 91 zugeführte Information den Schwellenwert auf Bus 94 übersteigt, liefert der Vergleicher 93 ein Öffnungssignal auf Leitungen 96 und 97 zu dem gepackten binären DMA-Eingabesteuerteil 84 und der Bildschirmsteuereinheit 92.

Fig. 3 dient der Erläuterung der Extraktion von dreidimensionalen geometrischen Daten aus einer zweidimensionalen Abbildung. Dabei hat eine Objektebene 100 einen Punkt 102 von Koordinaten x.y-z·], der durch eine Lochblende 104 projiziert wird zur Erzeugung einer Abbildung 106 in einer Bildebene 108 mit Koordinaten u_f v_r w. Bei Anwendung ähnlicher Dreiecke ist ersichtlich, daß die Koordinaten u, v, w der Abbildung 106 des Punkts 102 mit den Koordinaten χ-, Y₁ , z. sind:

to

f f+z₁

w = 0 (1)

f f+z₁

Es ist zu beachten, daß diese Transformation insofern unbestimmt ist, als der Punkt 110 mit den Koordinaten x^, y~, z? ebenfalls in denselben Bildpunkt transformierbar ist. Wenn jedoch in Gleichung (1) eine der Koordinaten, z. B. x, bekannt ist, ist es möglich, eindeutig nach y und ζ aufzulösen. Es ist also eine Methode, mit der der Wert einer der Koordinaten automatisch erhalten wird, oder eine andere lineare Nebenbedingung erforderlich.

Eine Möglichkeit zum Erhalt dieser Information besteht darin, einen Lichtpunkt auf das Werkstück von einem bekannten Punkt aus, der in bezug auf die Kamera geringfügig versetzt ist, zu projizieren. Fig. 4 zeigt eine solche Anordnung, wobei die Lichtquelle 24 in bezug auf die Kamera 28 über dem Werkstück 16 versetzt ist. Wenn man die Kamera als Ursprung und den Hauptstrahl der Kamera als Z-Achse annimmt und den Projektor längs der X-Achse verschiebt, so ergibt sich die Gleichung des Hauptstrahls des Projektors wie folgt:

x=z tan θ + B (2)

^:"^:'--"32280H

wobei θ der Winkel zwischen den Hauptstrahlen von Kamera und Projektor und B (der X-Achsenabschnitt) als Basisabstand bekannt ist.

Wenn man die Gleichung (2) in die Gleichung (1) einsetzt und mit den bekannten Größen u, ν, θ und B nach χ, γ und ζ auflöst, so ergibt sich:

f tan θ (B-u)
(u - f tan Θ)
ν (B- f² tan Θ)

f (U- f tan Θ)
f (B - u)
u - f tan θ

Dieses einfache System kann zur Messung der Höhe eines einzelnen Punkts auf einer Ebene angewandt werden. Zur Bestimmung der Orientierung der Ebene in bezug auf die Z-Achse kann dieser einzelne Lichtpunkt durch einen Streifen ersetzt werden, der so projiziert wird, daß er parallel mit der Y-Achse verläuft. Die Vertikalprojektion jedes Punkts auf dem Streifen und damit die Rotation der Ebene um die X-Achse kann durch Anwendung von Gleichung (3) auf jeden Punkt der Streifenabbildung bestimmt werden.

32280U

Eine Erweiterung dieses Schemas ist dadurch möglich, daß mehrere Streifen auf einmal projiziert werden. Durch Eichung des Systems derart, daß der Winkel θ oder, als Äquivalent, die dreidimensionale Gleichung jeder Lichtebene für jeden Streifen bekannt ist, kann gleichermaßen die dreidimensionale Orientierung der Oberfläche über den Gesamtbereich des projizierten Musters berechnet werden. Wenn es sich um mehrere Flächen handelt, können die Umrisse derselben aufgrund der diskontinuierlichen Verwerfungen infolge von Kanten, Ecken etc. gefolgert werden. Eine Abbildung einer in dieser Weise beleuchteten einfachen Stumpfverbindung 112 ist in Fig. 5 gezeigt. Diskontinuitäten in dem reflektierten Streifenmuster 114 sind um die Ränder der zur Bildung der Stumpfstoßverbindung 112 verwendeten Platten 116 und 118 zu sehen.

Das vorstehend erläuterte Vorgehen eignet sich sehr gut für Fälle mit wenigen und relativ einfachen Oberflächen, wobei die Kamera-Projektor-Objekt-Geometrie gut zu verstehen und zu steuern ist. In komplexeren Fällen wie etwa bei Behälterecken etc., wobei mehrere Ebenen sichtbar sind, kann sich ein "Übereinstimmungs- bzw. Zugehörigkeits-Problem" dahingehend ergeben, welches Streifensegment der Kameraabbildung welcher projizierten Lichtebene zuzuordnen ist.

Es wurde gefunden, daß das Übereinstimmungs-Problem zu beseitigen ist, wenn die projizierte räumliche Anordnung von Lichtelementen mindestens ein Bezugselement aufweist, das in bezug auf die Beabstandung der übrigen Lichtelemente der Anordnung einen ganz bestimmten Abstand aufweist. Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung 120. Die Anordnung 120 weist

- : ^:-^: -I \: --"32280H - lh

voneinander gleichbeabstandete Streifen 122 auf. Die Bezugsstreifen 124 weisen untereinander einen anderen Abstand als der Abstand zwischen den Streifen 122 auf. In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen den Bezugsstreifen 124 das Doppelte des Abstands zwischen den übrigen Streifen 122. Die Identität jeder reflektierten Abbildung eines Streifens kann dann unzweideutig in bezug auf die Bezugsstreifen 124 bestimmt werden. Diese Zusatzinformation ermöglicht die Lösung des Obereinstimmungs-Problems.

Die Anordnung 120 von Lichtelementen gemäß Fig. 6 kann mit der Einrichtung nach Fig. 1 in einem neuen Verfahren zur Steuerung des Schweißkopfs 18 verwendet werden. Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm eines solchen Verfahrens. In der nachfolgenden Erläuterung des Verfahrens ist die Schweißgeometrie auf gerade Kehl- und überlappnähte an ebenen Platten beschränkt. Durch Einschränkung der Geometrie auf flache Ebenen und gerade Schweißlinien sind die Grundprinzipien der Einrichtung und des Verfahrens besser zu demonstrieren. Wie sich dabei zeigen wird, können gekrümmte Kanten an zu schweißenden flachen Ebenen auf eine Reihe von geraden Schweißlinien reduziert werden. Ferner kann dieses System durch routinemäßige Modifizierung der angegebenen Software auf andere Werkstücke, ζ. B. Teile mit gewölbten Oberflächen und kreisförmige Schweißstellen, angewandt werden.

Die ersten beiden Schritte 150 und 152 der Kamera-Eichung und der Projektor-Eichung werden rechnerunabhängig ausgeführt, wenn das System erstmals aufgebaut wird, so daß eine Kameramatrix 154 und Lichtebenen-Matrizen 156 erhalten werden. Die Kamera-Eichung umfaßt die Bestimmung einer

^:-^:.::32280U

Kaineraperspektive-Transformierten sowie von Skalenfaktoren, Achsenrotationen und Verschiebungen, die erforderlich sind zur Umrechnung von Bildkoordinaten in der Bildebene 108 (Fig. 3) auf das Koordinatensystem des XY-Tischs in der Objektebene 100. Diese Information bildet Ausgangsdaten zur Verwendung bei der Projektor-Eichung als einzelne homogene 4x4-Koordinatenmatrix.

Durch die Projektor-Eichung werden die dreidimensionalen Gleichungen jeder Lichtebene in dem strukturierten Lichtmuster erhalten. Diese Gleichungen werden mit der homogenen Kamera-Transformierten kombiniert, die durch die Kamera-Eichung erhalten wurde, so daß ein Satz von 4x3-Matrizen erhalten wird, und zwar jeweils eine für jede Lichtebene, die zur Transformation der Bildkoordinaten für einen Punkt auf einer bestimmten Linie direkt in seine entsprechende XYZ-Position im Raum verwendet wird. Weitere mathematische Einzelheiten betreffend homogene Koordinaten und die Berechnungen der Matrizen bei der Kamera- und bei der Projektor-Eichung werden nachstehend näher erläutert.

Zur einfacheren Bildung von Kameramodellen in Parameterdarstellung und zum Erhalt eines kompakteren Datenübertragungsformats zur Verwendung mit anderen Systemkomponenten (z. B, Manipulatoren) ist es vorteilhaft, die Perspektive Transformation (Gleichung (1)) sowie die erforderliche Achsenrotation, Verschiebung und Skalierung in Form homogener Koordinaten darzustellen. Diese Darstellung vereinfacht die bei der Transformation von Bild- in "Welt"-Koordinaten anfallenden mathematischen Berechnungen und beseitigt ferner ein Nichtlinearitätsproblem, das bei der direkten Anwendung der Gleichung (1) auftritt.

^:.-^:-::32280H

Umfassende Erläuterungen der Ableitung und der Anwendung von homogenen Darstellungen sind bekannt. Die folgende kurze Erläuterung betrifft die Nutzung dieser Darstellung bei der Einrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung.

Ein Punkt im dreidimensionalen Raum wird in homogenen Koordinaten als ein vierelementiger Vektor dargestellt. Wenn (x, y, z) die Koordinaten eines Punkts im dreidimensionalen Raum sind, ist die entsprechende homogene Darstellung wie folgt:

Sx

Sy Sz S

wobei S ein von Null verschiedener Skalenfaktor ist. Bei der Transformation eines Punkts von seinen homogenen Koordinaten in die konventionelle dreidimensionale Form erfolgt einfach eine Division durch S.

Jede geometrische Transformation wie etwa Verschiebung, Skalierung und Rotation wird in homogenen Koordinaten durch eine 4x4-Matrix dargestellt. Z. B. wird die Perspektive Transformation entsprechend der Gleichung (1) in homogenen Koordinaten wie folgt dargestellt:

1	0	0	0
0	1	0	0
0	0	1	0
0	0	\_	1
		U-I

v.^:.::32280U

Ebenso wird die Rotation eines Punkts (χ, y, ζ) durch einen Winkel θ um die Z-Achse wie folgt dargeteilt:

cos	θ	-sm	θ	0	0
sin	θ	cos	θ	0	0
0		0		1	0
0		0		0	1

Aufeinanderfolgende Transformationen eines Einzelpunkts können durch Bildung des Produkts der entsprechenden Transformationsmatrizen verkettet werden. Wenn z. B. P die vorstehende Perspektive Matrix und R die Rotationsmatrix sind, ergeben sich die Bildkoordinaten (u, v) des Punkts (x, y, z) bei Drehung der Kamera durch einen Winkel θ um die Z-Achse wie folgt:

Su Sv Sw S

P * R *

Dieses Matrixprodukt kann durch eine Einzelmatrix, die das Produkt sämtlicher Transformationen ist, dargestellt werden.

Der Ausdruck "Eichung" wird in bezug auf die Kamera 28 (Fig. 1) dazu benutzt, eine Methode zur Erstellung eines Modells des Kamerasystems in Parameterdarstellung zu erhalten. Dieses Modell ermöglicht es dann, daß im Koordinatensystem der Abbildung durchgeführte Messungen in Beziehung gesetzt werden zu einem unveränderlichen, absoluten Weltkoordinatensystem. Dies ist aus mehreren Gründen erforderlich:

^:---::32280U

Die Datenübertragung zwischen der Kamera und Manipulatorsystemen wird vereinfacht, wenn beide innerhalb eines gemeinsamen Koordinatenrahmens arbeiten. Tatsächlich ist es üblich, das Weltsystem als das vom Manipulator verwendete System zu wählen, dagegen das Eichverfahren dazu zu verwenden, die Beziehung der Kamera zu diesem System festzulegen.

Die Wahl von Schweißparametern und -vorgängen wird zum Teil durch die räumliche Orientierung der Schweißverbindung (z. B. Überkopflage, Vertikallage oder eben) bestimmt. Diese Information kann aus einfachen relativen Messungen nicht abgeleitet werden.

Information bezüglich Werkstückabmessungen und -einzelheiten kann einfacher codiert werden, wenn sie zu einem absoluten Koordinatensystem in Beziehung gesetzt ist und nicht auf einer relativen, Punkt-zu-Punkt-Basis erfolgt.

Das Modell der Kamera in Parameterdarstellung besteht aus einer einzigen homogenen 4x4-Koordinatenmatrix, die Perspektive Transformation, Achsenverschiebungen und Rotationen der Kamera, die zur Transformation von Messungen an einem Kamerabild in das Koordinatensystem des XY-Tischs erforderlich sind, kombiniert. Die erforderliche lineare Beschränkung zur Ableitung einer dreidimensionalen Struktur aus einem zweidimensionalen Bild wird während der Projektor-Eichung dadurch bestimmt, daß das Kameramodell mit den dreidimensionalen Gleichungen der Lichtebenen kombiniert wird. Das Resultat ist ein Satz von 4x3-Matrizen - jeweils eine für jede Ebene -, die eine direkte Berechnung der dreidimensio-

^:-Λ::32280Η

nalen Koordinaten jedes Punkts im Kamerasichtfeld aus den entsprechenden Bildkoordinaten ermöglichen. Die Erzeugung und Anwendung des Kameramodells und der Zweite-in-dritte-Di· mension-Umwandlungsmatrizen wird mit Hilfe von Fig. 7A nachstehend erläutert.

1. Kamera-Eichung

In Fig. 7A ist die Kamera 28 über dem XY-Tisch 10 gezeigt. Der Ursprung des Weltkoordinatensystems ist der mit 160 bezeichnete 0,0-Punkt des XY-Tischs. Die Kamera 28 ist von diesem Ursprung um einen Betrag x ,γ_,,ζ_ verschoben,

CCC

durch einen Winkel θ um die Y-Achse geschwenkt und durch einen Betrag <p um die X-Achse geneigt. Wenn die Brennweite des Kameraobjektivs mit f bezeichnet ist, kann die Kameramatrix C wie folgt definiert werden:

10 0 0 0 10 0 0 0 10 0 0 1/1

1 0 0 χ

0 1 0 y

•0 0 1 z⁽

ο ο ο r

COS	θ	sin	θ	O	0	O
COS0	sind	COS0	COSd	sin	0	O
sin0	sind	-sin#	cosG	cos		O
0				O	1

d. h,, als Produkt der die Rotation, die Verschiebung und die Perspektive Transformierte darstellenden Matrizen. Diese Matrix hat die Eigenschaft:

::32280U

Su Sv Sw S

(2)

wobei χ, y, ζ die Weltkoordinaten für einen Punkt im Raum und u, ν seine im Kamera-(Cx,Cy)-System definierten entsprechenden Bildkoordinaten sind.

Die Matrix C kann durch direkte Messung der Winkel θ und (f), der Verschiebung ^x _c/y_c,z_c und die bekannte Brennweite der Linse erhalten werden. Dieser Vorgang ist jedoch etwas umständlich und fehlerbehaftet. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kamere (entweder absichtlich oder unabsichtlich) häufig bewegt wird, die innere Kamerageometrie instabil ist oder die Linse optisch nicht ganz perfekt ist.

Die hier angewandte Methode vermeidet diese Probleme und macht das System praktisch "selbsteichend", indem einfach eine Anzahl Messungen an Objekten bekannter Höhe durchgeführt wird, die auf dem XY-Tisch angeordnet sind und zu einer Gruppe bekannter Positionen bewegt werden. Die Kameramatrix C wird dann durch eine nachstehend erläuterte einfache Fehlerquadratmethode errechnet. Auf diese Weise vermeidet man die Durchführung ganz genauer Messungen (selbstverständlich mit Ausnahme der Objekthöhe), und die verschiedenen Fehlerquellen im System (z. B. lineare optische Verzerrungen, systematische Verstellschraubenfehler und Kameraneigung) werden als eine Gruppenkonstante behandelt.

Bei diesem Verfahren wird angenommen, daß sämtliche Fehler linear sind, und diese Annahme hat sich in der Praxis als gültig herausgestellt.

Die Beziehung zwischen jedem Punkt x., y^, %^ im Weltkoordinatensystem und seinem entsprechenden Bildpunkt u^, v^ ist:

Su.

^Swi

C	11	C	12	C	13	C	14
C	21	C	22	C	23	C	24
0		0		1		0
C	41	C	42	C	4'3	1

(3)

wobei (Cij) die vorstehend erläuterte Kameramatrix ist. Es ist zu beachten, daß in der dritten Zeile sämtliche Elemente mit Ausnahme des diagonalen Elements 0 sind, da keine Auflösung nach der dritten Bildkoordinate w erfolgt. Das letzte Element der vierten Zeile kann mit 1 gesetzt werden, da es nur bei der Berechnung des willkürlichen Skalenfaktors S eine Rolle spielt. Wenn ein Satz dieser Punkte i=1, ...,n gemessen wird, können die Einzelbeziehungen zu einer Einzelmatrix kombiniert werden:

--air -

Y₁ ζ-, 1 O O O O "XiU, "*yi^ui "^zi^ui O O O O X₁ Y₁ Z₁ 1 -X₁V₁

^:-^:-::32280Η

Y₂ Z₂ 1 O O O O "^X2^U2 ~^V2^U2 ~

O O O O X_n y_n Z_1n 1 -X_nV_n -y_nv_n












"c
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
11
12
13
14
21
22
23
24
41
42
⁴ 3.

(4)

Mit ϋ als dem Vektor von Bildkoordinaten, W der Matrix von Konstanten und Weltkoordinaten und T dem Vektor von Cij-Matrizen kann diese Gleichung wie folgt geschrieben werden:

W * T

(5)

Diese Gleichung kann direkt nach der besten Fehlerquadratlösung für T gelöst werden mittels der folgenden einfachen Gleichung:

T = (W^T*W) ¹ +W^T*Ü

Dieses Vorgehen erfordert mindestens sechs Punkte, da es sich um 11 Koeffizienten handelt, von denen jeder in zwei linearen Gleichungen erscheint.

2. Projektor-Eichung

Der Zweck der Eichung des Projektors besteht darin, die Koeffizienten für die Gleichungen jeder Lichtebene abzuleiten. Dies wird erreicht durch den Erhalt von Abbildungen des Musters, wie es von Oberflächen reflektiert wird, bei verschiedenen bekannten Höhen, wobei die Oberflächen parallel zur Ebene des XY-Tischs angeordnet sind. In jeder Abbildung wird ein Satz von x-und y-Werten für eine willkürliche Anzahl Punkte entlang jedem Lichtstreifen 122 und 124 (Fig. 6) errechnet und gespeichert, und zwar unter Verwendung der bekannten Höhe z. Nachdem eine ausreichende Anzahl Bilder (z. B. drei) erhalten wurde, werden diese gemessenen Koordinaten dazu verwendet, durch das Fehlerquadratverfahren die Koeffizienten für die dreidimensionale Gleichung jeder Lichtebene abzuleiten, wobei:

A₁X + B₁Y + C₁Z + D₁ = 0 (7)

wobei i=1,...,n Bereiche über der Anzahl Lichtebenen in jedem einzelnen Kamerabild. Ferner werden verschiedene Statistiken errechnet einschließlich des Mittelwerts und der Streuung der Abstände zwischen den eng beabstandeten Streifen 122 sowie des Verhältnisses zwischen den Abständen der Bezugsstreifen 124 und den eng beabstandeten Streifen 122. Diese Daten sind Resultate zur Verwendung bei der Lagebestimmung der Bezugslichtstreifen 124 während der Gruppierung, die noch näher erläutert wird.

:": y 32280U

Nachdem die Lichtebenen-Koeffizienten bekannt sind, kann die dreidimensionale Lage jedes willkürlichen Bildpunkts mit Hilfe der Matrixgleichung berechnet werden:

LJ L

- ^UC41> ^(C12 - ^uC42> ^(C13 " ^uC43>

- VC₄₁) (C₂₂ - VC₄₂) (C

₄₁

₂₂

₄₂

-D

(u - C₁₄) (v - C₂₄)

(8)

wobei x, y, ζ die dem Bildpunkt entsprechenden Weltkoordinaten, u, v, Cij die bezeichneten Elemente der Kameramatrix und A, B, C und D die Koeffizienten aus der Gleichung (6) für die Lichtebene, auf der der Punkt liegt, sind.

Die Aufstellung und Invertierung dieser 3x3-Matrix für jeden zu messenden Punkt konnte während der Echtzeit-Verarbeitung erhebliche Computer- und Speicherzeit verbrauchen. Zur Lösung dieses Problems kann diese Matrix invertiert und die angegebene Multiplikation symbolisch durchgeführt werden. In diesem Fall zeigt sich, daß die Gleichung wie folgt neu geschrieben werden kann:

32280U

^M21 ^M22 ^M23 ^M31 ^M32 ^M33

j M., M.- M., 41 42 43

(9)

und daß sie ähnlich der Kamera-Transformierten gelöst werden kann.

Die Matrizen | Mij | werden dadurch erhalten, daß 12 relativ komplizierte Gleichungen mit A, B, C und D sowie dem Cij aus Gleichung (3) gelöst werden. Dies ist zwar während der Eichung relativ zeitraubend, braucht jedoch nur einmal je Streifen und nicht einmal je gemessenem Punkt wie in Gleichung (4) ausgeführt zu werden.

Das Ergebnis des Projektoreichvorgangs ist dieser Satz Matrizen - jeweils einer pro Lichtebene - zusammen mit den vorstehend angegebenen statistischen Parametern.

Nach Abschluß der vorstehend erläuterten Kamera- und Projektor-Eichung können die rechnerabhängigen bzw. direkt prozeßgekoppelten Echtzeit-Prozeßschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, beginnend mit der Bilderfassung und Reduktion zu Mittenlinienform entsprechend 162 in ί Fig. 7. Diese Schritte werden unter Bezugnahme auf die Fig. 8-10 erläutert.

Fig. 8 zeigt eine Kehlnahtverbindung 164, die durch aufeinandertreffende Platten 166 und 168 gebildet ist, die in der Schweißvorrichtung 170 angeordnet sind* Eine Anordnung bzw ein System von eng beabstandeten Lichtstreifen 122 und von Bezugslichtstreifen 124 wird auf die Platten 166 und 168 von einem Lichtquellen-Projektor 24 (Fig. 1) projiziert, so daß das reflektierte Bild von Fig. 8 erhalten wird. Das von der Kamera 28 aufgenommene resultierende Grauskalenbild wird dem Rechner 38 durch die Kamera-Schnittstelle 32 zugeführt und in einer Schwellenwert-Operation in codierte Binärform mit Verarbeitungslänge umgesetzt. Das resultierende Binärbild der Kehlnahtverbindung 164 ist in Fig. 9 gezeigt. Zur Vereinfachung sind in Fig. 9 die gleichen Bezeichnungen für die eng beabstandeten Lichtelemente 122 und für die Bezugslichtelemente 124 verwendet.

Die Genauigkeit der Schweißgeometrie-Bestimmung, die durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens resultiert, hängt von der Beabstandung der eng beabstandeten Lichtelemente 122 ab. Beim Schweißen von Grobblechen, wobei die Schweißgeometrie innerhalb von ca. 0,063 cm genau sein muß, hat sich ein Mittenabstand von ca. 0,063 cm und ein Abstand von 1,27 cm zwischen den Bezugslichtelementen als geeignet für die Charakterisierung der Schweißgeometrie innerhalb eines Genauigkeitsbereichs von 0,051 cm erwiesen. Bei kleineren, genaueren Schweißverbindungen ist eine engere Beabstandung zwischen den Lichtelementen 122 und 124 erforderlich.

Die Anfangsverarbeitung des Binärbilds von Fig. 9 besteht in einer bekannten Form von Zusammenhangsanalyse für die

Extraktion der Mittenlinie jedes projizierten Lichtelements 122 oder 124 von Fig. 9. Das Ergebnis dieser Anfangsverarbeitung ist in Fig. 10 als ein Satz von Liniensegmenten 172 gezeigt, die die Mittenlinien der Lichtelemente 122 und 124 darstellen, zusammen mit einem Satz von Linien-Beschreibungsdaten, die die Bildanfangs- und -endkoordinaten, die Neigung und den X-Abschnitt für jedes Liniensegment 172 in dem Bild von Fig. 10 enthalten.

Die zum Teil in Fig. 10 dargestellte Kehlnahtverbindungs-Information ist nunmehr bereit zur Gruppierung bzw. Konzentration entsprechend Schritt 174 in Fig. 7.

Gruppieren

Die die zu schweißende Verbindung 164 (Fig. 8) bildenden ebenen Flächen werden im Speicher des Rechners 38 (Fig. 1) dadurch rekonstruiert, daß die Liniensegmente 172 von Fig. 10 gemäß verschiedenen Kriterien gruppiert bzw. konzentriert werden. Dieser Gruppierungsvorgang dient dem Zweck, das Bild in seine Einzelebenen zu trennen und die jeder Ebene zugehörigen Liniensegmente 172 in gesonderten Listen zu klassifizieren. Dieser Prozeß umfaßt drei Schritte:

1) Zerlegung der Szene in Gruppen von Oberflächen mit gleichartiger räumlicher Orientierung.

2) Trennung jeder in Schritt (1) erhaltenen Orientierungsgruppe in Untergruppen von Flächen mit gleichartigen scheinbaren Höhen.

32280H

3) Unterteilung von in Schritt (2) erhaltenen Flächenhöhengruppen entsprechend ihrer seitlichen Lage im Bild.

Ein AbIaufdiagramm dieser Verarbeitung ist in Fig. 11 gezeigt. Die Operation dieser verschiedenen Gruppierungsvorgänge wird nachstehend erläutert.

(a) Orientierungs-Gruppierung

Aus der Gleichung (3) ist ersichtlich, daß eine Änderung der Höhe (Z-Koordinate) des Werkstücks in einer Verschiebung des u-Werts der Punktabbildung resultiert. Wenn statt eines Einzelpunkts ein zur Y-Achse paralleler Lichtstreifen projiziert wird, ist das Bild eine Linie bzw. Gerade. Die Neigung dieser Linie reicht von 0 (parallel zur V-Achse), wobei das Werkstück zur XY-Ebene parallel ist, bis zu ungefähr tan Θ, wenn das Werkstück in eine stärker vertikale Orientierung geneigt wird. Wenn die betrachtete Szene aus einer Anzahl ebener Oberflächen mit verschiedenen Orientierungen besteht, wird das Linienbild in eine Anzahl gerader Liniensegmente aufgebrochen, die durch diskontinuierliche Neigungsänderungen voneinander getrennt sind. Wenn mehrere parallele Linien projiziert werden, haben sämtliche von einer bestimmten Oberfläche reflektierten Linien die gleiche Neigung, und der Umriß der Oberfläche kann aus den Lagen der Neigungs-Diskontinuitäten geschlossen werden.

Diese Eigenschaften werden bei der Neigungsgruppierung in Schritt 176 von Fig. 11 ausgenutzt zur Trennung von Oberflä-

32280U

chen mit unterschiedlichen Orientierungen. Dieser Vorgang kann als Erstellung eines Histogramms bezeichnet werden, wobei Linienneigungen gezählt werden und jedes Kästchen 178 (Fig. 12) des Histogramms einen engen Bereich von Neigungswerten darstellt. Die Neigung jedes Liniensegments 172 (Pig, 10) des Bilds, die während der anfänglichen Bildverarbeitung errechnet wurde, wird geprüft, und eine Linienmarke (ein Hinweis auf die Linien-Beschreibungsinformation im Rechner-Speicher entsprechend den eingekreisten Ziffern in Fig. 10) wird in dem entsprechenden Kästchen abgelegt. Die resultierende Verteilung hat einen Spitzenwert, der jeder unterschiedlichen Orientierung entspricht. So sind zwei Spitzenwerte in Fig. 12 gezeigt, und zwar jeweils einer für jedes Kästchen.

Wenn ein Teil der Schweißvorrichtung 170 (Fig. 8) ebenfalls in dem verarbeiteten Bild von Fig. 10 erscheinen würde, würden die davon reflektierten Linien mit dem Teil des Werkstücks, der die gleiche Orientierung hat, gruppiert werden. Im nächsten Schritt 179 von Fig. 11 werden die vom Werkstück reflektierten Linien von denjenigen getrennt, die von einem Hintergrund mit gleicher Orientierung, jedoch verschiedener Höhe reflektiert werden.

(b) Trennung von parallelen Ebenen

So wie aneinanderstoßende Oberflächen mit unterschiedlichen Orientierungen in Bildlinien mit Neigungs-Diskontinuitäten resultieren, erzeugen Szenen mit Höhen-Diskontinuitäten (d. h. überlappende Werkstücke) Linienbilder mit diskontinu-

32280 H

ierlichen Änderungen ihres u-Werts. Dies tritt ζ. Β. auf, wenn eine Überlappverbindung 180 (Fig. 14) von oben betrachtet wird oder wenn ein Teil der Schweißvorrichtung 170 (Fig. 8) in Fig. 10 gezeigt würde.

Die Trennung von parallelen überlappenden Oberflächen erfolgt mit Hilfe von Linien-Abstands-Statistiken_r die während der Projektor-Eichung erhalten werden. Z. B. umfaßt bei dem Überlappschweißungsbild von Fig. 15 eine nach ansteigenden gemittelten u-Werten geordnete Liste sämtliche in dem Bild auftretenden Liniensegmente (u steigt in Fig. 15 von unten nach oben an). Die Trennung in u zwischen den beiden ersten Elementen 182 und 184 der Liste wird errechnet und innerhalb einer bestimmten Anzahl von Standardabweichungen (derzeit ca. 2,5) mit der gemittelten Trennung verglichen, die während der Projektor-Eichung gemessen wurde. Wenn der Versuchswert außerhalb dieses Bereichs liegt und kleiner als der geeichte Mittelwert ist, wird der Vorgang zwischen dem ersten Element und dem nächsten nichtuntersuchten Element der Liste (z. B. dem ersten Element 182 und dem dritten Element 186, dem ersten Element 182 und dem vierten Element 188 etc.) wiederholt, bis der Versuchswert in den angegebenen Bereich fällt. Wenn dies der Fall ist, wird das erste Element 182 der Liste entfernt und als erstes Element einer neuen Liste verwendet, die sämtliche Linien für die bestimmte Oberfläche enthält. Wenn der Versuchswert außerhalb des Toleranzbereichs liegt, wird er mit dem Abstand zwischen den Bezugselementen 190 und 192 verglichen. Wenn dieser Vergleich innerhalb der angegebenen Grenzwerte liegt, wird der gleiche Vorgang ausgeführt; andernfalls geht die Schleife weiter. Die Wiederholung dieser Schleife wird

32280U

fortgesetzt, wobei das zweite Element 184 der zwei gerade verglichenen Linien als erstes Element verwendet wird.

Wenn sämtliche Linien der Liste in dieser Weise geprüft sind, ist eine neue Liste erstellt worden, die sämtliche zu einer Oberfläche gehörigen Linien enthält, und diese Linien sind aus der Ursprungsliste entfernt worden. Der Vorgang wird wiederholt, bis jede Linie in der Ursprungsliste einer Oberflächenliste zugeordnet und die Ursprungsliste erschöpft ist oder bis keine der übrigen Linien den vorgenannten Kriterien entspricht. Der Vorgang der Höhentrennung wird unabhängig für jedes Histogramm-Kästchen, das durch den Orientierungs-Gruppierungsvorgang beladen wurde, ausgeführt. Für die Überlappschweißverbindung 180 (Fig. 14) findet man nur ein beladenes Kästchen. Im Fall der Kehlnahtschweißverbindung von Fig. 8 trennt jedoch dieses Vorgehen die Werkstücke 166 und 168 von den niedrigeren, jedoch gleichartig orientierten Hintergrund-Oberflächen der Schweißvorrichtung 170.

Liniensegmente mit dem gleichen gemittelten u-Wert, die somit zu Oberflächen mit gleicher Höhe gehören, werden durch diesen Vorgang in eine Gruppe zusammengebracht. Diese Situation tritt z. B. bei der viereckigen Stumpfstoßverbindung 112 von Fig. 5 auf. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit ist eine weitere Zerlegung erforderlich.

(c) Zonenweise Trennung

Dieser Vorgang wird benutzt zur Trennung einzelner Werkstücke, die gleiche Orientierung und Höhe haben, und ist in

Schritt 194 von Fig. 11 angegeben. Er dient hauptsächlich der Lokalisierung von z. B. den Werkstücken 116 und 118, die die viereckige Stumpfverbindung 112 aufweisen (Fig. 5).

Die zonenweise Trennung oder Gruppierung ist ebenfalls ein Vorgang der Histogrammerstellung - dabei ist in diesem Fall das Histogramm die Verteilung der mittleren v*-Werte für sämtliche Linien, die einem Satz von Oberflächen mit gleicher Orientierung und Höhe zugehörig sind. Der v*-Wert wird errechnet durch Rotation des u-v-Koordinatensystems, so daß die Gesamtstreuung des Satzes von gemittelten v-Werten der untersuchten Liniengruppe minimiert wird. Insbesondere gilt im Fall von 0 als dem berechneten Rotationswinkel:

v* = ν cos ψ - u sin φ (4).

Dieses gedrehte Koordinatensystem wird dazu verwendet, mögliche Fehlerquellen zu eliminieren, die durch Verbindungslinien eingeführt werden, die diagonal über das Bild verlaufen.

Es ,ist zu beachten, daß im Fall der Kehlnaht- und Überlappverbindungen 164 (Fig. 8) und 180 (Fig". 14) dieser Vorgang in keiner weiteren Trennung resultiert. Stattdessen dient er nur zur Übertragung von Linieninformation auf die Lage der Ebene und auf Anpassungsvorgänge, die noch erläutert werden.

4. Räumliche Ortsbestimmung von Werkstücken

Da das Bild jedes Werkstücks in einer Schweißverbindung durch die Gruppierungsvorgänge isoliert wird, wird seine

3228QH

Elementinformation, bestehend aus den vorstehend erläuterten geordneten Listen, verarbeitet zur Bestimmung der dreidimensionalen (x-y-z)-Lage des Werkstücks. Dieser Schritt ist in Fig. 11 mit 196 bezeichnet.

Die Bezugselemente 124 (Fig. 6 und 8) werden zuerst fixiert durch Errechnen des Verhältnisses des Mittenabstands zwischen jedem Paar von Elementen 122 und 124 zu dem mittleren Abstand sämtlicher Elemente in der Liste. Dasjenige Paar von Elementen, für das dieses Verhältnis am größten wird, wird als Bezugspaar angenommen. Dieses Bezugsabstandsverhaltnis wird auch überprüft, um sicherzustellen, daß es innerhalb des während der Eichung angetroffenen Bereichs liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Bildsegment nicht angenommen.

Das Verhältnis der Mittenabstände wird hier verwendet, weil sein Wert relativ unbeeinflußt von Änderungen der scheinbar ren Breite oder Beabstandung der Elemente ist. Bei einem binären Bild ändert sich die scheinbare Elementbreite, weil sich die Intensität des in die Kamera von den randbeleuchteten Elementkanten reflektierten Lichts mit dem Reflexionsvermögen der Oberfläche ändert. Der absolute Abstand zwischen den Elementen wird kleiner, wenn das Werkstück näher zur Kamera bewegt wird.

Wenn die Bezugselemente 124 örtlich fixiert sind und infolgedessen der Index jedes Elements 122 und 124 bestimmt igt, werden die X-, Y- und Z-Koordinaten für die Endpunkte jedes Elements 122 und 124 unter Anwendung der vorstehend erläuterten Methode berechnet. Dieser Schritt ist in Fig. 7 mit 200 bezeichnet.

- ^:-^: :" '^:.'!^: ■-' 32280U ¥5

Das Resultat dieses Vorgangs besteht in einem Ebenen-Beschreibungsblock, der die gemittelten X-, Y- und Z-Werte (den scheinbaren Flächenmittelpunkt) für die Oberfläche jedes Werkstücks, z. B. der Werkstücke 166 und 168 von Fig. 8, enthält, und in Listen, die die u-, v-, X-, Y- und Z-Werte für die Endpunkte sämtlicher Liniensegmente, die das Werkstückbild bilden, enthalten. Dabei sind zwei solche Listen vorhanden, und zwar eine für Punkte am Kopf (minimales v) des Bilds und eine für Punkte am unteren Ende (maximales v).

5. Anpassung der Oberflächen

Eine Beschreibung der Verbindungsgeometrie in Parameterdarstellung wird dadurch erhalten, daß eine mathematische Fläche an die aus dem vorhergehenden Schritt erhaltenen Daten angepaßt wird. Der Anpassungsschritt ist in Fig. 7 mit 202 bezeichnet. Die verwendete Fläche kann irgendeine für den jeweiligen Zweck geeignete analytische Gestalt aufweisen. Ein umfassendes Programm für die Einrichtung nach der Erfindung umfaßt Subroutinen zur Klassifizierung der Flächen, so daß eine Auswahl aus geeigneten Formeln für die weitere Analyse des Werkstücks gemäß dem Verfahren nach der Erfindung vorgenommen werden kann. Beim Schweißen von Rohren ist es z. B. zweckmäßig, konische Abschnitte wie eine Ellipse oder einen Kreis anzupassen. Bei sehr komplexen Formen könnten weitere Kurven höherer Ordnung verwendet werden.

Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung und beispielsweise werden dreidimensionale ebene Flächen der Gestalt:

32280U

Ax + By + Cz + D = 0 (5)

angepaßt.

Diese Gleichung wird an die Elementendpunktinformation unter Anwendung der Fehlerquadratmethode angepaßt. Die Parameter A, B, C und D werden so normiert, daß A, B und C die in bezug auf die X-, Y- und Z-Achsen senkrechten Richtungskosinusse der Fläche sind und D die senkrechte Entfernung vom Ursprung der ebenen Fläche ist. Es ist zu beachten, daß D angibt, auf welcher Seite des Ursprungs die Ebene liegt.

Diese Parameter werden zusammen mit den Kanten- und Flächenmittelpunkts-Daten in Flächenbeschreibungsblocks aufgezeichnet,

6. Fixieren der Verbindung

Dieser Schritt ist in Fig. 7 mit 204 bezeichnet. Zur Vereinfachung der Fixierung der Verbindung unter Anwendung einfacher geometrischer Beschreibungen werden die vorstehend erläuterten Flächenbeschreibungsblocks in miteinander verknüpfte Listen organisiert entsprechend der relativen Position jeder Fläche im Raum. Es sind drei solche Listen vorhanden, die in aufsteigender Ordnung gemäß den gemittelten Werten von X, Y und Z arrangiert sind. Es ist zu beachten, daß jede Fläche einmal in jeder Liste erscheint. Die relative Lage einer bestimmten Fläche ist durch ihre Position in jeder Liste bezeichnet.

'(fs-

Die Anwendung dieser Datenstrukturen zur örtlichen Fixierung von Kehlnaht- und Überlappverbindungen sowie der während der Flächenanpassung erhaltenen Daten in Parameterdarstellung wird nachstehend erläutert.

(a) Fixierung einer Kehlnahtverbindung

Eine einfache Kehlnahtverbindung (Fig.8) besteht aus zwei Platten 166 und 168, die unter einem Winkel von typischerweise 90° aufeinandertreffen. Wenn die zu erwartende Verbindungslinie als ungefähr längs der X-Achse verlaufend definiert wird, läuft die Fixierung der Kehlnahtverbindung 164 wie folgt ab. Das Bild wird in Y-Richtung (senkrecht zu der erwarteten Verbindungslinie) durchlaufen durch schrittweises Abwärtsverfolgen der Y-Liste. Diese Liste wird erschöpfend abgesucht, bis ein Paar benachbarte Ebenen gefunden wird, deren Flächennormale einen Winkel von 90° (4^2°) in der YZ-Ebene bilden. Ferner erfolgt eine Prüfung zur Feststellung, daß dieser Schnittpunkt an der Vorderseite der Schweißung liegt. Die hier angewandte erschöpfende Suchmethode kann zuerst relativ zeitraubend erscheinen, wegen der geringen Anzahl betroffener Ebenen (normalerweise nicht mehr als vier) handelt es sich jedoch um eine extrem schnelle Methode. Die Resultate dieses Schritts 204 für die Verbindung 164 von Fig. 8 sind in Fig. 13 so dargestellt, wie sie auf dem Bildschirm 40 (Fig. 1) auftreten würden. Die Linie 206 identifiziert die Verbindung 164. Zur leichteren Interpretation umfaßt die angezeigte Information von Fig. eine Identifizierung mittels des Pfeils 208 der ersten Linie 172, die in einer vorgeschlagenen Schweißrichtung über die

32280 U

Linie 206 hinausgeht. Die Schweißung endet an der identifizierten Linie, so daß eine vollständige Schweißung der Verbindung 164 gewährleistet ist.

(b) Fixierung einer Überlappverbindung

Fig. 14 zeigt eine typische Überlappverbindung 180. Der Betrachtungspunkt der Kamera liegt in diesem Fall direkt über der oberen Platte 210, so daß die vertikale Endfläche (Kante der oberen Platte) nicht direkt sichtbar ist und die Verbindung als eine Stapelanordnung von zwei Platten 210 und 212 erscheint. Das verarbeitete Bild dieser Verbindung ist in Fig. 15 gezeigt.

Die Überlappverbindung 180 wird fixiert, indem die stufenweise Höhendiskontinuität zwischen den beiden Platten ermittelt wird. Das letzte (höchste) Element in der Z-Liste wird als die obere Platte 210 angenommen. Das nächstniedrigere Element in der Liste wird dann überprüft zur Bestätigung, daß sein Z-Wert sich von demjenigen des ersten Elements um die bekannte Dicke der oberen Platte unterscheidet. Wenn dieser Test erfolgreich ist, wird die Kantenliste der oberen Platte zusammen mit einer Markierung, die die Lage der Verbindungsfläche in bezug auf die Verbindungslinie 180 bezeichnet, dem Verbindungslinien-Anpassungsvorgang zugeführt. Es ist zu beachten, daß in diesem Fall die Verbindungsbreite mit Null angenommen wird.

^:..^: ■' '■■"-■ ■ ■' 32280 4?

7. Abschätzung der Verbindungs-Bahnkurve

Die Verbindungsbahn und die Passung der Verbindung werden durch die Werkstückskanten-Ausgangsinformation mittels der Fixierungsmethoden definiert. Eine mathematische Kurve wird an diese Information angepaßt zum Erhalt einer Beschreibung der dreidimensionalen Bahnkurve in Parameterdarstellung. Dies ist aus mehreren Gründen notwendig:

Die erhaltene mathematische Beschreibung kann als Grundlage für die räumliche Interpolation bei der Manipulatorsteuerung genutzt werden.

Dieses Modell ist notwendig, um Verbindungsbahnsegmente, die aus aufeinanderfolgenden überlappenden Bildern erhalten werden, miteinander zu verbinden.

Diese geschätzte Bahnkurve wird als Grundlinie für Messungen der Verbindungsbreite genutzt. Diese Breiteninformation kann z. B. dafür genutzt werden, die Pendelamplitude des Schweißbrenners zu steuern oder alternative Schweißmethoden, z. B. Raupenlegen zum Ausfüllen einer breiten Schweißverbindung, zu wählen.

Ebenso wie beim Anpassen der Ebenen sollte die Art der zu verwendenden mathematischen Kurve so gewählt werden, daß sie sich am besten für einen bestimmten Anwendungszweck eignet. Für die einfachen Werkstücke, die im vorliegenden Fall benutzt wurden, wurde ein Modell von Geraden verwendet. Dies ist annehmbar, da das angegebene Ausführungsbeispiel einen einfachen XY-Manipulator mit begrenzter Interpolations-Kapazität verwendet.

Die Kantenpunktdaten werden als die Endpunkte von Segmenten mit Verarbeitungslänge behandelt, und die Linienindizes sind Abtastzeilen-Seriennummern. Diese Daten werden auf ihren Zusammenhang analysiert, und die geraden Liniensegmente werden an die zusammenhängenden Bereiche angepaßt. Das Resultat dieses Vorgangs ist in Fig. 16 unter Anwendung auf die gekrümmte Uberlappschweißung 180 (Fig. 14) gezeigt. Es ist zu beachten, daß die gekrümmte Verbindungslinie 180 in kleinere gerade Liniensegmente 210 aufgebrochen ist. In diesem Fall wird eine ununterbrochene Verbindungslinie dadurch erhalten, daß jedes Segment entsprechend 212 extrapoliert wird und die Segmente an ihrem Schnittpunkt 214 miteinander verbunden werden.

Nachdem die Grundlinien-Bahnkurve bestimmt ist, geht der Prozeß schrittweise nach unten, wobei die Breite der Verbindung an jedem Kantenpunkt errechnet wird. Diese Daten werden zusammen mit den Bahnsegment-Endpunkten, der -Neigung und dem -Y-Achsenabschnitt in einer Liste aufgezeichnet, die von dem Manipulator-Steuerteil 46 (Fig. 1) genutzt wird. Der Schweißvorgang entsprechend Schritt 216 von Fig. 7 kann nunmehr stattfinden, wobei eine fertige Schweißverbindung erhalten wird unter Nutzung der mit der Einrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung erzeugten Resultate und unter Erzeugung geeigneter Steuersignale für das Steuergerät 46.

Es ist somit ersichtlich, daß die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung in der Lage sind, dreidimensionale Schweißverbindungen zu charakterisieren und die Positionierung eines Schweißkopfs zur automatischen Schweißung

32280U

der Verbindungen auf Echtzeitbasis zu steuern. Dabei ist die Anwendung spezieller Konfigurationen für unterschiedliche Formen von Schweißungen nicht erforderlich. Da an dem zu schweißenden Werkstück keine Fühlelemente angeordnet werden müssen, eignet sich die Einrichtung in Verbindung mit einer großen Vielzahl von Schweißnahtformen.

Ferner ist für den Fachmann ersichtlich, daß verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden können« Z.B. können die Lichtquelle 24, die Kamera 28 und die Schweißpistole 18 an einem Arm eines Industrieroboters (z. B. Cincinatti-Milacron T3) so befestigt sein, daß sie in bezug auf das Werkstück 16 bewegbar sind, wobei sich letzteres entweder ebenfalls bewegen läßt oder ortsfest bleibt.

Claims

32280U

Patentansprüche

(1./Verfahren zur Lagesteuerung eines Werkzeugs relativ zu

einem Werkstück,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Projizieren eines Lichtmusters, umfassend eine Anordnung von Lichtelementen mit jeweils bekannter Gestalt und mit bekanntem Abstand voneinander, auf das Werkstück; Erfassen der vom Werkstück reflektierten Lichtelement-Anordnung;

Zusammenfassen der erfaßten Lichtelemente zu Gruppen auf der Grundlage mindestens einer gemeinsamen, aus der Werkstückgeometrie resultierenden Charakteristik der reflektierten Lichtelemente;

Bestimmen der Werkstückgeometrie aus mindestens einer Beziehung zwischen verschiedenen der zusammengefaßten Gruppen von erfaßten Lichtelementen; und

- Steuern der Positionierung des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander auf der Grundlage der so bestimmten Werkstückgeometrie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Schweißkopf ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Werkstückgeometrie eine Mehrzahl Flächen umfaßt, von denen mindestens zwei eine zu schweißende Verbindung bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Lichtelemente zu mindestens zwei Gruppen zusammengefaßt werden, wobei jede Gruppe Lichtelemente mit gleichartiger Neigung enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichartige Neigung aufweisenden Lichtelemente jeder Gruppe außerdem zu Untergruppen zusammengefaßt werden, deren jede einen gleichartigen Abstand von einem vorgegebenen Punkt aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückgeometrie bestimmt wird durch Anpassen einer mathematischen Fläche an mindestens einige der zusammengefaßten Gruppen erfaßter Lichtelemente.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Rand mindestens einer der mathematischen Flächen dadurch fixiert wird, daß eine stufenweise Höhendiskontinuität in den erfaßten Lichtelementen festgestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Werkzeug ein Schweißkopf ist, und daß der Rand der mindestens einen mathematischen Fläche dazu genutzt wird, eine Schweißverbindungsbahn für den Schweißkopf, der er in bezug auf das Werkstück folgt, zu definieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schweißverbindung durch Anpassen einer Kurve an den Rand der mindestens einen mathematischen Fläche definiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kurve als Grundlinie zur Messung der Schweißverbindungsbreite dient, und daß die so bestimmte Schweißverbindungsbreite zur Modifizierung der Schweißverbindungsbahn genutzt wird.
11. Einrichtung zur Lagesteuerung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück,

gekennzeichnet durch eine Einheit (24) zum Projizieren eines Lichtmusters, umfassend eine Anordnung von Lichtelementen mit jeweils bekannter Gestalt und bekanntem Abstand relativ zueinander, auf das Werkstück (16);

:I. : ^:-^: - ·.-·■"- 32280U

eine von der Projektionseinheit (24) im Abstand befindliche Erfassungseinheit (28), die die vom Werkstück (16) reflektierte Anordnung von Lichtelementen erfaßt und aufgrund der erfaßten Lichtelemente erste Ausgangssignale erzeugt;

- eine Einheit zur Klassifizierung der ersten Ausgangssignale in Gruppen auf der Grundlage mindestens einer, aus der Werkstuckgeometrie resultierenden gemeinsamen Charakteristik der ersten Ausgangssignale jeder Gruppe; eine Einheit zur Bestimmung der Werkstuckgeometrie aus mindestens einer Beziehung zwischen verschiedenen der Gruppen erster Ausgangssignale und zur Erzeugung zweiter Ausgangssignale, die die so bestimmte Werkstuckgeometrie bezeichnen; und

eine auf die zweiten Ausgangssignale ansprechende Einheit (46), die das Werkzeug relativ zum Werkstück positioniert.
12. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Werkzeug ein Schweißkopf (18) ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Bestimmungs-Einheit jede Gruppe der ersten Ausgangssignale zur Definition einer Fläche des Werkstücks nutzt.
14. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß die mindestens eine Beziehung zwischen den ersten Ausgangssignalen verschiedener Gruppen der ersten Ausgangssignale dazu genutzt wird, einen Schnittpunkt zwischen mindestens zwei Flächen des Werkstücks zu bestimmen.
15. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß das von der Projektionseinheit (24) projizierte Lichtmuster eine Mehrzahl Linien aufweist, wobei mindestens eine Linie vorgesehen ist, deren Abstand von einer benachbarten Linie sich vom Abstand zwischen allen anderen Linien der Anordnung unterscheidet.
16. Einrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils zwei benachbarte Linien der Anordnung einen speziellen Abstand voneinander aufweisen.