DE3801626C1 - Rotating circular scanner, working according to the triangulation principle, as optical seam position sensor for a welding torch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden rotierenden Zirkularscanner als optischer Naht­ lagesensor für einen Schweißbrenner nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der Zeitschrift "Ro­ botersysteme" 1987, Seite 16 bis 20 als bekannt hervorgeht.

Derartige Zirkularscanner können beim Einsatz als Nahtlage­ sensoren für Schweißbrenner exzentrisch zur Brennerachse in Schweißrichtung vorauslaufend angeordnet sein oder - unter Inkaufnahme eines gewissen "blinden" Umfangsbereiches des Zirkularscanners - auch konzentrisch zum letzten abgewinkel­ ten Teil des Schweißbrenners angeordnet werden. Eine mitten­ freie Ausbildung den Zirkularscanners wäre grundsätzlich ebenfalls denkbar, so daß der Schweißbrenner durch das Zen­ trum des Zirkularscanners hindurchgeführt werden könnte; diese Ausbildung erscheint jedoch relativ schwer, aufwendig und daher störungsempfindlich.

Mit dem bekannten Zirkularscanner können Aussagen über die Schweißfugenlage in Relation zum Schweißbrenner, die Schweiß­ fugenrichtung und die Schweißfugenausbildung gewonnen wer­ den. Eine Aussage über die Schweißfugenausbildung erlaubt es beispielsweise, die Schweißparameter selbsttätig den geän­ derten Fugenbedingungen anzupassen oder ein Alarmsignal zum Herbeirufen von Wartungspersonal auszulösen.

Nachteilig an dem bekannten Zirkularscanner ist, daß die Sig­ nale des mitrotierenden Photodiodenarrays über einen stö­ rungsempfindlichen Drehübertrager auf den feststehenden Teil des Zirkularscanners übertragen und erst von dort zur Auswer­ tung weitergeleitet werden können. Ein weiterer Nachteil be­ steht in der Notwendigkeit eines Drehlagengebers und der lau­ fenden Koordination eines Drehwinkels des Zirkularscanners einerseits und des zeitlich zugehörigen Signals des Photo­ diodenarrays, der Lateraleffektdiode oder dgl. Diese Zu­ sammenführung zeitlich zusammengehöriger Werte in Echtzeit erfordert einem nicht unerheblichen steuerungstechnischen Aufwand, was einen problemlosen Einsatz im rauhen Fertigungs­ betrieb sicher nicht förderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsmäßig zugrundege­ legten Zirkularscanner zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der flächigen Aus­ bildung und der stillstehenden Anordnung des Photodioden­ arrays bzw. der Lateraleffektdiode oder dgl. sind beide interessierten Werte des Wertepaares: Umfangsstellung und Strahlauslenkung an eben diesem lichtempfindlichen Meß­ element dedektierbar; es kann dadurch eine Zusammenführung zeitlich zusammengehöriger Wertepaare entfallen; außerdem kann eine Winkelermittlung für die jeweilige Umfangsstel­ lung des Zirkularscanners ebenfalls entfallen, was den Dreh­ antrieb des Rotors für den Zirkularscanner wesentlich ver­ einfacht und ihn weniger störanfällig macht. Dank der still­ stehenden Anordnung des Photodiodenarrays bzw. der Lateral­ effektdiode entfällt auch eine Drehübertragung der ent­ sprechenden Meßsignale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unter­ ansprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungs­ beispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines Zirkularscanners als Nahtlagesen­ sor an einem Lichtbogen-Schweißbrenner und

Fig. 2 eine stark schematisierte, perspektivische Dar­ stellung der wesentlichen Teile eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Zirkularscanners.

Der in Fig. 1 dargestellte Zirkularscanner dient als Naht­ lagesensor 9 an einem Schweißbrenner 3; er ist mittels eines Sensorhalters 8 an dem abgewinkelten Hals 7 derart befestigt, daß die Rotationsachse 28 des Zirkularscanners mit der Düsen­ achse 6 des Brenners zusammenfällt. Die Düsenachse 6 ist im wesent­ lichen bestimmt durch den Verlauf der Elektrode 4, von der der Lichtbogen 5 auf das Werkstück 1 übergeht.

Der in Fig. 1 dargestellte als Nahtlagesensor 9 einge­ setzte Zirkularscanner ist relativ groß ausgebildet und von dem Werkstück 1 relativ weit abgerückt. Letzteres ist mit Rücksicht auf die Rauchentwicklung und Schweißspritzer, die von der Schmelze im Bereich des Lichtbogens 5 ausgehen, er­ forderlich. Außerdem erlaubt die relativ abgerückte Anord­ nung des Nahtlagesensors 9 eine Abwinklung des Brenners 3 derart, daß die Düsenachse 6 im letzten Teil des Brenners gleichachsig zur Sensorachse 28 zu liegen kommt. Damit trotz des durch den abgewinkelten Brennerhals überdeckten Umfangs­ bereiches ein möglichst großer Anteil eines konzentrisch zur Düsenachse liegenden Kreises vom Zirkularscanner "einge­ sehen" werden kann, ist der Zirkularscanner im Durchmesser relativ groß ausgebildet.

Die dem Werkstück 1 zugekehrte, der Rauchentwicklung und den Schweißspritzern ausgesetzte Seite des Nahtlagesensors 9 ist mit einer leicht auswechselbaren Schutzglasscheibe 20 versehen, die bedarfsweise gereinigt oder auch erneuert wer­ den kann.

Bevor auf weitere Einzelheiten des Nahtlagesensors 9 einge­ gangen wird, sei zunächst das von ihm realisierte, an sich bekannte Triangulationsprinzip kurz erläutert: ein "stricknadelförmiger" Primärstrahl 10 wird auf die Werk­ stückoberfläche 2 gerichtet und erzeugt dort einen diffus leuchtenden Lichtfleck 12. Dieser Lichtfleck 12 wird mittels einer Beobachtungsoptik 13 auf einem lagempfindlichen Pho­ todedektor, der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als Lateraleffektdiode 23 ausgebildet sein soll, abgebildet. Je nach Auftreffstelle des Abbildungspunktes des Lichtfleckes 12 auf der Lateraleffektdiode gibt diese ein entsprechen­ des Signal an ihren Ausgängen ab. Je nach Höhenlage der Werkstückoberfläche 2, 2′ oder 2′′ liegt der auf ihr vom Primärstrahl 10 hervorgerufene Lichtfleck 12, 12′ bzw. 12′′ unterschiedlich in Relation zur optischen Achse der Beobach­ tungsoptik 13; dementsprechend wird auch der von dem Licht­ fleck 12, 12′ bzw. 12′′ in Richtung zur Beobachtungsoptik 13 ausgehende Sekundärstrahl 11, 11′, 11′′ eine unterschied­ liche Lage in Bezug zur Beobachtungsoptik und auch in Be­ zug zur Lateraleffektdiode 23 einnehmen. Das veränderliche Signal der Lateraleffektdiode 23 wird also im wesentlichen ein Höhensignal für die Werkstückoberfläche 2, 2′ bzw. 2′′ in Relation zum Nahtlagesensor bringen. Durch Rotation des Primär- und des Sekundärstrahles 10 bzw. 11 um eine Rota­ tionsachse 28 kommt im wesentlichen die Wirkung des Zirkular­ scanners zustande, der an jedem Umfangspunkt nach dem ge­ schilderten Triangulationsprinzip arbeitet.

Die Rotation von Primär- und Sekundärstrahl 10 bzw. 11 ist beim Ausführungsbeispiel des Zirkularscanners nach Fig. 1 auf folgende Weise gelöst: zentrisch im Zirkularscanner ist axial ausgerichtet eine Laserlichtquelle 14 feststehend an­ geordnet; der austretende Laserlichtstrahl liegt genau in der Rotationsachse 28 des zugehörigen Rotors 15, der in La­ gern 16 drehbar gelagert und mittels des Antriebsmotors 21 über Zahnräder 22 antreibbar ist. Innerhalb des Rotors 15 ist zentrumsnah ein erster Umlenkspiegel 17 und im Bereich des Außenumfangs ein parallel dazu ausgerichteter weiterer Umlenkspiegel 17′ vorgesehen, so daß der zunächst zentrisch liegende Laserlichtstrahl parallel versetzt axial im Bereich des Außenumfanges verläuft. Je nach Umfangsstellung des Ro­ tors 15 verändert auch der am Außenumfang des Rotors ver­ laufende Laserlichtstrahl seine Umfangsstelle. Durch ein keilförmiges Prisma 18 im Bereich der Stirnseite des Rotors 15 wird der Primärstrahl 10 leicht zur Rotationsachse 28 hin abgewinkelt. Dadurch bestreicht der Primärstrahl 10 während der Rotation des Zirkularscanners einen immateriel­ len Kegelmantel. An sich wäre es grundsätzlich auch möglich, den Primärstrahl 10 außerhalb des Zirkularscanners parallel zur Rotationsachse 28 verlaufen zu lassen, so daß der Pri­ märstrahl 10 den Mantel eines immateriellen Zylinders be­ streicht und der von dem Lichtfleck 12 des Primärstrahls 10 auf der Werkstückoberfläche beschriebene Kreis einen größeren Durchmesser hätte. Angestrebt wird jedoch eine Oberflächen­ detektion in möglichst geringem Abstand um die Arbeitsstelle des Schweißbrenners 3 herum. Angestrebt wird mit Rücksicht auf eine möglichst gute Höhenauflösung bei der Triangulation ein möglichst großer Winkel zwischen Primär- und Sekundär­ strahl 10 bzw. 11. Als Alternativform wäre daher auch denk­ bar, daß die Beobachtungsoptik 13 diametral gegenüberliegend zum keilförmigen Prisma 18 innerhalb des Rotors angebracht ist und mit ihrer optischen Achse am Schweißbrenner 3 vor­ bei auf den vom Primärstrahl 10 auf der Werkstückoberfläche 2 hervorgerufenen Lichtfleck 12 ausgerichtet ist.

Erfindungsgemäß ist die Lateraleffektdiode zum einen zwei­ dimensional ausgebildet, was in Fig. 1 jedoch zeichnerisch nicht zum Ausdruck kommt; zum weiteren ist als wesentliches erfindungsgemäßes Merkmal die Lateraleffektdiode 23 still­ stehend, daß heißt nicht rotierend angeordnet. Um dies bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 zu ermöglichen, ist die La­ teraleffektdiode 23 von einer sowohl vom Primärstrahl 10 als auch vom Sekundärstrahl 11 durchdrungenen stillstehen­ den Klarglasscheibe 19 gehalten, die dem Rotor 15 vorgela­ gert ist. Die lichtempfindliche Seite der Lateraleffektdiode 23 ist dabei vom Werkstück 1 abgewandt. Im übrigen liegt die Lateraleffektdiode konzentrisch zur Rotationsachse 28. Na­ turgemäß muß die Beobachtungsoptik 13 außerhalb der Umfangs­ kontur der Lateraleffektdiode 23 angeordnet sein. Aufgrund ihrer Anordnung innerhalb des Rotors 15 läuft sie synchron und bei der dargestellten Anordnung auch phasengleich mit dem Primärstrahl 10 um. Bei einer oben bereits erwähnten denkbaren gegenüberliegenden Anordnung der Beobachtungs­ optik unter einem etwas steileren Winkel würde sie gewisser­ maßen in Gegenphase zum Primärstrahl 10 umlaufen. Wichtig für die Anordnung gemäß Fig. 1 ist das im Strahlengang hin­ ter der Beobachtungsoptik 13 angeordnete Umlenkprisma 25, welches den Sekundärstrahl 11, 11′ bzw. 11′′ um 180° unter Seitenversatz abknickt und auf die Lateraleffektdiode 23 leitet. Dank des abgeknickten Strahlverlaufes kann die La­ teraleffektdiode feststehend, nämlich - vom Werkstück 1 aus gesehen - vor dem Rotor 15 angebracht werden. Ein weiterer Vorteil des abgeknickten Strahlverlaufes liegt darin, daß dadurch trotz eines kleinen Bauvolumens eine gewisse Strahl­ länge im Bereich hinter der Beobachtungsoptik erzielt wird, wodurch die Auslenkung des Sekundärstrahles im Bereich der Auftreffstelle auf die Lateraleffektdiode größer ist als bei einem kurzen Strahlweg. Dadurch wird die Auflöseempfind­ lichkeit der Triangulationsanordnung günstig beeinflußt. An­ stelle eines Umlenkprismas 25 kann auch eine entsprechende Anordnung eines dachförmig angeordneten Doppelspiegels oder auch ein Tripelreflektor verwendet werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten konzentrischen Anordnung des Nahtlagesensors 9 zur Düsenachse 6 wird naturgemäß ein gewisser Umfangsbereich des Zirkularscanners durch den ab­ gewinkelten Brennerhals 7 abgeschattet. Auch das radial von der Lateraleffektdiode 23 wegführende Anschlußkabel 24 kann den Primär- und den Sekundärstrahl 10 bzw. 11 abschatten, wenngleich in einem wesentlich kleineren Winkelraum aufgrund des geringeren Durchmessers des Anschlußkabels 24. Um jedoch bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung bzw. Halterung des Nahtlagesensors 9 keine zusätzliche Abschattung durch das Anschlußkabel 24 zu bewirken, ist es innerhalb des Bereiches angeordnet, der ohnehin durch den abgewinkelten Brennerhals 7 überdeckt wird.

Der in Fig. 2 dargestellte Zirkularscanner ist im Durchmes­ ser wesentlich kleiner aufgebaut und ist aufgrund dessen we­ niger geeignet, gleichachsig zu einem Schweißbrenner ange­ ordnet zu werden, weil dann zuviel des Umfangs eines abge­ tasteten Kreises durch den Brenner abgeschattet werden würde. Wenn man sich jedoch mit einer lediglich kreisbogenförmigen Abtastung über einen vorauslaufenden Bogenbereich von etwa 180° begnügt, so wäre auch eine konzentrische Anordnung des Nahtlagesensors 26 nach Fig. 2 an einem Schweißbrenner denkbar. Zweckmäßiger erscheint jedoch eine vorauslaufen­ de exzentrische Anordnung des Nahtlagesensors 26 gegenüber einem Schweißbrenner, wobei der Nahtlagesensor geneigt zur Düsenachse angeordnet sein kann derart, daß die vom kreisen­ den Lichtfleck 12 auf der Werkstückoberfläche 2 beschriebe­ ne in sich geschlossene Linie 29 annähernd konzentrisch zur Brennerachse liegt. Bei Abtastung einer ebenen Werkstück­ oberfläche wird die von dem Lichtfleck 12 beschriebene Linie 29 eine Elipse sein, je nach Fugengestalt und/Oberflächen­ krümmung wird jedoch die geschlossene Linie mehr oder we­ niger stark von der Elipsenform abweichen. Gerade aus die­ sen Abweichungen der in sich geschlossenen Linie 29 von der exakten Elipsengestalt wird man Aufschluß über die re­ lative Winkelorientierung des Brenners gegenüber der Werk­ stückoberfläche und gegenüber dem Fugenverlauf erhalten können, was selbstverständlich auch für das Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 gilt.

Der grundsätzliche Aufbau des Zirkularscanners nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem Zirkularscanner nach Fig. 1 durch seinen durchgängig zentralsymmetrischen Aufbau ins­ besondere hinsichtlich des Sekundärstrahlverlaufes. Der Ro­ tor 15′ ist im wesentlichen als runde Scheibe ausgebildet, der oberseitig die beiden Umlenkspiegel 17 und 17′ trägt; der Strahldurchtritt durch den Rotor erfolgt bei dieser Aus­ bildung im Bereich des außen liegenden Umlenkspiegels 17′. Der Antriebsmotor 21 ' ist unterhalb des scheibenförmigen ro­ tors 15′ angeordnet und von unten her gehalten, worauf spä­ ter noch eingegangen wird.

Sämtliche unterhalb des scheibenförmigen Rotors 15′ gehal­ tenen und innerhalb des vom Primärstrahl 10 bestrichenen Zylinder- bzw. Kegelmantels liegende Teile werden zumindest mittelbar von einer vom Primärstrahl 10 durchdrungenen Klar­ glasscheibe 19′ gehalten, die stillstehend in einem im we­ sentlichen zylindrischen, jedoch in Fig. 2 nicht dargestell­ ten Sensorgehäuse gehalten ist. Diese Klarglasscheibe 19′ trägt zunächst die Beobachtungsoptik 13′, die gleichachsig zur Rotationsachse 28′ angeordnet ist. Über einen - eben­ falls nicht dargestellten - Tubus stützt sich an der Be­ obachtungsoptik 13′ der flächig ausgebildete Photodetektor ab, der bei diesem Ausführungsbeispiel als Photodiodenarray 27 ausgebildet ist. Auf seiner nach unten gerichteten, also dem Werkstück 1 zugekehrt liegenden lichtempfindlichen Ober­ fläche wird der Lichtfleck 12 durch die Beobachtungsoptik 13′ abgebildet - Sekundärstrahl 11. An einer Umfangsstelle ist radial das Anschlußkabel 24′ weggeführt; im Bereich die­ ser Umfangsstelle wird der Primärstrahl 10 vorübergehend ab­ geschattet, so daß der Zirkularscanner an dieser Umfangsstel­ le "blind" ist. Jedoch kann dieser Umfangsbereich durch gezielte Maßnahmen, beispielsweise durch ein hochkant stehen­ des Flachbandkabel, besonders schmal gehalten werden. Ober­ halb des Photodiodenarrays 27 ist eine von ihm bzw. seiner Fassung gehaltenen Stützkonstruktion für den Antriebsmotor 21′ und dementsprechend für die Lagerung des Rotors 15 vor­ gesehen. Nahezu fast alle Teile des Zirkularscanners nach Fig. 2 sind also innerhalb des zylindrischen Scannergehäuses von der unteren Klarglasscheibe 19′ zumindest mittelbar ge­ halten. Lediglich die Laserlichtquelle 14′ kann direkt im oberen Teil des Scannergehäuses montiert werden. Diese zu­ nächst etwas umständlich erscheinende Bauweise bietet je­ doch den Vorteil einer besonders einfachen und robusten Ro­ torausbildung; im Grunde genommen ist der wesentliche tra­ gende Teil ein die Beobachtungsoptik 13′, das Photodioden­ array 27 und den Antriebsmotor 21′ aufnehmender Tubus, an­ dem sich über die Klarglasscheibe 19′ und einen den scheiben­ förmigen Rotor 15′ umschließender weiterer nicht dargestell­ ter Tubus die Laserlichtquelle abstützt. Selbstverständlich ist es nötig, diese beiden konzentrisch ineinander liegenden Tuben über die Klarglasscheibe 19′ schwingungssteif gegen­ einander zu halten, weil sonst keine zuverlässige Triangula­ tion mittels Primärstrahl 10 und Sekundärstrahl 11 möglich ist. Eine radiale Relativverschiebung zwischen dem scheiben­ förmigen Rotor 15′ einerseits und der Laserlichtquelle 14′ andererseits geht nämlich unmittelbar als Meßfehler in die Triangulation ein. Infolgedessen wird man die Klarglasschei­ be 19′ als dicke schlierenfreie Akrylglasscheibe ausbilden die spanabhebend bearbeitet werden kann und in die der er­ wähnte Tulus schwingungssteif befestigt werden u. U. sogar eingekittet werden kann. Die Akrylglasscheibe kann mehrere Zentimeter dick sein und entweder - wie in Fig. 2 gezeigt - unmittelbar die Beobachtungsoptik 13′ oder unmittelbar den Antriebsmotor 21′ haltern. Die genannten Teile sind praktisch vollständig in eine paßgenaue Bohrung der Akrylglasscheibe in diese schwingungssteif eingelassen.

Claims (7)

1. Nach dem Triangulationsprinzip arbeitender rotierender Zir­ kularscanner als optischer Nahtlagesensor für einen Schweiß­ brenner, mit einem exzentrisch zu einer Rotationsachse ange­ ordneten, einen immateriellen Zylinder- oder Kegelmantel be­ schreibenden, auf die Werkstückoberfläche gerichteten, insbe­ sondere aus einer Laserlichtquelle gespeisten Primärstrahl, der auf dem Werkstück einen kreisenden Lichtfleck hervorruft, mit einer innerhalb des Zylinder- bzw. Kegelmantels angeord­ neten, auf den Lagebereich des Lichtfleckes gerichteten, mit der optischen Achse zum Primärstrahl geneigten Beobachtungs­ optik, die den Lichtfleck auf einem Photodiodenarray, einer Lateraleffektdiode oder dgl. abbildet - dieser Teil des Strahlenganges sei nachfolgend Sekundärstrahl genannt, wobei für jede Umfangsstellung des Zirkularscanners das jeweils zusammengehörende Wertepaar, bestehend aus Umfangsstellung und Sekundärstrahlposition auf dem Photodiodenarray, der Lateraleffektdiode oder dgl. ermittelt und als Sensorsig­ nale zur Auswertung weitergeleitet wird -, dadurch gekennzeichnet, daß das Photodiodenarray (27), die Lateraleffektdiode (23) oder dgl. zweidimensional ausgebildet und ortsfest, d. h. nicht-rotierend angeordnet ist und zur simmultiven Ermitt­ lung beider Werte des genannten Wertepaares dient.

2. Zirkularscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsoptik (13′) und das Photodiodenarray (27), die Lateraleffektdiode oder dgl. konzentrisch zur Ro­ tationsachse (28′) an einer vom Primärstrahl (10) durch­ drungenen, stillstehenden Klarglasscheibe (19′) angeordnet und gehalten sind (Fig. 2).

3. Zirkularscanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als Nahtlagesensor (26) exzentrisch zur Brennerachse angeordnet ist.

4. Zirkularscanner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als Nahtlagesensor (26) geneigt zur Brennerachse an­ geordnet ist, derart, daß die vom kreisenden Lichtfleck (12) auf der Werkstückoberfläche (2) beschriebene Linie (29) an­ nähernd konzentrisch zur Brennerachse verläuft.

5. Zirkularscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photodiodenarray, die Lateraleffektdiode (23) oder dgl., die lichtempfindliche Seite vom Werkstück (1) abge­ wandt, konzentrisch zur Rotationsachse (28) von einer sowohl vom Primär- (10) als auch vom Sekundärstrahl (11) durch­ drungenen, stillstehenden Klarglasscheibe (19) gehalten ist, daß die Beobachtungsoptik (13), phasengleich mit dem Pri­ märstrahl (10) umlaufend, außerhalb der Umfangskontur des Photodiodenarrays, der Lateraleffektdiode (23) oder dgl. an­ geordnet ist und daß im Strahlengang hinter der Beobachtungs­ optik (13) ein mit ihr umlaufendes, den Sekundärstrahl (11, 11′, 11′′) um 180° abknickendes Umlenkprisma (25), ein Doppel­ spiegel oder dgl. angebracht ist (Fig. 1).

6. Zirkularscanner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Nahtlagesensor (9) konzentrisch zur Brennerachse (6) in dessen abgewinkelten letzten Teil aber axial ver­ setzt dazu angeordnet ist (Fig. 1).

7. Zirkularscanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelanschluß (24) zum Photodiodenarray, zur Lateral­ effektdiode (23) oder dgl. an der gleichen Umfangsstelle an­ geordnet ist, wie der abgewinkelte Hals (7) des Schweißbren­ ners (3) (Fig. 1).