DE3886043T2

DE3886043T2 - Methode und system zur bestimmung von oberflächenprofilinformationen.

Info

Publication number: DE3886043T2
Application number: DE3886043T
Authority: DE
Inventors: James Abshire
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2008-03-24
Also published as: US4850712A; DE3886043D1; WO1989007037A1; CA1325257C; AU1573188A; EP0358661B1; JP2546885B2; JPH02503112A; EP0358661A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf optische Sensorsysteme und insbesondere auf ein optisches Sensorsystem zum Bestimmen des Profils einer Oberfläche.

Ausgangspunkt

Optische Sensoren arbeiten in vielen unterschiedlichen industriellen Anwendungen. Sehr einfache Anwendungen umfassen Alarmanlagen, wo sie das einfache Auftreten oder das Nicht-Auftreten von Licht Information übertragen. Komplexere Anwendungen umfassen Sichtsensoren, die in robotergesteuerten Vorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel robotergesteuerte Schweißer verwenden optische Sensoren zum Bestimmen unterschiedlicher Parameter einer Schweißoberfläche. Durch Bestimmen des Profils der Schweißnut, der Fläche der Nut und den Veränderungen in der Krümmung der Schweißoberfläche erzeugen robotergesteuerte Schweißer genaue oder akkurate Schweißungen. Natürlich hängt die Genauigkeit solcher robotergesteuerter Schweißer von der Genauigkeit ab, mit der das assoziierte optische System die Parameter der Schweißoberfläche mißt. Schnelle, verläßliche und kontinuierliche Messung der Parameter erzeugt Qualitätsschweißungen.
Optische Sensorsysteme nehmen unterschiedliche Formen an. Ein Strahl strahlender Energie, normalerweise durch einen Laser erzeugt, wird über die Oberfläche eines Werkstücks abgetastet oder gescannt. Ein optischer Sensor, wie zum Beispiel eine Fernsehkamera oder eine Anordnung von Photodiodendetektoren oder leistungsgekoppelten Speichern (CCD) empfangen Licht, das von der Oberfläche reflektiert wird. Der optische Sensor wird typischerweise unter einem bekannten Winkel bezüglich des Strahls oder des Werkstücks angebracht. Ein Computer oder andere geeignete Schaltungen empfangen Information von dem optischen Sensor und bestimmen die Kontur der Oberfläche durch Triangulationsverfahren.
Informationsverlust in optischen Sensoren stellen Probleme hinsichtlich der Systemgenauigkeit dar. Vorzugsweise wird nur das Licht, das mit dem Strahl assoziiert ist, verarbeitet, um die Oberflächeninformation zu erzeugen. In dieser Hinsicht leiden die derzeitigen optischen Sensoren bei harschen Anwendungen. Beim Schweißen trifft zum Beispiel ein intensives Licht vom Schweißbogen auf die optischen Sensoren auf. Laser und andere optische Quellen, die in der Lage sind, ein solches intensives Licht zu übersteigen, neigen dazu, teuer, groß und leistungsstark zu sein. Modulierte Laser zusammen mit speziellen Filtern übersteigen teilweise übermäßiges oder exzessives Umgebungslicht. Jedoch haben auch andere Faktoren, wie zum Beispiel Änderungen in der Oberflächenreflektivität, ein schlechtes Abtasten oder Scannen und Signalausfälle zur Folge.
Darüberhinaus, sogar wenn die optischen Sensoren zwischen dem Strahl und dem überflüssigen Umgebungslicht differenzieren können, können sie innewohnend anfällig sein für Sättigung oder schlechte Empfindlichkeit. Intensives Licht, das auf die Pixel von Fernsehkameras und CCD's trifft, sättigt sie recht leicht. Natürlich kann ein gesättigtes Abtast- oder Abfühlelement keine genaue Information erzeugen. Im Gegenteil dazu besitzen Detektoranordnungen begrenzte Räume zwischen den Anordnungselementen. Licht, das auf die Räume auf der Oberfläche einer Anordnung auftritt, wird nicht durch die Elemente der Anordnung detektiert und wird somit nicht verarbeitet. Inhärente Nachteile dieser optischen Sensoren haben eine unsichere oder ungenaue Oberflächeninformation zur Folge.
Auch eine langsame Ansprechzeit, die mit einigen optischen Sensoren assoziiert ist, begrenzt ihre Effektivität in Echtzeitanwendungen. Pixelprozessoren müssen die Ausgangssignale aller Pixel in einer Detektoranordnung verarbeiten, bevor die Position eines optischen Punktes bestimmt oder festgestellt werden kann.
Da alle Anordnungen in einer seriellen Weise ausgelesen werden, ist schon die Auslesezeit allein ein ernsthafter Nachteil. Wenn die Auflösung erhöht wird, müssen mehr Pixel verarbeitet werden. Für schnelle Scannzeiten kann die Auslesezeit leicht die Geschwindigkeit des gesamten Sensors beschränken. Darüberhinaus besitzen alle Anordnungsdetektoren ein beschränkendes Rauschen, das durch die Ausleseschaltung selbst beigesteuert wird. Für viele Detektoranordnungen beschränkt dieses Ausleserauschen ihre Empfindlichkeit auf Werte, die viele Male schlechter sind als die eines isolierten einzelnen Detektors. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist dies ein erheblicher Nachteil. Zusätzlich müssen die Prozessoren bei CCD's die Ladung an jedem Pixel integrieren, was auch ein langsamer Vorgang ist.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der obengenannten Probleme zu überwinden.
WO-A-86 02 452 zeigt ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein System die Profilinformation von der Oberfläche eines Objektes oder Gegenstandes fest. Eine optische Strahlenquelle erzeugt einen optischen Strahl zum Anlegen auf die Oberfläche. Mittel empfangen einen reflektierten optischen Strahl von der Oberfläche und legen dem reflektierten optischen Strahl auf einer Bildebene an. Ein variabler Strahlenteiler ist in der Lage, dem reflektierten optischen Strahl von der Bildebene zu empfangen und einen ersten Teil des reflektierten optischen Strahls hindurchzuleiten und einen zweiten Teil des reflektierten optischen Strahl zu reflektieren. Optische Detektiermittel erzeugen ein erstes Signal und ein zweites Signal ansprechend auf die Größe des ersten Teils bzw. des zweiten Teils des reflektierten optischen Strahls. Verarbeitungsmittel bestimmen die Position des reflektierten optischen Strahls auf der Bildebene ansprechend auf die ersten und zweiten Signale.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine automatische Verstärkungssteuerung für ein optisches System einer Schweißvorrichtung vorgesehen. Eine optische Strahlenquelle erzeugt einen optischen Strahl für das Anlegen auf eine Oberfläche. Mittel empfangen einen reflektierten optischen Strahl von der Oberfläche. Optische Detektiermittel erzeugen ein Rückkopplungs- oder Feedbacksignal ansprechend auf die Größe des empfangenen reflektierten optischen Strahls. Mittel vergleichen das Feedbacksignal und ein vorgewähltes Setzpunktsignal zum Erzeugen eines Steuersignals. Mittel verändern die Größe des erzeugten optischen Strahls ansprechend auf das Steuersignal.
Industrielle Anwendungen optischer Sensoren variieren drastisch. Zum Beispiel arbeiten optische Sensoren in moderaten, gesteuerten Umgebungen sehr gut ohne eine übermäßige Komplexität. Harsche Umgebungen hingegen machen es notwendig, daß optische Sensoren eine erhebliche Komplexität für einen ordnungsgemäßen Betrieb besitzen.
Präzisionsbauteile, komplexes Filtern, Rauschverminderungstechniken und eine erhebliche Entwicklungs- oder Bedienungszeit verbessern die Leistung eines optischen Sensors in einer fordernden Anwendung. Automatisches oder robotergesteuertes Schweißen ist eine solche Anwendung. Übermäßiges Rauschen, starkes Umgebungslicht, unregelmäßige Arbeitsoberflächen, und eine dunstige Atmosphäre neigen dazu, alle bis auf die besten oder raffiniertesten optischen Sensoren nutzlos zu machen. Viele Systeme haben versucht, diese Probleme zu beseitigen. Während einige Systeme in einer befriedigenden Art und Weise funktionieren, können noch viele Verbesserungen durchgeführt werden.
Bei Anwendungen, wie zum Beispiel robotergesteuertes Schweißen, beeinflußt die Geschwindigkeit, mit der ein optischer Sensor das Profil der Schweißoberfläche bestimmt oder feststellt direkt die Geschwindigkeit und Gesamtgenauigkeit des Schweißsystems. Wie schon oben in dem Abschnitt "Ausgangspunkt" beschrieben, fehlen Anordnungen und Fernsehkamera: Geschwindigkeit und Empfindlichkeit. Um die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern, verwendet die vorliegende Vorrichtung nur zwei diskrete optische Detektoren. Ein Strahlenteiler teilt den empfangenen optischen Strahl in zwei Teile. Ein erster Teil wird hindurchgelassen zu einem ersten optischen Detektor und ein zweiter Teil wird zu einem zweiten optischen Detektor reflektiert. Die Teile variieren kontinuierlich, und zwar bezüglich der Lage, in der der optische Strahl auf den Strahlenteiler auftrifft. Die Ausgangssignale der Detektoren zeigen die Position des Strahls auf dem Strahlenteiler an. Diese Positionsinformation wird in Beziehung gestellt mit dem Oberflächenprofil und kann verwendet werden in einer assoziierten Steuerschaltung zum Steuern unterschiedlicher Schweißparameter.
Eine modulierte optische Quelle überwindet schlechtes Umgebungslicht und Umgebungszustände. Mittel modulieren die Leistung des erzeugten optischen Strahls. Der reflektierte optische Strahl umfaßt auch die Modulationsfrequenz, die vom Umgebungs- oder Hintergrundlicht getrennt werden kann durch Verwendung elektrischer Filter. Die Vorrichtung beschränkt ihre Empfindlichkeit somit auf Umgebungslicht durch Herausfiltern von Licht, das nicht mit der richtigen Frequenz moduliert ist.
Eine automatische Verstärkungssteuerschaltung wird verwendet, um Veränderungen in der Arbeitsoberflächenreflektivität zu überwinden. Die automatische Verstärkungsteuerung stellt die Größe, d. h. die Ausgangsleistung des erzeugten optischen Strahls ansprechend auf die Reflektivität der Oberfläche ein. Die Größe des reflektierten optischen Strahls ist zumindest teilweise eine Anzeige für die Reflektivität der Oberfläche. Somit kann durch Messen der Größe des reflektierten optischen Strahls die Oberflächenreflektivität festgestellt oder bestimmt werden. Wenn die Oberflächenreflektivität gering ist, wird die Größe des erzeugten optischen Strahls erhöht; wenn die Oberflächenreflektivität hoch ist, wird die Größe des erzeugten optischen Strahls verringert. Durch Einstellen der Ausgangsleistung der optischen Quelle empfängt das System eine im wesentlichen konstante Amplitude reflektierter Strahlung. Dies verbessert das Signal zu Rauschverhältnis des Systems drastisch.

Figurenbeschreibung

In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm eines optischen Steuersystems;
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Detektors;
Fig. 3 typische Reflexions/Übertragungseigenschaften eines Strahlenteilers;
Fig. 4 ein Funktionsblockdiagramm einer Schaltung, die mit dem optischen Sensor assoziiert ist;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Schaltung, die mit dem optischen Sensor assoziiert ist, und
Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Schaltung, die mit einer automatischen Verstärkungssteuerung assoziiert ist.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm eines optischen Steuersystems 10 zum Bestimmen der Profilinformation der Oberfläche 12 eines Objekts oder Gegenstands 14. Eine optische Strahlenquelle 16, typischerweise ein Laser 17, erzeugt einen optischen Strahl 18 zum Anlegen auf die Oberfläche 12. Vorzugsweise ist der erzeugte optische Strahl 18 durch Modulationsmittel 19 moduliert. Mittel 20 empfangen einen reflektierten optischen Strahl 22 von der Oberfläche 12. Die Empfangsmittel 20 übertragen den reflektierten optischen Strahl 22 zu optischen Abtast- oder Abfühlmitteln 21. Die optischen Abtastmittel 21 liefern ein erstes und zweites elektrisches Signal ansprechend auf den reflektierten optischen Strahl 22. Verarbeitungsmittel 34 bestimmen das Profil der Oberfläche 12 ansprechend auf die entsprechenden Größen der aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Signale. Eine Feedback- oder Rückkopplungsschaltung umfaßt eine automatische Verstärkungssteuerung 33, Modulationsmittel 19, Laserdioden 23A, 23B und assoziierte Diodensteuerungen 25A, 25B steuern die Größe und Modulationsfrequenz des erzeugten optischen Strahls 18.
Der Laser 17 umfaßt zwei Laserdioden 23A, 23B. Die Laserdioden 23A, 23B werden gesteuert durch entsprechende Diodensteuerungen 25A, 25B. Die Diodensteuerungen 25A, 25B steuern gemeinsam die Ausgangsleistung der Laserdioden 23A, 23B, und zwar ansprechend auf die Größe eines Steuergleichstroms. Moduliermittel 19 geben ein Modulationssignal in die Diodensteuerungen 25A, 25B ein, so daß die Steuerungen den resultierenden optischen Strahl 18 modulieren. Dies wird in herkömmlicher Weise erreicht durch Modulieren des Steuergleichstroms. Zusätzlich stellt eine automatische Verstärkungssteuerung 33 die Amplitude des erzeugten optischen Strahls 18 ein, und zwar ansprechend auf die Amplitude des reflektierten optischen Strahls 22. Die automatische Verstärkungssteuerung 33 wird im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Die Laserdioden 23A, 23B geben optische Signale an einen Laserleistungssummierer 27 ab, der die Ausgangssignale kombiniert und den optischen Strahl 18 zu der Oberfläche 12 sendet oder schickt. Der Schweißbrenner oder die Schweißvorrichtung (nicht gezeigt) bewegt den Sensorkopf entlang der Schweißnut. Ein Übertragungsgalvanometer 29, der durch einen ersten Galvanometertreiber 31 getrieben wird, scannt den erzeugten optischen Strahl 18 mit einer ersten vorbestimmten Rate auf einem vorbestimmten Pfad auf der Oberfläche 12. Weitere Verfahren zum Scannen des optischen Strahls, wie zum Beispiel akustische Modulation, kann zu diesem Zweck verwendet werden.
Die Empfangsmittel 20 scannen über den vorbestimmten Pfad mit einer zweiten vorbestimmten Rate, die vorzugsweise größer ist als die erste vorbestimmte Rate. Ein Empfangsgalvanometer 35, der durch einen zweiten Galvanometertreiber 37 angetrieben wird, scannt über den vorbestimmten Pfad, jedoch können auch andere Verfahren verwendet werden. Ein optischer Filter 39 typischerweise ein Bandpaßfilter weist im wesentlichen Strahlung von der Oberfläche 12 zurück, die nicht die optische Wellenlänge des erzeugten optischen Strahls 18 besitzt.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Detektors 47 zur Verwendung in einem System zum Bestimmen der Profilinformation von der Oberfläche 12 eines Gegenstandes 14. Mittel 20 empfangen einen reflektierten optischen Strahl 22 von der Oberfläche 12. Mittel 24, vorzugsweise ein variabler Strahlenteiler 26 teilt den reflektierten optischen Strahl 22 in einen ersten Teil 28 und einen zweiten Teil 30 auf. Optische Detektiermittel 32 erzeugen ein erstes und zweites Signal ansprechend auf die Größe des ersten Strahlenteils 28 bzw. des zweiten Strahlenteils 30. Verarbeitungsmittel 34 bestimmen das Profil der Oberfläche 12 ansprechend auf die entsprechenden Größen aufeinanderfolgender erster und zweiter Signale.
Die Empfangsmittel 20 umfassen vorzugsweise einen Sensorkopf 36 mit einer Empfangslinse 38. Ein faseroptisches Bündel 40 überträgt den reflektierten optischen Strahl 22 zu den Teilermitteln 24. Das Ende des faseroptischen Bündels bildet eine Bildebene 42. Die Position des reflektierten Strahls 22 auf der Bildebene 42 hängt von der derzeitigen Höhe der Oberfläche 12 ab. Wenn sich die Höhe verändert, ändert sich der Reflexionswinkel und die Position des reflektierten Strahls 22 verändert sich demgemäß.
Die Teilermittel 24 teilen den reflektierten Strahl 22 in zwei Teile 28, 30 auf. Vorteilhafterweise fokussiert eine Linsenanordnung 44 den reflektierten Strahl 22 auf die Teilermittel 24, die hier vorzugsweise als ein variabler Strahlenteiler 26 gezeigt sind. Vorzugsweise fokussiert die Linsenanordnung 44 Licht auf eine Ebene P, die sich durch die Mitte des variablen Strahlenteilers 26 erstreckt. Die einfache Linsenanordnung 44, die gezeigt ist, stellt nicht automatisch ihre Brennweite ein, so daß dadurch, daß die Brennweite so ausgewählt ist, daß sie der Mitte des variablen Strahlenteilers 26 entspricht der reflektierte optische Strahl 22 in der Mitte exakt fokussiert ist, während sie an jedem Ende leicht außer Fokus ist. Alternativ könnte eine Linsenanordnung dem reflektierten optischen Strahl 22 direkt auf den variablen Strahlenteiler 26 fokussieren, um eine genauere Lage zu erreichen, was die Genauigkeit verbessern würde. Die Größen der ersten und zweiten Teiler 28, 30 hängen von der Stellung des reflektierten Strahls 22 auf dem variablen Strahlenteiler 26 ab. Ein variabler Strahlenteiler 26 absorbiert einen Teil des reflektierten optischen Strahls 22, läßt einen ersten Teil 28 hindurch und reflektiert einen zweiten Teil 30. Fig. 3 zeigt typische Reflexions/Übertragungs- r,t Eigenschaften eines variablen Strahlenteilers 26. Da die Absorption im wesentlichen entlang des variablen Strahlenteilers 26 konstant ist, spricht er nahezu linear an. Wenn der reflektierte optische Strahl 22 die Lage auf den variablen Strahlenteiler 26 von Z=O zu Z=Zmax verändert, verringert sich die Größe des hindurchgehenden ersten Teils 28, während sich die Größe des reflektierten zweiten Teils 30 erhöht.
Optische Detektiermittel 32 erzeugen ein erstes Signal und ein zweites Signal ansprechend auf die Größe des ersten Teils 28 bzw. des zweiten Teils 30. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, zeigen die Größen der ersten und zweiten Signale die Position des reflektierten optischen Strahls 22 auf dem variablen Strahlenteiler 26 an. Vorzugsweise werden ein erster optischer Detektor 46 und ein zweiter optischer Detektor 48 mit dem variablen Strahlenteiler 26 verwendet, um den ersten Teil 28 bzw. den zweiten Teil 30 zu empfangen. Typischerweise erzeugen die ersten und zweiten optischen Detektoren 46, 48 einen Strom, der proportional zu der Intensität der empfangenen Strahlung ist. Die Arten der optischen Detektoren, die verwendet werden können, variieren abhängig von der Art des Strahls, die von der optischen Strahlenquelle 16 abgegeben wird. Zum Beispiel sind Photodioden gute Detektoren für Strahlung im nahen Infrarotbereich, während Photomultiplizierer eine bessere Wahl wären für Strahlung mit kürzeren Wellenlängen. Vorzugsweise fokussiert eine erste Linse 49 den ersten Strahlenteiler 28 auf den ersten Detektor 46 und eine zweite Linse 51 fokussiert den zweiten Strahlenteil auf den zweiten Detektor 48. Dies ermöglicht, daß die optischen Detektoren 46, 48 im wesentlichen die gesamte Strahlung der entsprechenden Teile 28, 30 des reflektierten Strahls 22 empfangen. Da die Ausgangssignale der Detektoren summiert werden durch Verarbeitungsmittel 34 wird die Genauigkeit erhöht durch Sicherstellen, daß im wesentlichen die gesamte Strahlung von den entsprechenden Teilen 28, 30 durch die optischen Detektoren 46, 48 empfangen wird. Um weiterhin die Genauigkeit zu erhöhen, kann eine Hülle 50 um die Teilermittel 24 und die optischen Detektiermittel 32 angeordnet sein, um zu verhindern, daß unerwünschte oder falsche Strahlung den reflektierten optischen Strahl 22 verunreinigt.
Verarbeitungsmittel 34 bestimmen das Profil der Oberfläche 12 ansprechend auf die Größen aufeinanderfolgender erster und zweiter Signale. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Teils der Verarbeitungsmittel 34 ist als ein Funktionsblockdiagramm in Fig. 4 dargestellt. Die Verarbeitungsmittel 34 bestimmen die Position des reflektierten optischen Strahls 22 auf dem variablen Strahlenteiler 26 ansprechend auf die Größe der ersten und zweiten Signale auf den Linien A bzw. B. Durch aufeinanderfolgendes Ablesen der Position, während der Strahl über die Oberfläche 12 gescannt wird, wird ein Profil der Oberfläche 12 entwickelt.
Erste und zweite Verstärker 52, 54 und erste und zweite Filter 56, 58 erhöhen weiterhin die Genauigkeit der ersten bzw. zweiten Signale. Die ersten und zweiten Signale werden summiert, um die Gesamtintensität des reflektierten optischen Strahls 22 festzustellen. Die Differenz der ersten und zweiten Signale wird festgestellt und durch die Summe der ersten und zweiten Signale geteilt, um ein Strahlenpositionssignal abzuleiten. Das Strahlenpositionssignal enthält Information hinsichtlich der Position des reflektierten optischen Strahls 22 auf dem variablen Strahlenteiler 26. Wenn die Linsenanordnung 44 den reflektierten optischen Strahl 22 linear zu dem variablen Strahlenteiler 26 überträgt, dann ist ohne weitere Berechnung die Position des reflektierten optischen Strahls 22 auf der Bildebene 42 bekannt. Die Verarbeitungsmittel 34 bestimmen das Profil der Oberfläche 12 ansprechend auf aufeinanderfolgende Strahlenpositionssignale. Die Verarbeitungsmittel 34 umfassen normalerweise einen Computer oder Mikroprozessor 66 zum Bestimmen des Profils ansprechend aufaufeinanderfolgende Strahlenpositionssignale.
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm bevorzugter Schaltungen, die in den Verarbeitungsmitteln 34 verwendet werden. Nur eine kurze Beschreibung der Schaltung wird nun gegeben, da die Bauart der inividuellen Bauteile dem Fachmann bekannt ist. Es sei bemerkt, daß viele Variationen der Schaltung möglich sind, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die ersten und zweiten Signale werden auf den Linien oder Leitungen A bzw. B empfangen. Aufeinanderfolgende invertierende Operationsverstärker 68, 70, die mit der Linie A assoziiert sind und aufeinanderfolgende invertierende Operationsverstärker 72, 74, die mit der Linie B assoziiert sind, verstärken die ersten bzw. zweiten Signale. Ein Oszillator 76 sieht ein Demodulationsfrequenzsignal vor. Erste und zweite Multiplizierer 78, 80 empfangen die ersten und zweiten Signale und verwenden das Demodulationsfrequenzsignal zum Demodulieren der ersten und zweiten Signale. Erste und zweite Filter 82, 84 filtern die demodulierten ersten und zweiten Signale. Die Filter 82, 84, die hier gezeigt sind, sind Tiefpaßfilter mit mehreren Polen. Sie stoßen ungewollte Signalkomponenten mit der Modulationsfrequenz und deren Harmonischen ab, und sie mitteln die ersten und zweiten Signale, um weiterhin das Rauschen zu verringern. Die ersten und zweiten Signale werden dann zu einer Summierstufe 86 und zu einer Subtraktionsstufe 88 geleitet. Die Summierstufe 86 summiert die ersten und zweiten Signale und die Substraktionsstufe 88 subtrahiert das zweite Signal von dem ersten Signal. Ein Teiler 90 teilt die Differenz der ersten und zweiten Signale durch die Summe der ersten und zweiten Signale, um ein Strahlenpositionssignal zu erzeugen. Die folgende Gleichung beschreibt mathematisch die Position des reflektierten Strahls 22 auf dem variablen Strahlenteiler 26.
Zp = (F-S)/(F+S)
wobei: Zp die Position auf dem variablen Strahlenteiler 26 ist;
F die Größe des ersten Signals ist; und
S die Größe des zweiten Signals ist.
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Schaltung, die mit der automatischen Verstärkungssteuerung 33 assoziiert ist. Die automatische Verstärkungssteuerung 33 kann mit dem System 10 oder vielen anderen Arten optischer Systeme verwendet werden. Die optischen Detektiermittel 32 erzeugen ein Feedback- oder Rückkopplungssignal ansprechend auf die Größe des reflektierten optischen Strahls 22. Das Ziel der automatischen Verstärkungssteuerung liegt im Regulieren der Größe; d. h. der Leistung des reflektierten optischen Strahls 22. Wenn die Größe des reflektierten optischen Strahls konstant gehalten wird, wird die Genauigkeit und das Signal zu Rauschverhältnis des Systems 10 verbessert und es gibt weniger Signalausfälle.
In dem gezeigten System ist das Feedbacksignal die Summe der ersten und zweiten Signale, und wird auf der Linie oder Leitung O empfangen. Mittel 96, die hier als Subtraktionsverstärker 98 gezeigt sind, vergleichen das Feedbacksignal mit einem vorgewählten Setzpunktsignal zum Erzeugen eines Steuersignals. Das vorgewählte Setzpunktsignal kann erzeugt werden zum Beispiel durch die Verarbeitungsmittel 34 oder durch einen Potentiometer 100 und wird über einen Puffer 102 geliefert. Das vorgewählte Setzpunktsignal ist äquivalent zu der gewünschten Größe des reflektierten optischen Strahls 22. Die Feedback- und vorgewählte Setzpunktsignale werden verglichen, so daß, wenn sie äquivalent sind, der Steuersignalausgang der Vergleichsmittel gleich Null ist. Integriermittel 104 empfangen das Steuersignal. Wenn das Steuersignal positiv ist, geben die Integriermittel 104 ein Signal mit einer negativen Steigung aus. Dies zeigt einen Zustand an, in dem das Feedbacksignal größer ist als das vorgewählte Setzpunktsignal, somit sollte die Größe des erzeugten optischen Strahls reduziert werden. Wenn dementgegen das Steuersignal negativ ist, geben die Integriermittel ein Signal mit einer positiven Steigung aus. Dies zeigt einen Zustand an, bei dem das Feedbacksignal kleiner ist als das vorgewählte Setzpunktsignal, so daß die Größe des erzeugten optischen Strahls erhöht werden sollte. Der Multiplizierer 106 empfängt das Ausgangssignal der Integriermittel 104 und ein Modulationssignal, wie zum Beispiel eine Sinuskurve mit 5 kHz von einem Summieroperationsverstärker 108. In dieser bestimmten Schaltung liefert der Oszillator 76 eine Modulationsfrequenz an den Operationsverstärker 108. Das Ausgangssignal von den Integriermitteln wird moduliert durch den Multiplizierer 106 und an die Laserdiodensteuerung 25A, 25B geliefert. Wie zuvor beschrieben, verwenden die Laserdiodensteuerungen 25A, 25B das Ausgangssignal von der automatischen Verstärkungssteuerung 33 zum Einstellen der Leistung des erzeugten optischen Strahls 18, so daß die Leistung des empfangenen optischen Strahls 22 im wesentlichen konstant bleibt.

Industrielle Anwendbarkeit

Bei einer Schweißanwendung scannen typischerweise Mittel den erzeugten optischen Strahl mit einer ersten vorgewählten Rate entlang eines vorbestimmten Pfades über eine Schweißnut. Der vorbestimmte Pfad ist normalerweise eine Achse y, die entlang der Oberfläche 12 senkrecht zu der Nut 43 verläuft. Die Schweißmaschine bewegt sich entlang der Nut 43, und zwar langsam bezüglich der ersten vorgewählten Rate. Die Empfangsmittel 20 scannen über den vorbestimmten Pfad in einer zweiten vorbestimmten Rate, die normalerweise größer ist als die erste vorbestimmte Rate. Daher kommen alle Veränderungen des Reflexionswinkels von Änderungen in der Oberflächenhöhe z, d. h. dem Oberflächenprofil. Somit ist die Positionsinformation des Strahls in einer Achse alles was benötigt wird zum Bestimmen des Profils der Oberfläche. Es sei bemerkt, daß Systeme, die die Information von zwei Achsen benötigen, leicht implementiert werden können unter Verwendung des vorliegenden Systems und sie würden demgemäß in den Bereich oder den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Da der Winkel zwischen dem erzeugten optischen Strahl 18 und den Empfangsmitteln bekannt ist, werden Triangulationsprinzipien verwendet, um das Profil der Oberfläche zu bestimmen. Daher wird jede Abweichung im reflektierten optischen Strahl 22 gemessen zum Bestimmen oder Feststellen des Profils der Oberfläche 12. Das vorliegende System verwendet Teilermittel 24 und optische Detektiermittel 32 zum Messen der Position des reflektierten optischen Strahls 22, um das Oberflächenprofil festzustellen. Der reflektierte optische Strahl 22, der durch die Empfangsmittel 20 empfangen wird, ist vorzugsweise auf einem variablen Strahlenteiler 26 fokussiert. Der variable Strahlenteiler 26 teilt den reflektierten optischen Strahl in einen ersten Teil 28 und einen zweiten Teil 30 auf. Die Reflexions- und Übertragungseigenschaften eines variablen Strahlenteilers 26 hängen von der Position der Strahlung ab. Die Größen der ersten und zweiten Teile 28, 30 stehen in Korrelation zu der Lage, an die der reflektierte optische Strahl 22 auf den variablen Strahlenteiler 26 auftrifft. Erste und zweite Linsen 49, 51 fokussieren die ersten und zweiten Teile 28, 30 auf erste bzw. zweite optische Detektoren 46, 48. Die ersten und zweiten optischen Detektoren 46, 48 erzeugen entsprechende erste und zweite Signale mit Größen, die in Korrelation stehen mit den Größen der ersten und zweiten Strahlenteiler 28, 30. Die ersten und zweiten Signale werden verarbeitet, um eine Anzeige der Position des reflektierten optischen Strahls zu geben. Aufeinanderfolgende Strahlenpositionen bestimmen ein Oberflächenprofil. Verarbeitungsmittel 34 empfangen die ersten und zweiten Signale. Die gesamte Reflexionsgröße des reflektierten optischen Strahls wird bestimmt durch Addieren der ersten und zweiten Signale. Die Position des optischen Strahls auf dem variablen Strahlenteiler 26 wird bestimmt durch Substrahieren des zweiten Signals vom ersten Signal und durch Teilen der Differenz durch die Summe der ersten und zweiten Signale, um ein Strahlpositionssignal abzuleiten. Aufeinanderfolgende Strahlenpositionssignale für einen bestimmten Scann oder eine bestimmte Abtastung werden gespeichert, um ein Oberflächenprofil festzustellen. Periphere Steuerschaltungen verwenden die Information im Profil, um unterschiedliche Schweißparameter, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit und Position des Schweißers und die Füllsteuerung zu steuern.
Die Summe der ersten und zweiten Signale wird verwendet als ein Feedback- oder Rückkopplungssignal für die optische Strahlenquelle 16. Eine automatische Verstärkungssteuerung 32 empfängt das Feedbacksignal, das der Reflektivität der Oberfläche 12 entspricht. Idealerweise sollte die Größe des reflektierten optischen Strahls 22 konstant gehalten werden, um den dynamischen Bereich des optischen Systems 10 zu verbessern. Die automatische Verstärkungssteuerung 33 verändert die Größe des erzeugten optischen Strahls 18 ansprechend auf die Oberflächenreflektivität, um eine konstante Größe des reflektierten optischen Strahls 22 beizubehalten. Das Feedbacksignal wird mit einem vorgewählten Setzpunktsignal verglichen, um ein Steuersignal zu erzeugen. Das vorgewählte Setzpunktsignal entspricht der gewünschten Größe des reflektierten optischen Strahls 22. Eine Differenz zwischen den verglichenen Signalen zeigt eine Änderung der Reflektivität der Oberfläche 12 an, so daß die Größe des erzeugten optischen Strahls 18 verändert wird, um die Reflektivitätsveränderung zu kompensieren. Integriermittel 104 empfangen das Steuersignal und erzeugen ein erstes Signal mit einer positiven Steigung ansprechend darauf, daß das Feedbacksignal kleiner ist als das vorgewählte Setzpunktsignal oder eine negative Steigung ansprechend darauf, daß das Feedbacksignal größer ist als das vorgewählte Setzpunktsignal. Das Ausgangssignal der Integriermittel wird durch einen Multiplizierer 106 moduliert und in diesem Fall an die Diodensteuerungen 25A, 25B geliefert. Die Diodensteuerungen 25A, 25B verwenden dieses Feedback zum Steuern der Größe des erzeugten optischen Strahls 18.

Claims

1. Ein System (10) zum Bestimmen der Profil- oder Oberflächeninformation von der Oberfläche (12) eines Objekts oder Gegenstands (14), das folgendes aufweist:

- eine optische Strahlenquelle (16) zum Erzeugen eines optischen Strahls (18) zum Anlegen an die Oberfläche (12); gekennzeichnet durch:

- Mittel (20) zum Empfangen eines reflektierten optischen Strahls (22) von der Oberfläche (12) und Anlegen des reflektierten optischen Strahls (22) an eine Bildebene (42);

- einen variablen Strahlenteiler (26) der in der Lage ist den reflektierten optischen Strahl (22) von der Bildebene (42) zu empfangen und einen ersten Teil (28) des Strahls hindurchzuleiten und einen zweiten Teil (30) des Strahls zu reflektieren;

- optische Detektiermittel (32) zum Erzeugen eines ersten Signals und eines zweiten Signals ansprechend auf die Größe des ersten Teils (28) bzw. des zweiten Teils (30); und

- Verarbeitungsmittel (34) zum Bestimmen der Position des reflektierten optischen Strahls (22) auf den variablen Strahlenteiler (26) ansprechend auf die ersten und zweiten Signale.

2. System (10) nach Anspruch 1, wobei die Empfangsmittel (20) ein faseroptisches Bündel (40) umfassen.

3. System (10) nach Anspruch 1, wobei die Größe der ersten und zweiten Teile (28, 30) auf die Lage des reflektierten Strahls (22) auf dem variablen Strahlenteiler (26) ansprechen.

4. System (10) nach Anspruch 1, wobei die optischen Detektiermittel (32) einen ersten optischen Detektor (46) aufweisen zum Empfangen des ersten Strahlenteils (28) und einen zweiten optischen Detektor (48) aufweisen zum Empfangen des zweiten Strahlenteils (30).

5. System (10) nach Anspruch 4, wobei die optischen Detektiermittel (32) eine erste Linse (49) aufweisen, die in der Lage ist den ersten Strahlenteil (28) auf den ersten optischen Detektor (46) zu fokussieren und eine zweiten Linse (51) aufweisen die in der Lage ist den zweiten Strahlenteil (30) auf den zweiten optischen Detektor (48) zu fokussieren.

6. System (10) nach Anspruch 1, das weiterhin eine Linsenanordnung (44) zum fokussieren des reflektierten optischen Strahls (22) auf den variablen Strahlenteiler (26) aufweist.

7. System (10) nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsmittel (34) eine Differenz der ersten und zweiten Signale durch die Summe der ersten und zweiten Signale teilt zum Ableiten eines Strahlenpositionssignals.

8. System (10) nach Anspruch 7, wobei die Verarbeitungsmittel (34) Mittel aufweisen zum Bestimmen des Profils der Oberfläche (12) und zwar ansprechend auf aufeinanderfolgende Strahlenpositionssignale.

9. System (10) nach Anspruch 1, das weiterhin Mittel (29) aufweist zum Scannen oder Abtasten des erzeugten optischen Strahls (18) auf einem vordefinierten Pfad entlang der Oberfläche (12) und zwar mit einer ersten vorgewählten Rate.

10. System (10) nach Anspruch 9, wobei die Empfangsmittel (20) über den vordefinierten Pfad mit einer zweiten vorgewählten Rate Scannen.

11. System (10) nach Anspruch 10, wobei die zweite vorgewählte Rate größer ist als die erste vorgewählte Rate.

12. System (10) nach Anspruch 1, das weiterhin Mittel (33) aufweist zum automatischen Steuern der Verstärkung des erzeugten optischen Strahls (18) und zwar ansprechend auf die Größe des empfangenen reflektierten optischen Strahls (22).

13. System (10) nach Anspruch 12, wobei die automatischen Verstärkungssteuermittel (33) den ersten Teil (28) mit dem zweiten Teil (30) summieren und ein Rückkopplungs- oder Feedbacksignal mit einer Größe liefern, die mit der Summe in Korrelation steht.

14. System (10) nach Anspruch 13, wobei das Feedback- oder Rückkopplungssignal mit einem vorgewählten Setzpunktsignal verglichen wird um ein Steuersignal zu erzeugen.

15. System (10) nach Anspruch 14, das weiterhin Mittel (33) zum Verändern der Größe des erzeugten optischen Strahls (18) aufweist und zwar ansprechend auf das Steuersignal.

16. System (10) nach Anspruch 1, mit einer automatischen Verstärkungssteuerung (33), wobei die optischen Dektektiermittel (32) zum Erzeugen eines Feedback- oder Rückkopplungssignals angeordnet sind ansprechend auf die Größe des empfangenen reflektierten optischen Strahls (22); und

wobei Mittel (96) vorgesehen sind zum Vergleichen des Feedbacksignals mit einem vorgewählten Setzpunktsignal zum Erzeugen eines Steuersignals; und

wobei Mittel (33) zum Verändern der Größe des erzeugten optischen Strahls (18) vorgesehen sind ansprechend auf das Steuersignal.

17. System (10) nach Anspruch 16, wobei die Veränderungsmittel (33) Mittel (104) aufweisen zum Integrieren des Steuersignals zum Erzeugen eines Verstärkungssignals mit einer Steigung die mit der Größe des Steuersignals in Korrelation steht.

18. System (10) nach Anspruch 16, das weiterhin Mittel (106) zum Modulieren des Verstärkungssignals mit einer vorgewählten Frequenz aufweist.

19. System (10) nach Anspruch 16, das weiterhin Mittel (19) aufweist zum Modulieren des erzeugten optischen Strahls mit einer vorgewählten Frequenz.

20. System (10) nach Anspruch 19, wobei die Moduliermittel (19) einen Multiplizierer (106) aufweisen.

21. System (10) nach Anspruch 16, wobei die Veränderungsmittel (33) die Größe des erzeugten optischen Strahls (18) verringern, und zwar darauf ansprechend, daß das Feedbacksignal eine Größe besitzt, die größer ist als die Größe des vorgewählten Setzpunktsignals.

22. System (10) nach Anspruch 16, wobei die Veränderungsmittel (33) die Größe des erzeugten optischen Strahls (18) erhöhen und zwar darauf ansprechend daß das Feedbacksignal eine Größe besitzt die geringer ist als die Größe des vorgewählten Setzpunktsignals.