DE3886316T2

DE3886316T2 - Angefügter optischer Schweibsteuerkopf.

Info

Publication number: DE3886316T2
Application number: DE88308367T
Authority: DE
Inventors: L Marc Dufour
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: JP2637501B2; JPH01104475A; CA1280807C; DE3886316D1; US4859829A; EP0307236A1; EP0307236B1

Description

Roboter-Beobachtungssysteme werden bei der Anwendung der adaptiven Steuerung von automatischen Schweißsystemen sehr wichtig. Ein ernsthaftes Problem, das solche Systeme überwinden müssen, sind die harten Schweißumgebungsbedingungen. Optische Einrichtungen, angewandt bei der adaptiven Steuerung des Schweißprozesses, unterliegen einem hohen Risiko, daß sie beschädigt werden oder unbrauchbar gemacht werden wegen Spritzer von Partikeln aus geschmolzenem Metall, die von dem Schweißlichtbogen ausgeworfen werden, Rauch von dem Schweißprozeß, dar einen rußigen Rückstand auf optischen Linsen hinterlassen kann, und Hitze von dem Lichtbogen, die optische Einrichtungen beschädigen kann.
Verfahren zum Schutz optischer Einrichtungen unter Umgebungsbedingungen hoher Temperatur und herumfliegender Partikel sind erwähnt in US-Patent Nr. 3,321,265 vom 23. Mai 1967 von Serge und Marcel Clavé und US-Patent Nr. 3,310,356 vom 21. März 1967 von Willy Borberg. Diese Patente sind Beispiele spezifischer Umhüllungen, verwendet zum Schutz optischer Einrichtungen. Ein anderes Beispiel findet sich in US-Patent Nr. 4,450,339 vom 22. Mai 1984 von Nelson R. Corby, Jr. Diese Patente sehen nicht die Projektion eines Lichtes vor, was erforderlich ist für ein aktives visuelles Beobachtungssystem. US-Patent Nr. 4,497,996 vom 5. Februar 1985 von Charles J. Libby, Jr. sieht die Projektion von Licht vor, ist jedoch so aufgebaut, daß eine häufige Reinigung erforderlich wäre.
Technische Rundschau, Band 77, Nr. 34, August 1985, Bern, Seiten 45-51, 53 und 55, von P. Drew et al, "Sensoren für das Lichtbogen-schweißen mit Handhabungssystemen" beschreibt einen Sensor für ein adaptives Schweißsteuersystem, wobei der visuelle Beobachtungskopf vor dem Schweißkopf positioniert ist zu seinem Schutz gegen Beschädigung oder Konterminierung durch Staub und Spritzer.
EP-A1-0 179 505 beschreibt eine Einrichtung für den Schutz optischer Mittel gegen konterminierende Gase, wobei eine laminare Gasströmung über die Außenoberfläche eines Fensters geführt wird, um zu verhindern, daß aggressive Gase und Oxide die äußere Oberfläche des Fensters erreichen.
Technisches Messen T.M., Band 51, Nr. 7/8, Juli/August 1984, München, Seiten 270-275, P. Drew et al, "Optisch-elektronischer Nahtführungssensor zur Schweißnahtverfolgung" beschreibt einen optischen Sensor für die Schweißnahtverfolgung in einem automatischen Lichtbogen- Schweißsystem.
Welding and Metal Fabrication, Band 51, Nr. 6, Juli/August 1983, Haywards Heath, Sussex G.B., Seite 260, "The Robot's other half" beschreibt einen optischen Sensor für ein adaptives Schweißsystem, der geschützt ist gegen Rauch und Spritzer mittels eines gefilterten Luftstromes und zweier austauschbarer, abschirmender Gläser.
Welding Journal, Band 65, Nr. 11, November 1986, Miami, FL, USA, Seiten 33-41, J. E. Agapakis et al, "Joint tracking and adaptive robotic welding using vision sensing of the weld joint geometry" beschreibt ein adaptives Schweißsteuersystem. Ein visueller Sensor ein schließlich einer Fernsehkamera befindet sich in einem robusten Gehäuse, wo eine staubfreie, temperaturkonstante und Überdruckumgebung aufrechterhalten wird.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zu schaffen, die es einer optischen Einrichtung in Form einer Lichtquelle und eines Lichtmonitors ermöglicht, an dem Schweißkopf befestigt zu werden, und zwar derart, daß nur seltene Reinigung erforderlich ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zum Schutz der optischen Einrichtung gegen herumfliegende Partikel, Rauch und Hitze des Schweißprozesses.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Beobachtungskopf geschaffen zum Liefern der elektrischen Signale, die erforderlich sind für die visuelle Kontrolle eines adaptiven Schweißsteuersystems mit einem Schweißkopf, der ein Schweißbad auf einem zu schweißenden Werkstück erzeugt, umfassend:
eine metallische Hülle zur Befestigung an dem Schweißkopf mit einer Seite, die dem Werkstück zugekehrt ist, welche Seite von dem Schweißkopf so weggeneigt ist, daß sie einen Winkel mit einer Ebene bildet, die tangential zum Werkstück ist und durch das Schweißbad verläuft,
Projektionsmittel, die in der Hülle montiert sind zum Projizieren eines strukturierten Lichtmusters auf das Werkstück, Überwachungsmittel, die in der Hülle montiert sind, für die Überwachung gestreuten Lichtes von dem strukturierten Lichtmuster auf dem Werkstück und Umsetzen des gestreuten Lichtes in elektrische Signale, die für die visuelle Steuerung erforderlich sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der Hülle eine Antispritzer-Ölbeschichtung aufweist, eine erste Öffnung, durch die das strukturierte Lichtmuster auf das Werkstück projiziert wird, sowie eine zweite Öffnung, durch welche das gestreute Licht überwacht wird, wobei die erste Öffnung ein Schlitz von bis zu 30 mm Länge und von 0,5 bis 2 mm Breite ist und die zweite Öffnung ein Loch von 0,5 bis 2 mm Durchmesser ist, und die erste und die zweite Öffnung orientiert sind zum Richten einer Luftströmung durch sie, weg von dem Schweißort, wobei der Beobachtungskopf ferner umfaßt
Mittel zum Unterdrucksetzen zwecks Aufrechterhaltung eines Luftüberdrucks in der Hülle und
Kühlmittel zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Hülle.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sorgt für einen Beobachtungskopf zum Liefern der Signale, die für die visuelle Kontrolle eines adaptiven Schweißsteuersystems erforderlich sind. Dieser Beobachtungskopf umfaßt eine metallische Hülle für die Anbringung an einen Schweißkopf. Der Schweißkopf erzeugt ein Schweißbad aus geschmolzenem Metall auf dem Werkstück. Die Hülle hat eine dem Werkstück zugekehrte Seite, die von dem Schweißkopf weggeneigt ist, um so einen Winkel mit einer bezüglich des Werkstücks tangentialen und durch das Schweißbad verlaufenden Ebene einschließt, welche Seite eine erste und eine zweite Öffnung aufweist. Der Bereich von Winkeln, der sich als bevorzugte Resultate liefernd ergeben hat, betrug zwischen 5º bis 45º. In der metallischen Hülle ist ein Projektionsmittel montiert für das Projizieren eines strukturierten Lichtmusters auf das Werkstück durch die erste Öffnung. Ferner ist in der Hülle ein Überwachungsmittel montiert für die Überwachung, durch die zweite Öffnung, des strukturierten Lichtes, nachdem es durch das Werkstück gestreut worden ist, und zum Umsetzen der Bilder des gestreuten Lichtes in elektrische Signale, die erforderlich sind für die visuelle Steuerung eines adaptiven Schweißsteuersystems. Der Beobachtungskopf umfaßt auch ein Mittel zum Unterdrucksetzen zwecks Aufrechterhaltung eines Luftüberdrucks in der Hülle und ein Kühlmittel für das Aufrechterhalten der Temperatur der Hülle.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Außenoberfläche der der Hülle zugekehrten Oberfläche abgedeckt mit einer Ölbeschichtung, um zu verhindern, daß Partikel aus geschmolzenem Metall, die von dem Schweißbrenner ausgeworfen werden, an der Oberfläche anhaften.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Querschnitt des Beobachtungskopfes.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm des adaptiven Schweißsteuersystems.
Figur 3 zeigt den Vorteil der besonderen Geometrie des Beobachtungskopfes.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Figur 1 zeigt einen Querschnitt des Beobachtungskopfes. Die Seite 1 der Hülle 4, die dem Werkstück 17 zugekehrt ist, ist von dem Schweißkopf 15 weggeneigt, um so einen Winkel von 14º mit der Ebene 18 zu bilden, die tangential zum Werkstück 17 verläuft und durch das Schweißbad 16. In dieser Seite 1 befindet sich eine erste Öffnung 10 und eine zweite Öffnung 11. Diese Öffnungen 10 und 11 sind senkrecht zu dieser Seite 1 orientiert. Die Außenoberfläche der genannten Seite 1 ist mit einer Ölbeschichtung 19 abgedeckt, die dieselbe ist wie die Antispritzbeschichtung, die üblicherweise verwendet wird für den Schutz von Schweißköpfen.
Ein Projektionsmittel 20 ist in der Hülle 4 so montiert, daß ein Lichtmuster 22 von gut definierter Geometrie, in diesem Fall eine Linie, auf das Werkstück projiziert werden kann. Das Projektionsmittel 20 umfaßt eine Lichtquelle 7, die durch eine Zylinderlinse 8 und eine Schutzplatte 9 zum Schutz der Linse gegen Fremdpartikel sowie schließlich durch die erste Öffnung 10, die 0,5 mm mal 15 mm groß ist auf das Werkstück 17 projiziert. Die Lichtquelle 7 kann ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus einem Faserbündel und einer Laserdiode. Der Bereich der Abmessungen für die erste Öffnung 10 beträgt bis zu 30 mm Länge und von 0,5 mm bis 2,0 mm Breite.
Ebenfalls ist in der Hülle ein Überwachungsmittel 21 montiert für die Überwachung des gestreuten Lichtes 23 des strukturierten Lichtmusters 22, nachdem es auf das Werkstück 17 aufgetroffen ist. Beim Verlassen des Werkstücks 17 gelangt das gestreute Licht 23 durch die zweite Öffnung 11, die einen Durchmesser von 1,5 mm aufweist, und gelangt durch eine Schutzplatte 12, die jegliche Partikel, abgeworfen von dem Schweiß brenner 15, daran hindert, die Linse 2 zu treffen. Der Bereich von Abmessungen für die zweite Öffnung 11 beträgt von 0,5 mm bis 2,0 mm Durchmesser. Das gestreute Licht 23 gelangt dann durch eine Präzisionslinse 2 und dann durch ein Interferenzfilter 3, das verhindert, daß anderes Licht als das Streulicht der projizierten Lichtquelle zum Detektor 5 gelangt, bei dem es sich um eine zweidimensionale Matrix von ladungsgekoppelten Komponenten handelt, die in der Hülle montiert sind zum Umsetzen der Bilder des gestreuten Lichts 23 in elektrische Signale. Eine gedruckte Schaltung 6 überträgt die elektrischen Signale zu dem adaptiven Schweißsteuersystem.
Die Anordnung der zweiten Öffnung 11 der Linse 2 und des Filters 3 sind so gewählt, daß sie eine telezentrische Konfiguration bilden. Diese Konfiguration stellt die vollständige Kollimation des Lichtes sicher, bevor es das Filter 3 erreicht. Dies verhindert die Vignettenbildung und ermöglicht die Verwendung eines 2,5 Nanometerfilters im Gegensatz zu dem üblichen 10 Nanometerfilter. Wie in Figur 3 erkennbar, sollte die Minimaldistanz 30 zwischen der zweiten Öffnung 11 und der Linse 2 klein genug sein, um ein hinreichend weites Beobachtungsfeld zu liefern, und groß genug, um die Dispersion von fliegenden Metallpartikeln zu ermöglichen, die ihren Weg durch die zweite Öffnung gefunden haben sollten. Diese Distanz wurde zwischen 10 und 40 mm gefunden, wobei 20 mm die bevorzugten Ergebnisse liefert. Dies stellt sicher, daß der wahrscheinlichste Auftreffpunkt 40 irgendwelcher kleinen Metallpartikel auf jenem Teil der Linse 2 liegt, der am wenigsten benutzt wird.
Ein Anschluß 13 für Luft schafft ein Mittel zur Druckerzeugung durch Ermöglichen von Luftströmung in die Hülle 4 mit einer Rate von etwa 3 Litern pro Minute, was zu einem kleinen Luftüberdruck innerhalb der Hülle 4 führt, welcher verhindert, daß Rauch in die Hülle 4 durch die Öffnungen 10 und 11 eindringt. Wie in Figur 3 erkennbar, ist die Richtung 50 der Luftströmung, herrührend von dem geringen inneren Luftüberdruck, von dem Schweißbogen weggerichtet und seine umgebende Inertgasabschirmung 60 rings um das Schweißbad. Der Luftdruck wird verwendet, um die optische Einrichtung gegen Rauch zu schützen und nicht zum Abstoppen von Spritzern.
Ein Kühlanschluß 14 bildet ein Kühlmittel. Die Strömung von Kühlmittel, üblicherweise Wasser, verhindert den Wärmestau in der Hülle.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm des adaptiven Steuersystems. Die Lichtquelle 45, montiert in der Hülle 65, projiziert ein strukturiertes Lichtmuster 95 auf das Werkstück 75. Das Streulicht 85 wird erfaßt durch das Überwachungsmittel 55, das ein typisches Bild erzeugt, wie in Block A der Figur 2 zu sehen. Im Zentrum des Blocks A befindet sich das charakteristische Winkelstoßprofil 25. Das Bild wird verzerrt durch einen Fleck 35 zur Linken, hervorgerufen durch das Licht von dem Schweißlichtbogen und durch die Spur 15 von zwei Partikeln aus geschmolzenem Metall, die das Sichtfeld durchkreuzt haben.
Das Bild wird zum Videoprozessor für die Analyse übertragen.
Block B zeigt das digitalisierte Profil, erzeugt in Realzeit, durch den Videoprozessor aus dem Videosignal, geliefert von dem Überwachungsmittel 55. Der Prozessor überträgt seine Resultate zu dem Mikrocomputer, der die Berechnungen ausführt, welche erforderlich sind, um die Schweißparameter zu liefern: Position und Orientierung der Stoßstelle, Distanz zwischen den Kanten usw.
Block C zeigt ein Kreuz, das das berechnete Zentrum der Schweißverbindung andeutet.

Claims

1. Ein Beobachtungskopf zum Liefern der elektrischen Signale, die für die visuelle Steuerung eines adaptiven Schweißsteuersystems mit einem Schweißkopf (15), der ein Schweißbad (16) auf einem zu schweißenden Werkstück (17) erzeugt, erforderlich sind, umfassend:

eine metallische Hülle (4) zur Befestigung an dem Schweißkopf mit einer Seite (1), die dem Werkstück zugekehrt ist, welche Seite von dem Schweißkopf (15) so weggeneigt ist, daß sie einen Winkel mit einer Ebene (18) bildet, die tangential zum Werkstück ist und durch das Schweißbad verläuft,

Projektionsmittel (20), die in der Hülle (4) montiert sind zum Projizieren eines strukturierten Lichtmusters auf das Werkstück,

Überwachungsmittel (21), die in der Hülle (4) montiert sind, für die Überwachung gestreuten Lichtes von dem strukturierten Lichtmuster auf dem Werkstück und Umsetzen des gestreuten Lichtes in elektrische Signale, die für die visuelle Steuerung erforderlich sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Seite (1) der Hülle (4) eine Antispritzer-Ölbeschichtung (19) aufweist, eine erste Öffnung (10), durch die das strukturierte Lichtmuster auf das Werkstück (17) projiziert wird, sowie eine zweite Öffnung (11), durch welche das gestreute Licht überwacht wird, wobei die erste Öffnung (10) ein Schlitz von bis zu 30 mm Länge und von 0,5 bis 2 mm Breite ist und die zweite Öffnung ein Loch von 0,5 bis 2 mm Durchmesser ist, und die erste und die zweite Öffnung orientiert sind zum Richten einer Luftströmung durch sie, weg von dem Schweißort, wobei der Beobachtungskopf ferner umfaßt

Mittel (13) zum Unterdrucksetzen zwecks Aufrechterhaltung eines Luftüberdrucks in der Hülle (4) und Kühlmittel (14) zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Hülle.

2. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Öffnung (10,11) senkrecht zu der genannten Seite (1) orientiert sind.

3. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 2, bei dem das Projektionsmittel (20) umfaßt:

eine Lichtquelle (7), die innerhalb der Hülle (4) montiert ist, eine Linse (8), die in der Hülle derart montiert ist, daß das Licht von der Lichtquelle (7) auf das Werkstück (17) als das strukturierte Lichtmuster durch die erste Öffnung (10) fokussiert wird, und eine Schutzplatte (9), die in der Hülle zwischen der Linse (8) und der ersten Öffnung (10) montiert ist zum Schutz der Linse gegen Fremdpartikel.

4. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 2, bei dem das Überwachungsmittel (21) umfaßt:

Schaltkreismittel (6) für die Übertragung elektrischer Signale zu dem adaptiven Schweißsteuersystem, Umsetzmittel (5), die in der Hülle (4) montiert sind, für die Umsetzung des gestreuten Lichtes des strukturierten Lichtmusters in elektrische Signale,

eine Linse (2), die in der Hülle montiert ist zum fokussieren des gestreuten Lichts auf das Umsetzmittel (5),

ein Interferenzfilter (3), das in der Hülle zwischen dem Umsetzmittel (5) und der Linse (2) montiert ist, um zu verhindern, daß alles Licht außer dem gestreuten Licht von dem strukturierten Lichtmuster auf das Umsetzmittel auftrifft, eine Schutzplatte (12), die in der Hülle zwischen der Linse (2) und der zweiten Öffnung (11) montiert ist zum Schutz der Linse gegen Fremdpartikel.

5. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 3, bei dem die Lichtquelle (7) ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem optischen Faserbündel und einer Laserdiode.

6. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 4, bei dem das Umsetzmittel (5) eine zweidimensionale Matrix von ladungsgekoppelten Komponenten ist.

7. Ein Beobachtungskopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Öffnung (10) ein Schlitz von 15 mm Länge und 0,5 mm Breite ist.

8. Ein Beobachtungskopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Öffnung (11) ein Loch ist mit 1,5 mm Durchmesser.

9. Ein Beobachtungskopf nach Anspruch 2, bei dem die dem Werkstück (17) zugekehrte Seite (1) einen Winkel von 5º bis 45º mit einer Ebene (18) bildet, die tangential zu dem Werkstück (17) ist und durch das Schweißbad (16) verläuft.