DE4014808A1

DE4014808A1 - Maschinensichtsystem

Info

Publication number: DE4014808A1
Application number: DE4014808A
Authority: DE
Inventors: Rajendra Prasad Rathi; David George Tashjian; Richard Hery Burkel; Randall Clay Gantner; John Joseph Bottoms; Steven Michael Wolff
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1990-05-09
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: GB2234089A; GB9010794D0; CA2012449A1; US4998005A; JPH0381604A; GB2234089B; IT9020294A0; FR2646795B1; FR2646795A1; IT1239984B; CA2012449C; DE4014808C2; IT9020294A1; JPH07119585B2

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet numerisch gesteuerter Maschinen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen oder Ver ändern von Maschinenprozeßparametern aus einem Bild eines Werk stückes.

Obwohl die numerische Steuerung die Geschwindigkeit, Betriebs sicherheit und Übereinstimmung stark verbessert hat, mit denen Werkstücke bearbeitet, geschnitten, geschweißt oder auf andere Weise bearbeitet werden können, ziehen viele Fertigungs- und Reparaturaufgaben zeitraubende Arbeiten nach sich. Beispielsweise sind Hochdruckturbinenschaufeln, wie sie in Flugzeug-Strahltrieb werken verwendet werden, empfindlich gegenüber Abnutzungen an der Schaufelspitze. Gegenwärtig ist die Spitzenreparatur von im Triebwerk im Einsatz gewesenen Teilen eine zeitraubende Arbeit, bei der ein Aufbauschweißen durch einen erfahrenen Schweißer ma nuell auf die Schaufelspitze der Turbinenschaufel angewendet wird. Eine Automatisierung dieses Prozesses ist schwierig gewe sen aufgrund der Ungleichförmigkeit der Turbinenspitzenabnutzun gen und der Änderungen in den Schaufelspitzenoberflächen von Schaufel zu Schaufel, die eine Einstellung von Schweißparametern vor jeder Schaufelreparatur erforderlich machen. Versuche, den Spitzenreparaturvorgang durch den Einsatz computergestützer Kon struktionstechniken (CAD) zu automatisieren, um eine Schweißbahn zu definieren, haben unverträgliche Schaufelspitzenreparaturen zur Folge gehabt aufgrund der Abweichungen in der Spitzenabnut zung und der unterschiedlichen Beanspruchungen von Schaufel zu Schaufel.

Viele automatisierte Bearbeitungssysteme verwenden Sondensysteme zum Ermitteln der Lage oder Abmessungen des Werkstückes, wobei die Sondenergebnisse anschließend dazu verwendet werden, Verset zungen bzw. Verschiebungen zu ermitteln, die bei den nominalen Werkstückabmessungen oder -koordinaten berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise können Koordinaten, die die Lage eines in ein Werkstück zu bohrenden Loches definieren, nach einem Prüf zyklus eingestellt werden, um die Lochlage in einem vorbestimm ten Abstand von einem Rand des Teiles zu halten. Berührungsfreie, sondenlose Inspektionssysteme, die hier als Sicht- bzw. Visions systeme bezeichnet werden, sind in ähnlicher Weise verwendet worden, um die Lage oder Abmessungen eines Werkstückes zu veri fizieren. Zusätzlich sind Sichtsysteme in der Vergangenheit bei relativ einfachen Gegenständen verwendet worden, um die Formen des Gegenstandes zu erkennen und zu prüfen. Einige automatisierte Bearbeitungssysteme verwenden die Ergebnisse dieses Erkennungs schrittes, um Maschinenprogramme zur Ausführung zu wählen oder vorbestimmte Prozeßparameter aus einem Speicher wiederzufinden.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Sicht- bzw. Visionssystem ge richtet, das sich von den vorstehend beschriebenen, bekannten Sondensystemen und Sichtsystemen dahingehend unterscheidet, daß das nachfolgend beschriebene System die Geometrie eines Werk stückes tatsächlich mißt und mathematisch beschreibt und Prozeß parameter aus einem Bild der Werkstückoberfläche generiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Ver fahren und eine Einrichtung zu schaffen zum Automatisieren eines Bearbeitungsprozesses, bei dem Prozeßparameter aus einem Bild einer Werkstückoberfläche automatisch ermittelt bzw. bestimmt wer den. Das Verfahren und die Einrichtung sollen zur Verwendung in einem automatisierten Bearbeitungsprozeß geeignet sein, der automatisch Prozeßparameter einstellt, um Abweichungen in den Werkstückgeometrien von Bauteil zu Bauteil zu kompensieren. Wei terhin soll dabei ein Aufbauschweißverfahren automatisiert wer den, das Schweißparameter automatisch einstellt, um Abweichungen in den Werkstückgeometrien von Bauteil zu Bauteil zu kompensieren, wodurch verbesserte Ausgangsqualität des Produktes und verbesser te Gleichförmigkeit erhalten werden. Weiterhin sollen durch das Verfahren und die Einrichtung mechanisch abgenutzte Spitzen von Triebwerksschaufeln wieder hergestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Sicht- bzw. Bildsystem zum Automati sieren des Bearbeitungsprozesses geschaffen. Das System bzw. die Einrichtung ermittelt automatisch Prozeßparameter aus einer Werk stückoberfläche, indem ein Bild der Werkstückoberfläche generiert, das Werkstückbild in elektrische Signale umgewandelt und die Pro zeßparameter elektronisch aus den elektrischen Signalen ermittelt werden.

Bei einer Anwendung auf ein Laser-Schweißverfahren lokalisiert die Sicht- bzw. Bildeinrichtung Werkstückränder, ermittelt die Mittellinie und Dicke des Bauteils und berechnet Prozeßparameter, wie beispielsweise die Schweißstelle, die Zufuhrgeschwindigkeit von Schweißpulver, die Laser-Intensität und die Geschwindigkeit, mit der die Schweißung aufgebracht wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer typischen Flug zeug-Triebwerksschaufel mit einer Spitze der kreischenden Art, die durch ein Aufbau-Schweißverfahren repariert wer den soll.

Fig. 2 ist eine Ansicht von oben auf die Schaufel gemäß Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Laser-Systems mit einem Sicht- bzw. Visionssystem gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist ein Fließbild und stellt die Durchführung der Erfindung dar.

Fig. 5 ist ein Kurvenbild und zeigt die Verteilung der Bildele mente bei verschiedenen Luminanzwerten.

Fig. 6 zeigt den der Begrenzung folgenden Algorithmus, der ver wendet worden ist, um die Grenzdaten zu sammeln, die dem äußeren Rand der kreischenden Spitzenwand zugeordnet sind.

Fig. 7 ist ein Bild von einem Teil der Schaufeln gemäß Fig. 2 nach einer Visionsverarbeitung gemäß der Erfindung.

Fig. 8 stellt ein Verfahren dar, das als Sub-Pixelation bekannt ist, zum genaueren Lokalisieren der Ränder der kreischen den Spitzenwand.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung von einer Rotorschau fel mit einer Spitze der kreischenden Art. Die Schaufel 10 ent hält eine Vorderkante 12, eine Hinterkante 14 und, an dem radial äußeren Ende der Schaufel 10, eine kreischende Schaufelspitze 16. Die kreischende Spitzenwand 18 enthält einen äußeren Rand 20 und einen inneren Rand 22. Durch die Spitzenwand 18 ist eine Kam mer 24 gebildet. Die Spitzenwand 18, der Außenrand 20, der Innen rand 22 und die Kammer 24 sind auch in der Draufsicht in Fig. 2 gezeigt.

Die Wiederherstellung von abgenutzten Spitzenflächen auf Rotor schaufeln, wie beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaufel 10, war bisher eine zeitraubende Arbeit, bei der ein Aufbauschweißen manuell durch einen erfahrenen Schweißer auf die kreischenden Spitzenwände der Turbinenschaufel ausgeführt wird, wobei diese Arbeit typisch eine Arbeit einer Mannstunde für einen erfahrenen Schweißer pro Turbinenschaufel erfordert. Eine Automatisierung dieses Schweißverfahrens ist schwierig gewesen wegen der Ungleich förmigkeit der Turbinenspitzenabnutzung und der Abweichungen in kreischenden Spitzenwandflächen von Schaufel zu Schaufel. Diese Abweichungen von Schaufel zu Schaufel erfordern Änderungen in den Schweißprozeßparametern vor jeder Schaufelreparatur.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines automatisierten Laser-Systems zum Durchführen einer Aufbauschweißung an kreischenden Spitzen wänden von Flugzeug-Triebwerkschaufeln. Die Laser-Schweißeinrich tung enthält ein Bild- bzw. Visonssystem gemäß der Erfindung. Die Spitzenoberfläche einer Schaufel 30, die durch das Laser-System bearbeitet werden soll, wird gereinigt und geschliffen. Eine Schaufel 30 wird dann in einer Halterung 32 befestigt. Ein Ma terialhandhabungscomputer 34 steuert ein Transport- und Schub stangensystem (nicht gezeigt), das die Montagehalterung 32 und die daran befestigte Schaufel einem Tisch 36 mit numerisch ge steuerten Achsen zuführt. Dieser Tisch 16 nimmt die Halterung 32 von dem Schubstangensystem auf und bewegt die Schaufel 30 in das Sicht- bzw. Betrachtungsbild einer Festkörper-CCD Kamera 38, wie beispielsweise einem Modell 240-T der Firma Pulnix Amerika, für eine Inspektion durch das Visionssystem.

Das Visionssystem enthält eine Kamera 38, einen Visionsprozessor 40, einen Video-Monitor 42 und eine Operator-Konsole 44. Der Ab tastmechanismus innerhalb der Kamera 38 generiert ein Videosig nal aus einem Bild der Schaufel und liefert dieses Signal an den Visionsprozessor 40. Der Visionsprozessor, der ein DX/VR Visions computer der Firma International Robomation/Intelligence sein kann, ermittelt Schweiß- und Laser-Parameter, wie beispielsweise die Schweißlage, Geschwindigkeit der Zufuhr von Schweißpulver, Laser-Leistungsintensität und die Geschwindigkeit, mit der die Schweißung durchgeführt wird. Der Visionsprozessor steht über ein Interface mit dem Materialhandhabungscomputer 34, einem numeri schen Steuerungsgerät 56 und einer Laser-Steuerung 48 in Verbin dung, um den Laser-Betrieb, die Strahlbündelzufuhr, die Schweiß pulverzufuhr und die Positionierung des Werkstückes unter dem La ser 50 zu steuern.

Der Monitor 32 gestattet eine Beobachtung des Schweißprozesses durch einen menschlichen Operator. Durch die Konsole 34 kann der Operator mit dem Visionsprozessor kommunizieren und die Program mierung des Visionssystems steuern oder ändern.

Das von der Einrichtung gemäß Fig. 3 verwendete Verfahren zum automatischen Ermitteln von Schweißparametern ist in dem Fließ bild gemäß Fig. 4 dargestellt. Bevor eine Bildinformation er halten und verarbeitet werden kann, muß die Schaufel in einer bekannten Position innerhalb des Sichtfeldes der Kamera 38 an geordnet sein. Das Visionssystem kommuniziert mit der Achsen- Steuerung 46, um die Schaufel 30 und die Scheibe bzw. Platte 32, an der die Schaufel befestigt worden ist, an der richtigen Stel le unter der Kamera 38 zu positionieren.

Die Kamera 38 wird dann fokussiert, so daß ein Bild der oberen Fläche der kreischenden Spitzenwand der Schaufel 30 auf der licht empfindlichen Array innerhalb der Kamera abgebildet und durch den Abtastmechanismus innerhalb der Kamera in ein Videosignal umge wandelt wird. Eine CCD-Kamera des Typs T-240 der Firma Pulnix Amerika enthält eine Matrix von 256 × 256 lichtempfindlichen Ele menten und löst somit das empfangene Bild in 65 536 Bildelemente oder Pixels auf. Das Videosignal wird dem Videoprozessor 40 zu geführt, der das Videosignal in digitale Pixeldaten umwandelt, wobei ein Luminanzwert zwischen null für schwarz und 255 für weiß jedem Bildelement der Matrix zugeordnet wird.

Um zwischen der Teileoberfläche (Oberseite der kreischenden Spit zenwand) und dem Hintergrund zu unterscheiden, wird die digitale Pixelinformation als nächstes in binäre Form oder in Werte von entweder null (schwarz) oder 255 (weiß) umgewandelt. Dieser Pro zeß wird besser verständlich aus dem in Fig. 5 gezeigten Kur venbild.

Die Luminanzwerte im Bereich von 0 bis 255 werden entlang der X-Achse der Kurve aufgetragen. Vertikal ist entlang der Y-Achse die Gesamtzahl an Pixeln aufgetragen, die während einer Halbbild bzw. Rahmen-Abtastung gefunden werden, um den angezeigten Lumi nanzwert zu haben. Beispielsweise gibt der Punkt 80 an, daß etwa 450 Pixel einen Luminanzwert von 45 haben. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält die Kurve zwei Spitzen an Punkten 80 und 82 und ein Tal mit einem Tiefstwert am Punkt 84. Es wird relativ wenig Licht von der Hintergrundfläche reflektiert, die die kreischen de Spitzenwand umgibt, und demzufolge hat die Mehrzahl an Pixeln einen kleinen Luminanzwert, wobei eine maximale Anzahl von Pixeln einen Luminanzwert von 45 (Punkt 80) hat. Die obere Fläche der Spitzenwand, die gereinigt und geschliffen und in der Brennebene der Kamera angeordnet worden ist, reflektiert eine größere Licht menge als die Hintergrundfläche. Diese Pixel bilden denjenigen Abschnitt der Kurve mit den Luminanzwerten um 195 herum und mit dem Spitzenwert am Punkt 82.

Das Visionssystem ist programmiert, um das Tal zu suchen, das zwischen den Spitzenwerten 80 und 82 angeordnet ist. Der Luminanz wert, der dem Tiefpunkt des Tals zugeordnet ist, dem Punkt 84 mit einem Luminanzwert von 150, wird dazu verwendet, die digi talen Pixelwerte zu binärisieren. Alle Pixel mit Luminanzwerten kleiner als 150 werden einem Wert null (schwarz) zugeordnet, und alle Pixel mit einem Luminanzwert größer als 150 werden einem Wert 255 (weiß) zugeordnet. Alle Pixelkoordinaten und zugeord neten binären Werte werden in einem Speicher innerhalb des Vi sionsprozessors gespeichert.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Kurve gemäß Fig. 5 nur ein Beispiel ist. Die Form der Kurve, die Verteilung der Pixel ent lang der Luminanz-Skala und der Luminanz-Schwellenwert von 150 sind lediglich zu Beschreibungszwecken angegeben. Tatsächliche Pixelzählwerte und auch die Lagen der Spitzenwerte und des Tales werden sich von Fig. 5 unterscheiden.

Das Visionssystem sammelt als nächstes die Pixeldaten, die die äußere Umgrenzung der oberen Oberfläche der Spitzenwand definie ren. Der der Grenzlinie folgende Algorithmus, um die Grenzdaten zu sammeln, wird einfacher in Verbindung mit Fig. 6 erläutert. Die Form, die mit der Bezugszahl 90 bezeich net ist, stellt das Bild der Spitze einer Turbinenschaufel dar. Jedes "+" und jedes "W" gibt die Lage eines Bildelements oder Pixels an. Diejenigen Pixel, die mit einem "W" bezeichnet sind, sind der Schaufelspitzenoberfläche zugeordnet und haben Binär werte von 255 oder weiß. Die Pixel, die durch ein "+" bezeich net sind, sind dem Hintergrund des Gegenstandes zugeordnet und haben Binärwerte von null oder schwarz. Die X- und Y-Koordinaten von jedem Pixel können durch Bezugnahme auf die Koordinatenwerte ermittelt werden, die entlang der unteren bzw. linken Seite der Figur gezeigt sind. Beispielsweise hat Pixel 92 eine X-Koordina te von 2 und eine Y-Koordinate von 1. Die Form der Schaufel spitze 90 und die Lage der in Fig. 6 gezeigten Pixel sind stark vergrößert, um die Erläuterung der Funktion des der Grenzlinie folgenden Algorithmus zu unterstützen.

Der der Grenzlinie folgende Algorithmus tastet die Pixeldaten, die in dem Speicher in dem Visionsprozessor gespeichert sind, ab, wobei er die Daten von links nach rechts in Fig. 6 abtastet, wie es durch Pfeile 92 gezeigt ist, bis ein Pixel mit einem Luminanz wert von 255 lokalisiert wird. Als Beispiel ist das Pixel 94 mit den Koordinaten X=2 und Y=5 als der erste Grenzpunkt gezeigt, der durch den der Grenzlinie folgenden Algorithmus lokalisiert wird. Die Koordinaten dieses ersten Pixels werden gespeichert. Der Algorithmus untersucht dann die Pixel neben diesem ersten Pixel, um einen zweiten Grenzpunkt zu lokalisieren, wobei in Gegenuhrzeigerrichtung um das erste Pixel gesucht wird. Diese Such-Routine ist in der oberen rechten Ecke von Fig. 6 gezeigt. Nachdem ein Pixel "a" als ein Grenzpunkt identifiziert worden ist, untersucht die Such-Routine die benachbarten Pixel in der Reihenfolge b→c→d→e→f→g→h→i, um den nächsten Grenzpunkt zu iden tifizieren. Die Koordinaten des neu aufgefundenen Grenzpunktes werden anschließend gespeichert, und eine Suche in Gegenuhrzei gerrichtung um diesen Punkt wird durchgeführt. Die Suche wird fortgesetzt, bis der erste Punkt wiedergefunden wird, wodurch eine Schleife geschlossen wird.

Um anschließende Berechnungen zu vereinfachen und die Bearbei tungszeit zu verkürzen, werden die Grenzdaten erneut abgetastet (resampelt), um die Anzahl von Grenzpunkten, die mehrere 100 be tragen können, auf eine kleinere, besser handhabbare Zahl zu verkleinern. Dieses Resampling wählt Punkte aus, die in gleichen Abständen entlang der Grenzlinie angeordnet sind. In dem hier be schriebenen System beträgt die vorgeschlagene Anzahl neu abgeta steter Punkte 64.

Aus den 64 erneut abgetasteten bzw. resampelten Punkten können Gleichungen, die die Grenzlinie definieren, unter Verwendung von Fourier-Analyse-Techniken ermittelt werden. Es ist zwar möglich, Algorithmen zu entwickeln, die mit jeder Anzahl von Punkten ar beiten, aber eine maximale Effizienz der Berechnung wird erhalten, wenn die Anzahl von Grenzpunkten auf eine ganzzahlige Potenz von zwei begrenzt wird, also beispielsweise auf 32, 64 oder 128. Die se Effizienz resultiert aus dem Binärsystem, auf dem die Computer architektur aufgebaut ist.

Die Teilegrenze bildet eine geschlossene Kurve, die als eine Funk tion des Abstandes "t" von einem Anfangspunkt auf der Grenzlinie ausgedrückt werden kann, wobei man der Kurve entgegen Uhrzeiger richtung folgt. Da die Grenzlinie eine geschlossene Schleife bil det, ist die Funktion periodisch und kann in Fourier-Reihen ausge dehnt werden:

wobei

verschiedene Terme in den obigen Gleichungen sind wie folgt de finiert.

C _n=komplexer Fourier-Koeffizient
j=
T=gesamte Strecke um die geschlossene Kurve
n=Anzahl der Koeffizienten.

Der zu der Kurve passende Algorithmus, der in dem Visionssystem verwendet ist, benutzt Fourier-Analyse-Techniken, um eine komplexe Zahl zu generieren, die wie folgt in Vektorform ausgedrückt wer den kann:

f(t)=x(t)+jy(t). (Gleichung 3)

Diese Gleichung wird anschließend verwendet, um Gleichungen für mehrere Linien senkrecht zu der Grenzlinie zu berechnen.

Eine Linie senkrecht zu Gleichung 3 an einem Punkt t=t ₁ kann aus der Gleichung y-y ₁ = (-1/m) (x-X ₁) ermittelt werden, wobei m die x-y-Steigung von f(t) am Punkt t=t ₁ ist. Die Steigung m kann er mittelt werden, indem die Partialableistung von y(t) ∂y/∂t, am Punkt t=t ₁ durch die Partialableitung von x(t), ∂x/∂t, am Punkt t=t ₁ dividiert wird. Eine Linie normal zur Gleichung 3 wird an jedem der 64 Resampelpunkte generiert.

Es wird nun auf Fig. 7 eingegangen, die ein Bild von einem Teil der Schaufel gemäß Fig. 2 nach einer Visionsverarbeitung gemäß der Erfindung ist für eine Erläuterung, wie die Schweißbahn und die Teiledicke ermittelt werden. Die binärisierten Luminanzwerte für die Pixel, die entlang jeder Normalen angeordnet sind, werden untersucht, um den Außenrand 102 und den Innenrand 104 der Spit zenwand zu lokalisieren, wobei ein Randpunkt immer dort identifi ziert wird, wo benachbarte Pixel entlang einer normalen Linie sig nifikant unterschiedliche Luminanzwerte haben. Beispielsweise ent hält die Normallinie 100 einen äußeren Randpunkt 106 und einen inneren Randpunkt 107. Es werden die zwei folgenden Gleichungen verwendet, um einen Schweißpunkt entlang einer der 64 Normallinien zu ermit teln.

x=x₁+p (x₂-x₁)+b _x (Gleichung 4)

y=y₁+p (y₂-y₁)+b _y (Gleichung 5)

In den obigen Gleichungen sind x ₁ und y ₁ die Koordinaten des äuße ren Randpunktes entlang einer Normallinie; x ₂ und y ₂ sind die Koordinaten des inneren Randpunktes entlang der gleichen Normal linie; und p und b sind Variable, die durch den Benutzer gesetzt sind. Der Wert der Variablen p kann in dem Bereich von 0 bis 1 liegen und stellt das Verhältnis des Abstandes zwischen dem Schweißpunkt und dem äußeren Randpunkt zu dem Gesamtabstand zwi schen den äußeren und inneren Randpunkten dar. Beispielsweise gibt ein Wert von 0,5 für p an, daß der Schweißpunkt an dem Mittel punkt des Liniensegmentes zwischen den Punkten (x ₁, y ₁) und (x ₂, y ₂) liegen soll. Die Variable b ist eine Strecke, die dazu ver wendet ist, die Lage des Schweißpunktes direkt vorzuspannen. b _x und b _y sind die x- bzw. y-Komponenten der Variablen b.

Die Koordinaten der 64 Schweißpunkte werden durch Verwendung der obigen Gleichungen ermittelt. Diese 64 Punkte definieren die Schweißbahn. In dem speziellen Fall, wo p mit 0,5 und b mit 0 ge wählt ist, ist die Schweißbahn die Mittellinie oder die mittlere Linie der Spitzenwand. Die Schweißbahn kann näher an dem äußeren (oder inneren) Rand der Spitzenwand positioniert werden, indem die Parameter p und b verändert werden. Die Teiledicke entlang irgendeiner normalen Linie kann auf einfache Weise ermittelt wer den, indem der Abstand zwischen den zwei Randpunkten berechnet wird, die entlang der Normalen identifiziert sind.

Die Lage der inneren und äußeren Randpunkte entlang jeder Normal linie kann präzise ermittelt werden durch einen Prozeß, der Sub- Pixelation genannt wird. Unter Verwendung dieses Prozesses kann die präzise Lage eines Randpunktes dadurch ermittelt werden, daß der Luminanzwert von jedem Pixel entlang einer Normallinie, in der Nähe des Teilrandes, über der Pixelposition entlang der Nor mallinie aufgetragen wird. Fig. 8 ist eine Darstellung dieser Relation zwischen dem Luminanzwert und der Pixellage.

In Fig. 8 ist g(x) die Funktion, die die Beziehung zwischen dem Luminanzwert und der Pixelposition definiert, wobei die Variable x die Pixelposition darstellt. Der minimale Luminanzwert, der dem Hintergrund des Objektes zugeordnet ist, ist mit "H" bezeichnet. Der maximale Luminanzwert, der der oberen Oberfläche der Schaufel zugeordnet ist, ist mit "H+K" bezeichnet. Der Abschnitt von g(x) zwischen x=x ₁ und x=x ₂, wobei g(x) von H bis H+K im Wert anwächst, entspricht der Teilegrenze. Die präzise Lage des Teile randes, in Fig. 8 mit "L" bezeichnet, kann dadurch ermittelt wer den, daß die Momente nullten Grades (M ₀), ersten Grades (M ₁) und zweiten Grades (M ₂) der Funktion g(x) berechnet werden.

Die präzise Randlage des Objektes wird anschließend berechnet, indem die vorstehenden Momentgleichungen für L gelöst werden.

L=(3 M₂-M₀)/2 M₁ (Gleichung 9)

Der Visionsprozessor verwendet auch die Schweißbahndaten, Dicken daten, Grenzdaten und andere Koordinatendaten, um zusätzliche Schweiß- und Laser-Parameter zu ermitteln, wie beispielsweise die Geschwindigkeit der Zufuhr von Schweißpulver, der Laserintensität und der Geschwindigkeit, mit der die Schweißung durchgeführt wird.

Nachdem alle Prozeßparameter berechnet worden sind, wird die Koordinanten- und Prozeßparameterinformation an die numerische Steuerung und an die Laser-Steuerung geliefert, das Werkstück wird unter dem Schweiß-Laser positioniert und die Aufbau schweißung wird auf die Spitzenwand ausgeübt.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird für den Fachmann deutlich, daß die Erfindung nicht auf das spezielle Ausführungsbeispiel, wie es beschrieben und dargestellt ist, beschränkt ist, und daß zahlreiche Modifikationen und Abänderungen im Rahmen der gegebenen Lehre möglich sind. Beispielsweise stehen viele an die Kurve an gepaßte Algorithmen zur Verfügung oder können entwickelt werden, um eine Gleichung aus einer Vielzahl bekannter Punkte auf einer Kurve zu generieren. Auch kann das erforderliche Werkstückbild in dem sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich liegen oder kann durch Ultraschall- oder Röntgeninspektion ermittelt werden.

Es können auch Kameras mit höherer Auflösung und entsprechende Visionsprozessoren verwendet werden, um genauere Werkstückinfor mationen zu erhalten. Eine bessere Genauigkeit und höhere Auf lösung können auch dadurch erhalten werden, daß das Werkstück in Sektionen verarbeitet wird, wobei eine Gesamtinspektion des Werkstückes dadurch erhalten wird, daß der Prozeß an mehreren verschiedenen Stellen des Werkstückes unter der Kamera wieder holt wird. Die somit erhaltenen Daten können anschließend ver knüpft werden, um eine vollständige Inspektion des Gesamtwerk stückes zu erhalten.

Da das vorstehend beschriebene Visionssystem von dem auszuführen den Bearbeitungsprozeß unabhängig ist, ist es nicht auf die Auto matisation eines Laser-Schweißvorganges beschränkt und kann adaptiert werden, um mit anderen Bearbeitungsprozessen zusammen zuarbeiten, wie beispielsweise schleifen, schneiden, entgraten, stanzen, bohren, pressen, inspizieren und messen.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln von Prozeßparametern von einer Werkstückoberfläche in einer automatisierten maschinellen Bearbeitungseinrichtung, gekennzeichnet durch:
Generieren eines Bildes der Oberfläche,
Umwandeln des Bildes in elektrische Signale,
elektronisches Ermitteln der Werkstückgeometrie aus den elektrischen Signalen und
elektronisches Ermitteln der Prozeßparameter aus der Werk stückgeometrie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Generieren eines Bildes das Fokussieren elektromagne tischer Energie enthält, die von der Oberfläche durch einen Sensor empfangen wird, und das Umwandeln des Bildes in elektrische Signale enthält,
daß das Bild in mehrere Bildelemente zerlegt wird und die Bildelemente abgetastet werden, um eine Reihe elek trischer Impulse zu generieren, wobei die Amplitude von jedem Impuls proportional zur Intensität der elektromag netischen Energie ist, die einem entsprechenden Bildele ment zugeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Energie Licht aufweist, das von der Werkstückoberfläche reflektiert wird,
der Sensor die lichtempfindliche Array innerhalb einer Fernsehkamera aufweist und
die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale durch die Kamera ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Werkstückgeometrie enthält, daß die Koordinaten der Bildelemente, die einem speziellen Merk mal der Oberfläche zugeordnet sind, identifiziert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Merkmal ein Werkstückrand ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektronische Ermitteln der Werkstückgeometrie enthält,
daß eine mathematische Gleichung aus den Bildelementko ordinaten generiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel aufweist.

8. Verfahren zum Ermitteln von Schweißparametern von einer Werkstückoberfläche in einer automatisierten Schweiß einrichtung, gekennzeichnet durch:
Generieren eines Bildes der Oberfläche,
Umwandeln des Bildes in elektrische Signale,
elektronisches Ermitteln der Werkstückgeometrie aus den elektrischen Signalen und
elektronisches Ermitteln der Schweißparameter aus der Werkstückgeometrie.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Ermitteln der Schweißparameter ent hält, daß die Menge an Schweißmaterial, die auf die Werk stückoberfläche aufzubringen ist, elektronisch ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Ermitteln der Schweißparameter ent hält, daß die Wärmemenge, die während des Schweißprozesses aufgebracht wird, elektronisch ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektronische Ermitteln der Schweißparameter enthält,
daß die Stellen auf der Werkstückoberfläche, wo während des Schweißprozesses Wärme aufgebracht werden soll, elektronisch ermittelt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Generieren eines Bildes enthält, daß elektromagnetische Energie, die von der Oberfläche in einem Sensor empfangen wird, fokussiert wird und die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale enthält,
daß das Bild in mehrere Bildelemente geteilt wird und die Bildelemente abgetastet werden, um eine Reihe elek trischer Impulse zu generieren, wobei die Amplitude von jedem Impuls proportional zur Intensität elektromagne tischer Energie ist, die einem entsprechenden Bildelement zugeordnet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie Licht aufweist, das von der Werkstückoberfläche reflektiert wird, der Sensor die lichtempfindliche Array innerhalb einer Fernsehkamera aufweist und die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale durch die Kamera ausgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ermitteln der Werkstückgeometrie enthält, daß die Koordinaten der Bildelemente, die einem speziellen Merk mal der Oberfläche zugeordnet sind, identifiziert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Merkmal ein Werkstückrand ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Ermitteln der Werkstückgeometrie ent hält, daß eine mathematische Gleichung aus den Bildelement koordinaten generiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche die Schaufelspitze einer Turbinenschaufel aufweist.

18. Verfahren zum Ermitteln von Prozeßparametern in einer automatisierten Einrichtung zur Ausführung einer Aufbau schweißung bei den kreischenden Spitzenwänden einer Tur binenschaufel, wobei die kreischenden Spitzenwände innere und äußere Ränder aufweisen, gekennzeichnet durch:
Generieren eines Bildes der Schaufelspitzenoberfläche der Turbinenschaufel,
Umwandeln des Bildes in elektrische Signale,
elektronisches Ermitteln der Geometrie der Schaufelspitze aus den elektrischen Signalen und
elektronisches Ermitteln der Prozeßparameter aus der Schaufel spitzengeometrie.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Energie Licht aufweist, das von der Werkstückoberfläche reflektiert wird,
der Sensor die lichtempfindliche Array innerhalb einer Fernsehkamera aufweist, und
die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale durch die Kamera ausgeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß, die Ermittlung der Schaufelspitzengeometrie enthält, daß die Breite der Spitzenwände gemessen wird, und die Ermittlung der Prozeßparameter enthält, daß die Menge des Schweißmaterials, das auf die obere Oberfläche der Spitzenwände aufgebracht werden soll, elektronisch er mittelt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ermittlung der Prozeßparameter ferner enthält,
daß die Wärmemenge, die während des Schweißprozesses auf gebracht werden soll, elektronisch ermittelt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Prozeßparameter enthält, daß die Bahn, entlang Wärme während des Schweißprozesses aufge bracht werden soll, elektronisch ermittelt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn die Mittellinie der Wand aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Generierung eines Bildes enthält, daß elektromagne tische Energie, die von der Oberfläche auf einem Sensor empfangen wird, fokussiert wird, und die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale enthält,
daß das Bild in mehrere Bildelemente geteilt wird und die Bildelemente abgetastet werden, um eine Reihe von elektrischen Impulsen zu generieren, deren Amplitude je weils proportional zur Intensität elektromagnetischer Energie ist, die einem entsprechenden Bildelement zuge ordnet ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet daß
die elektromagnetische Energie Licht aufweist, das von der Werkstückoberfläche reflektiert wird, der Sensor die licht empfindliche Array innerhalb einer Fernsehkamera aufweist und
die Umwandlung des Bildes in elektrische Signale durch die Kamera ausgeführt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Schaufelspitzengeometrie enthält:
Identifizieren der Koordinaten eines Satzes von Bild elementen, die dem äußeren Rand der Spitzenwand zuge ordnet sind,
Generieren einer ersten mathematischen Gleichung aus den Koordinaten, wobei die Gleichung die durch den äußeren Rand gebildete Kurve definiert,
elektronisches Ermitteln der Steigung der Kurven an ge wählten Koordinaten,
Generieren eines Satzes mathematischer Gleichungen, wobei jede der letztgenannten Gleichungen eine Linie senkrecht zu der durch den äußeren Rand gebildeten Kurven definiert und die Kurve an einer der gewählten Koordinaten schneidet, und
Messen der Breite der Spitzenwände durch Messen der Länge von jeder der Linien zwischen dem äußeren Rand und dem inneren Rand.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Prozeßparameter enthält:
elektronisches Ermitteln der Menge an Schweißmaterial, das auf die obere Oberfläche der Spitzenwände aufgebracht werden soll,
elektronisches Ermitteln der Wärmemenge, die während des Schweißprozesses aufgebracht werden soll,
elektronisches Ermitteln des Mittelpunktes von jeder der Normallinien und
elektronisches Ermitteln der Bahn entlang der Wärme des Schweißprozesses aufgebracht wird, wobei die Bahn die Mittelpunkte von jeder der Normallinien schneidet.