DE4026759A1 - Mit schweissstossverfolgung arbeitendes laserschweisssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Laserschweißsysteme und be­ trifft insbesondere ein Lasersystem zum Ausführen einer kontinuierlichen Nahtschweißung längs eines langgestreckten Schweißstoßes zwischen nebeneinander angeordneten Elemen­ ten.

Es gibt zahlreiche Fälle, in denen langgestreckte Elemente, die längs eines gemeinsamen Schweißstoßes oder einer ge­ meinsamen Nahtstelle nebeneinander angeordnet sind, verbun­ den werden müssen. Bei den meisten metallischen Elementen besteht die naheliegende Lösung darin, sie mit einer Naht­ schweißung zu verbinden. Es gibt selbstverständlich zahl­ reiche Arten von Schweißmöglichkeiten, die benutzt werden können, um Nahtschweißungen auf der Basis einer Fertigungs­ linie herzustellen, wie z. B. WIG-, MIG-, Elektronenstrahl-, Laserschweißen usw. Von diesen bietet das Laserschweißen den Vorteil, daß die Schweißenergie mit extrem hohen Inten­ sitäten auf sehr kleine Flächen mit großer Präzision kon­ zentriert werden kann. Infolgedessen können im Vergleich zu WIG- oder MIG-Schweißungen Laserschweißungen mit wesentlich weniger Wärmezufuhr zu den Elementen ausgeführt werden. Restzugspannungen werden ebenso wie nachteilige metallurgi­ sche Änderungen in den Elementen in den Wärmeeinflußzonen der Elemente neben der Schweißung dramatisch verringert.

Welche Schweißtechnik auch angewandt wird, das Nahtschwei­ ßen eines langgestreckten Schweißstoßes auf der Basis einer automatisierten Fertigungslinie erfordert einen Nachlauf­ oder Verfolgungssensor zum Lokalisieren und Verfolgen des Schweißstoßes und anschließenden Positionssteuern der Zu­ fuhr von Schweißenergie während einer Relativbewegung zwi­ schen dem Schweißstoß und dem Schweißgerät. Im Falle des Laserschweißens muß der Verfolgungssensor den Ort des Schweißstoßes mit hoher Präzision ständig auflösen, da der Laserstrahl, der auf den Schweißstoß auftrifft, auf einen kleinen Durchmesser von nur 254 µm (10 mils) oder weniger fokussiert werden kann. Verfolgungssensoren können mit Be­ rührung arbeitende Sensoren oder berührungslose Sensoren sein. Diejenigen, bei denen ein Kontaktstift benutzt wird, sind in der Lage, einen Schweißstoß mit einem akzeptablen Grad an Auflösung zu verfolgen, um das Beaufschlagen des­ selben mit einem Laserschweißstrahl zu steuern. Der Stift verschleißt jedoch mit der Zeit, und infolgedessen leidet die Zuverlässigkeit. Berührungslose Sensoren, bei denen elektrische, optische, pneumatische oder akustische Puls­ techniken angewandt werden, sind potentielle Kanditaten.

Eine besonders attraktive Lösung mit einem berührungslosen Verfolgungssensor ist in der auf die Anmelderin zurückge­ henden US-PS 46 45 917 offenbart. Gemäß der Beschreibung in dieser US-Patentschrift wird ein Laserstrahl, der über ein Kohärenz-Lichtleitfaserbündel übertragen wird, unter einem geeigneten Winkel von z. B. 30° gegen die Normale auf einen fokussierten Fleck im wesentlichen an der Oberfläche, deren Profil ermittelt werden soll, fokussiert. Der Laserfleck wird über der Oberfläche in einer X- und Y-Rasterabtastung abgelenkt. Das diffuse, reflektierte Licht aus dem abgeta­ steten Laserfleck, welches längs einer Sichtlinie beobach­ tet wird, die zu der Oberfläche normal ist, wird über ein zweites Kohärenz-Lichtleitfaserbündel zu einer Erfassungs­ vorrichtung geleitet, z. B. einem Spiegel, der synchron mit der Bewegung des Laserflecks in einer der Ablenkrichtungen, z. B. der Y-Richtung, oszilliert. Das ergibt eine schmale Abtastöffnung, durch die hindurch das diffuse, reflektierte Licht zu einem geeigneten optischen Sensor, z. B. einer Se­ kundärelektronenvervielfacherröhre, gelangt. Durch Festhal­ ten, in welchem Punkt in dem Intervall jeder Ablenkung in der X-Richtung der Laserfleck durch den optischen Sensor beobachtet wird, kann die Elevation der beobachteten Ober­ fläche als eine Funktion dessen, wo der Laserfleck bei der Ablenkung in der Y-Richtung ist, durch optische Triangula­ tion bestimmt werden. Daraus kann ein präzises Profil der Oberfläche in dem Sichtfeld, das durch die Abtastöffnung festgelegt ist, welche in einer Sichtebene normal zu der Oberfläche liegt, gewonnen werden. Das heißt, das Ausgangs­ signal des optischen Sensors kann verarbeitet werden, um im wesentlichen eine Schnittansicht zu liefern, welche das Oberflächenprofil zeigt. Ein Fall, der das Herstellen einer Vielzahl von präzisen langgestreckten Nahtschweißungen ver­ langt und bei dem die Erfindung besonders brauchbar ist, ist die Fertigung von Steuerstäben für Kernreaktoren. Eine weitere deutsche Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 2 50 631, vom 29. September 1988 in Anspruch genommen worden ist, hat eine Vorrichtung zum Fertigen von Steuerstäben kreuzförmi­ gen Querschnittes zum Gegenstand. Jeder Steuerstab besteht aus einer Vielzahl von langgestreckten Rohren, die jeweils eine grundsätzlich quadratische äußere Form und eine zen­ trale Bohrung zum Aufnehmen von Neutronen absorbierendem oder sogenanntem "Gift"-Stoff wie Borcarbid haben. Die ein­ zelnen Rohre mit dem darin eingeschlossenen Gift werden in einer Vorrichtung zusammengespannt, wobei bis zu vierzehn Rohre in jedem der vier Flügel der Kreuzform enthalten sein können. Die Ecken der Rohre sind abgeschrägt, so daß, wenn sie entlang ihrer Längen, die 4,3 m (14 Fuß) oder mehr oder weniger betragen können, nebeneinander angeordnet sind, eine Vielzahl von parallelen, V-förmigen Fugen oder Nähten zwischen benachbarten Rohren vorhanden ist. Die eingespann­ ten Rohre werden durch eine Schweißstation gefördert, in welcher ein Kreuzformflügel zwischen zwei Laserschweißvor­ richtungen hindurchgeht, die so gesteuert werden, daß sie eine kontinuierliche Nahtschweißung in einer V-förmigen Fuge auf jeder Seite des Flügels ausführen. Nach mehreren Durchläufen durch die Schweißstation sind alle Rohre durch geschweißte Nahtverbindungen vereinigt. Die Kreuzformflügel werden mit zentralen Spannstücken verschweißt, eine Hand­ habe wird mit einem Ende der Kreuzform verschweißt, und ein Geschwindigkeitsbegrenzer wird mit dem anderen Ende ver­ schweißt, um einen konstruktiv steifen Steuerstab zu erzeu­ gen, der in der Lage ist, alle vorhersehbaren statischen und dynamischen Belastungen auszuhalten.

Die einzelnen Rohre weisen zwar eine große Länge auf, haben jedoch einen relativ kleinen Querschnitt und messen z. B. nur 6,6 mm (0,260 Zoll) auf jeder Seite. Daher ist die V- förmige Fuge zwischen benachbarten Rohren extrem klein und hat eine Öffnungsbreite von 762 µm (30 mils) oder weniger. Zum Auflösen eines Schweißstoßes von so winzigen Querabmes­ sungen und zum getreuen Verfolgen desselben, während dieser sich mit Geschwindigkeiten von mehr als 152,4 cm (60 Zoll) pro Minute bewegt, ist eine schwierige Aufgabe. Darüber hinaus muß der Verfolgungssensor den Laserschweißstrahl so steuern, daß er sowohl seitlich mit der Fuge ausgerichtet als auch im wesentlichen am Grund derselben fokussiert ist, und das alles, während die eingespannten Rohre mit einer hohen Relativgeschwindigkeit durch die Schweißstation ge­ fördert werden.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Laserschweißsy­ stem zum Verbinden von metallischen Elementen längs eines langgestreckten Schweißstoßes zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein Laserschweißsystem der oben genannten Art geschaffen werden, bei dem der Laser­ schweißstrahl so gesteuert wird, daß er einen langgestreck­ ten Schweißstoß automatisch verfolgt, während er sich mit einer relativ hohen Geschwindigkeit bewegt.

Ferner soll durch die Erfindung ein mit Schweißstoßverfol­ gung arbeitendes Laserschweißsystem der obigen Art geschaf­ fen werden, das in der Lage ist, einen langgestreckten Schweißstoß, der relativ kleine Querabmessungen hat, prä­ zise zu schweißen.

Schließlich soll durch die Erfindung ein mit Schweißstoß­ verfolgung arbeitendes Präzisionslaserschweißsystem der obigen Art geschaffen werden, das im Betrieb vielseitig ist, für Umgebungseinflüsse unempfindlich ist und bequem realisiert werden kann.

Gemäß der Erfindung ist ein Erfassungskopf einer Laserpro­ filerfassungsvorrichtung an einem Laserstrahlfokussierkopf in einer Position zum wiederholten Laserabtasten des Pro­ fils einer langgestreckten, bewegten Schweißfuge in einer Aufeinanderfolge von Quersichtebenen in engem Abstand vor deren Beaufschlagung durch einen Laserschweißstrahl befe­ stigt. Das Ausgangssignal des Profilerfassungskopfes wird verarbeitet, um Daten zu erzeugen, welche das Schweißstoß­ profil angeben, das in jeder Quersichtebene enthalten ist. Schweißstoßprofildaten werden in einem Computer gemäß einem Schweißstoßentnahmealgorithmus gemäß einem Verfolgungsplan, der für den zu schweißenden Schweißstoß besonders geeignet ist, verarbeitet. Der Computer bestimmt dann in dem Sicht­ feld der Profilerfassungsvorrichtung des Schweißstoßes den Ort der Schweißstoßlängsmittellinie für jede Quersichte­ bene. Ortsdaten, welche die Position der Schweißstoßmittel­ linie, ausgedrückt in einem Profilerfassungsvorrichtungsko­ ordinatensystem, angeben, werden in ein entsprechendes, aber versetztes Schweißverfolgungskoordinatensystem trans­ formiert, das aus einer Z-Fokussierachse und einer Y-Quernahtachse, die in einer Querebene quer zu dem Schweiß­ stoß liegt, besteht. Die transformierten Ortsdaten werden dann benutzt, um die Laserschweißstrahlposition und den Brennpunkt des Laserschweißstrahls synchron mit der Ankunft der aufeinanderfolgenden Sichtebenen zu steuern, aus denen die Ortsdaten in der Verfolgungsebene gewonnen wurden. Der Laserschweißstrahl folgt somit getreu dem Schweißstoß und wird ständig mit maximaler Intensität auf ein Ziel in dem Schweißstoß, wo es zum Schmelzen kommen soll, fokussiert.

Die Erfindung beinhaltet demgemäß Konstruktionsmerkmale, Kombinationselemente und Anordnungsteile, die alle im fol­ genden im einzelnen beschrieben sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen tragen, näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mit Schweißstoß­ verfolgung arbeitenden Laserschweißsystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Vertikalschnittansicht des Schweiß­ strahlpositionierkopfes, der in dem System nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Laserprofilerfas­ sungsvorrichtungskopfes, der in dem System nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Datenverarbeitungs­ hardware, die in der Systemsteuereinheit nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht von zwei metalli­ schen Elementen, welche den Schweißstoß bil­ den, der verfolgt und verschweißt werden soll, und

Fig. 6A-6C repräsentative Bildschirmanzeigen der Pro­ fildaten, die durch die Laserprofilerfas­ sungsvorrichtung nach Fig. 1 erzeugt werden.

Das mit Schweißstoßverfolgung arbeitende Präzisionslaser­ schweißsystem nach der Erfindung, das in Fig. 1 insgesamt dargestellt ist, weist einen Industrielaser 10 auf, z. B. den CO₂-Laser Coherent General S51, der einen Laserschweiß­ strahl 12 erzeugt, welcher durch einen Strahlpositionier­ kopf, der insgesamt mit 14 bezeichnet ist, auf einen fokus­ sierten Fleck gerichtet wird, um eine kontinuierliche Naht­ schweißung eines langgestreckten Schweißstoßes 16 zu erzeu­ gen, der an ihm in der Richtung vorbei gefördert wird, die durch einen Pfeil 18 angegeben ist. An dem Positionierkopf 14 ist der Erfassungskopf 20 einer Laserprofilerfassungs­ vorrichtung befestigt, die vorzugsweise von dem in der oben erwähnten US-PS 46 45 917 beschriebenen Typ ist, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Der Profi­ lerfassungsvorrichtungskopf ist mit einer Optikeinheit 22 über separate, Kohärenz-Eingangs- und -Ausgangslichtleitfa­ serbündel verbunden, die insgesamt mit 24 bezeichnet sind. Die Optikeinheit enthält, wie in der US-PS 46 45 917 be­ schrieben, einen Laser und X- und Y-Laserstrahlabtaster, die so arbeiten, daß der Laserstrahl nach Art einer Ra­ sterabtastung abgelenkt wird. Der abgelenkte Laserstrahl wird durch das Eingangslichtleitfaserbündel zu dem Profi­ lerfassungskopf 20 geleitet, um unter einem Winkel in dem Bereich von 30°-40° gegen die Vertikale auf die Oberfläche des Schweißstoßes 16 projiziert zu werden. Von einem Sicht­ punkt aus normal zu der Schweißstoßoberfläche wird diffuses reflektiertes Licht durch den Erfassungskopf erfaßt und über das Ausgangslichtleitfaserbündel zu der Optikeinheit 22 geleitet, in welcher es in der Y-Ablenkrichtung abge­ lenkt und durch eine Öffnung zu einer Sekundärelektronen­ vervielfacherröhre geleitet wird. Infolgedessen sieht die Sekundärelektronenvervielfacherröhre den Laserfleck nur während jeder X-Ablenkung, wenn er einen sehr schmalen Sichtstreifen durchquert, der in Richtung quer zur Naht ausgerichtet ist. Der Betrieb der Komponenten der Optikein­ heit wird durch eine Steuereinheit 26 über ein Kabel 28 ge­ steuert. Die Ausgangssignale des Sekundärelektronenverviel­ fachers werden durch einen Mikroprozessor verarbeitet, wel­ cher das Intervall ab der Startzeit jeder X-Ablenkung bis zu der Zeit, zu der die Sekundärelektronenvervielfacher­ röhre den Laserfleck sieht, festhält und daraus leicht Da­ ten gewinnen kann, die sowohl die Orte als auch die relati­ ven Elevationen einer Vielzahl von nahe beieinanderliegen­ den Punkten auf der Schweißstoßoberfläche definieren, wel­ che mit einer Quersichtebene ausgerichtet sind. Aus diesen Oberflächenpunktdaten erzeugt der Mikroprozessor Profilda­ ten für jede Ebene einer Aufeinanderfolge von engen gegen­ seitigen Abstand aufweisenden Sichtebenen oder Querschnit­ ten des Schweißstoßes 16, welche über dessen Länge verteilt sind. Diese Profildaten werden der Systemsteuereinheit 26 über das Kabel 28 zugeführt. Durch das Stationieren des Profilerfassungskopfes 20 auf der stromaufwärtigen Seite des Laserschweißstrahls 12 stehen die Profilerfassungsvor­ richtungsortsdaten zum Steuern des Positionierkopfes 14 über ein Kabel 30 zur Verfügung, um den Laserschweißstrahl in einer Querverfolgungsebene zu richten und zu fokussie­ ren, bevor es zum Schnitt der aufeinanderfolgenden Quer­ sichtebenen mit der Strahlverfolgungsebene kommt. Der La­ serschweißstrahl wird so gesteuert, daß er den Schweißstoß 16 verfolgt, wenn er sich in Richtung des Pfeils 18 an ihm vorbeibewegt.

Der Strahlpositionierkopf 14, der ausführlicher in Fig. 2 gezeigt ist, weist eine Halteplatte 34 auf, die durch eine geeignete Positioniervorrichtung (nicht dargestellt) gehal­ tert ist. Diese Positioniervorrichtung wird während des Einrichtens vor dem Schweißen benutzt, um den Laserschweiß­ strahl nominell mit dem besonderen Schweißstoß, der ge­ schweißt werden soll, auszurichten und um sicherzustellen, daß der Schweißstoß innerhalb des Sichtfeldes des Laserpro­ filerfassungskopfes 20 ist, und zwar sowohl hinsichtlich der Nahtquergrenzen als auch hinsichtlich der Grenzen der Feldtiefe.

Von der Halteplatte 34 erstreckt sich eine Tragsäule 36 nach unten, die ein zentrisch angeordnetes Laserstrahlüber­ tragungsrohr 38 trägt. Die Säule 36 trägt außerdem zwei ge­ genseitigen Querabstand aufweisende Sätze von gegenseitigen vertikalen Abstand aufweisenden Bahnen 40 zum Aufnehmen ei­ nes entsprechenden Paares von vertikal langgestreckten Schiebern 42. Eine obere horizontale Befestigungsplatte 44 ist an den unteren Enden dieser Schieber befestigt. Weiter ist durch die Tragsäule 36 ein Motor 46 gehaltert, der eine Ausgangswelle hat, die eine Kugelspindel 48 antreibt, wel­ che mit einer beweglichen Mutter 50 in Eingriff ist, die an der Befestigungsplatte 44 befestigt ist.

Eine untere horizontale Befestigungsplatte 52 trägt zwei Schieber 54, die in Bahnen 56 erfaßt sind, welche sich von der oberen Befestigungsplatte 44 aus nach unten erstrecken. Die untere Befestigungsplatte trägt ebenfalls eine bewegli­ che Mutter 58, die mit einer Gewindespindel 60 in Eingriff ist, welche an der oberen Befestigungsplatte 44 mittels La­ gern 62 gehaltert ist. Ein zweiter Motor 64, der durch die obere Befestigungsplatte gehaltert ist, dreht die Gewinde­ spindel 60 über einen Riementrieb 66, um eine Horizontalbe­ wegung der unteren Befestigungsplatte relativ zu der oberen Befestigungsplatte zu erzeugen.

An der unteren Befestigungsplatte 52 ist ein Fokussierkopf 68 befestigt, in welchem eine Fokussierlinse 70 für den La­ serstrahl 12 angeordnet ist, der durch das Zuführrohr 38 vertikal nach unten projiziert und durch einen Spiegel 72, der an dem unteren Ende des Rohres befestigt ist, horizon­ tal durch den Fokussierkopf 68 reflektiert wird. Durch wahlweise bidirektionale Drehung des Motors 46 wird somit die Vertikalposition des Fokussierkopfes 68 eingestellt und somit der Laserstrahl 12 längs einer Y-Achse bewegt, d. h. quer zur Nahtrichtung, so daß er dem Schweißstoß folgt. Der Motor 64 wird wahlweise betätigt, um den Fokussierkopf längs einer Z- oder Fokussierachse zu positionieren und den Schweißstrahl im wesentlichen am Grund des zu schweißenden Schweißstoßes 16 fokussiert zu halten.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist der Laserprofilabtast­ kopf 20 an einer Seite des Fokussierkopfes 68 durch eine Konsole 72 befestigt. Der Laserprofilabtastkopf 20 bewegt sich somit mit dem Fokussierkopf 68. Die Konsole 72 weist einen Gleitblock 74 auf, in welchem ein Schieber 76 aufge­ nommen ist, der an seinem dargestellten unteren Ende einen zweiten Gleitblock 78 trägt. In diesem Gleitblock ist ein keilförmiger Schieber 80 aufgenommen, von dem aus sich ein Gelenk 82 zum einstellbaren, schwenkbaren Befestigen von zwei Konsolen 84, 86 nach unten erstreckt. An der Konsole 82 ist ein Fokussierobjektiv 86 befestigt, an welches das Ausgangsende des Eingangslichtleitfaserbündels 24a ange­ schlossen ist. An der Konsole 84 ist ein Sammelobjektiv 88 befestigt, an welches das Eingangsende des Ausgangslicht­ leitfaserbündels 24b angeschlossen ist. Das Objektiv 86 richtet einen Laserabtast- oder -profilprüfstrahl 90 auf den Schweißstoß 16, und das Objektiv 88 sammelt das von dem Schweißstoß auf einem Weg 92 normal zu dessen Oberfläche reflektierte diffuse Licht. Die Konsolen 82 und 84 werden an dem Gelenk 82 verschwenkt, um einen gewünschten Winkel zwischen den Achsen der Objektive 86 und 88 von z. B. 30° einzustellen und um außerdem irgendeinen schiefen Schweiß­ strahlschubwinkel 93 zu berücksichtigen, auf den der Schweißpositionierkopf eingestellt sein kann. Die Position des Schiebers 80 in dem Block 78 und die Position des Schiebers 76 in dem Gleitblock 74 werden (mittels einer Rändelschraube 94) während des Einrichtens eingestellt, um eine erforderliche Beziehung zwischen dem Profilerfassungs­ vorrichtungskoordinatensystem und dem Schweißstrahlverfol­ gungskoordinatensystem herzustellen. Das heißt, die Strahl­ positioniermotoren 46 und 64 werden in die Ausgangsstellun­ gen gebracht, um den Fokussierkopf 68 in den Mittelpunkten seiner Bereiche der Y- und der Z-Achsenbewegungen zu posi­ tionieren und so den Ursprung des Verfolgungskoordinatensy­ stems in einer räumlichen Referenzposition herzustellen, die mit dem fokussierten Fleck des Laserschweißstrahls zu­ sammenfällt. Die Profilerfassungskopfposition wird dann eingestellt, um den Mittelpunkt des Profilerfassungsvor­ richtungssichtfeldes, welches der Ursprung des Profilerfas­ sungsvorrichtungskoordinatensystems ist, mit der X-Achse des Verfolgungskoordinatensystems auszurichten. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist diese X-Achse mit der Längsmit­ tellinie des Schweißstoßes nominell ausgerichtet.

Die Steuereinheit 26 enthält gemäß der Darstellung in Fig. 4 einen Schweißstoßentnahmecomputer 100, der Profildaten verarbeitet, die er aus der Optikeinheit 22 empfängt, um den Ort der Schweißstoßmittellinie in dem Sichtfeld der Profilerfassungsvorrichtung für jede Quersichtebene gemäß einem Verfolgungsplan zu berechnen, der so festgelegt ist, daß er der Geometrie des besonderen zu schweißenden Schweißstoßes angepaßt ist. Der berechnete Schweißstoßmit­ tellinienort, der in Koordinaten des Profilerfassungsvor­ richtungskoordinatensystems definiert ist, wird einem Ver­ folgungscomputer 102 zugeführt, um durch einen Verfolgungs­ algorithmus verarbeitet zu werden. Positionierdaten in dem Verfolgungskoordinatensystem werden einer CNC-Steuereinheit 104 zugeführt, die ihrerseits wahlweise die Motoren 46, 64 (Fig. 2) betätigt, um den Fokussierkopf 68 in der Nahtquerrichtung längs der Y-Achse und in der Fokussierrichtung längs der Z-Achse zu positionieren, so daß zum optimalen Schweißen der fokussierte Fleck des Schweißstrahls ständig in einem Zielpunkt in dem sich bewegenden Schweißstoß positioniert ist.

Ein Verfolgungsplan enthält eine Serie von Schweißstoßpara­ metern, welche die Geometrie des besonderen Schweißstoßes kennzeichnen, und Betriebsparameter, welche den gesamten Systembetrieb regeln. Die Schweißstoßparameter beinhalten Eckpunktschwellenwerte, die durch den Schweißstoßentnahme­ algorithmus benutzt werden, um aus den Profildaten Schweiß­ stoßeckpunkte 106 und 108 der beiden langgestreckten Ele­ mente 16a und 16b, welche den Schweißstoß bilden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, zu ermitteln. Ein Eckpunktfunkti­ onslängenwert definiert die Strecke, über welcher eine Quasi-Anstiegsfunktion realisiert werden muß, um die Schweißstoßoberflächen 110 zu finden. Ein mittlerer Eck­ punktschwellenwert wird in Verbindung mit den obigen Para­ meterwerten benutzt, um die Schweißstoßmittellinie zu fin­ den, wenn die Elemente 16a, 16b aneinander angeordnet sind, d. h. keinen Spalt zwischen sich haben. Ein Mindestreflexi­ onsvermögensparameter wird als Reflexionsvermögensschwel­ lenwert benutzt, um die Größe irgendeines Spalts zwischen den Elementen zu bestimmen. Ein Mindestsuchbereichgrößen­ wert wird benutzt, um zu überprüfen, ob die Profildaten ausreichende Schweißstoßdatenpunkte zum Ermitteln des Schweißstoßes enthalten. Fig. 6A ist eine Bildschirmanzeige der Profildaten für eine besondere Quersichtebene, welche den Schweißstoß ohne Spalt oder Fehlanpassung zwischen den Elementen 16a und 16b zeigt.

Der Verfolgungsplan enthält außerdem einen Maximalschweiß­ stoßspaltwert und einen Spaltbereichswert. Wenn festge­ stellt wird, daß der Spalt den Maximalwert übersteigt, ver­ folgt der Schweißstoßentnahmealgorithmus die Längsstrecke längs des Schweißstoßes, auf der dieser Spaltzustand vor­ handen ist. Wenn der Schweißstoßspalt den Maximalwert über einer Längsstrecke übersteigt, welche den Bereichswert übersteigt, wird üblicherweise die Laserschweißung ge­ stoppt. Fig. 6C zeigt eine Bildschirmanzeige von Profilda­ ten, welche einen Schweißstoßspalt zeigt.

Zusätzlich zu dem Schweißstoßspaltproblem können die Ele­ mente 16a und 16b auch fehlausgerichtet sein, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Dieser Zustand wird in dem Schweiß­ stoßentnahmealgorithmus aus den unterschiedlichen Elevatio­ nen der Eckpunkte 106 und 108 erkannt. Daher enthält der Verfolgungsplan weiter Maximalschweißstoßfehlanpassungs­ werte und Fehlanpassungsbereichswerte. Wenn die Fehlanpas­ sung den Maximalwert über einer Längsstrecke übersteigt, welche den Bereichswert übersteigt, wird die Schweißung ge­ stoppt. Fig. 6B zeigt eine Bildschirmanzeige von Profilda­ ten, welche eine Schweißstoßfehlanpassung zeigt.

Der Verfolgungsplan kann außerdem Begrenzungsparameter ent­ halten, die benutzt werden, um ein kleineres Suchfenster innerhalb des größeren Profilerfassungsvorrichtungssicht­ feldes zu definieren, in welchem der Schweißstoßentnahmeal­ gorithmus nach Schweißstoßdatenpunkten gemäß den oben be­ schriebenen Verfolgungsplanschweißstoßparametern sucht. Diese Begrenzungsparameter werden benutzt, wenn es er­ wünscht ist, störende Profildaten aus den Randteilen des Sichtfeldes außer Betracht zu lassen, welche den Schweiß­ stoßentnahmealgorithmus verwirren können. Solche störenden Profildaten können von Elementenmerkmalen jenseits des Schweißstoßes, Hindernissen wie einer Einspannvorrichtung oder etwas fehlfokussierten Sichtfeldrändern herrühren.

Ein weiterer Parameter des Verfolgungsplans, der durch den Schweißstoßentnahmealgorithmus benutzt wird, ist ein Verlo­ rener-Schweißstoß-Bereichswert. Dieser Parameter spezifi­ ziert die Längsstrecke längs des Schweißstoßes, über der ein Verlust an Profildaten, die ausreichen, um den Schweiß­ stoß aufzufinden, toleriert wird. Das gestattet dem Schweißstoßentnahmealgorithmus, normale Verluste in guten Profildaten aufgrund von Spritzen, Rauch und anderen erwar­ teten Laserschweißbedingungen zu kompensieren. Wenn der Verlorener-Schweißstoß-Bereichsparameter überschritten wird, wird üblicherweise signalisiert, daß das Schweißen gestoppt wird.

Die Schweißstoßmittellinienlage, die durch den Schweiß­ stoßentnahmealgorithmus in dem Computer 100 berechnet wird, wird dem Verfolgungscomputer 102 in Koordinaten des Profi­ lerfassungsvorrichtungskoordinatensystems zugeführt. Die CNC-Steuereinheit 104 arbeitet jedoch auf der Basis des Verfolgungskoordinatensystems, das während des Einrichtens festgelegt worden ist, als der Fokussierkopf 68 durch die Nachführmotoren 68, 86 in seine Ausgangs- oder Mittelposi­ tion des Y- und Z-Achsenbereiches der Bewegungen gebracht wurde. Während eines Nahtschweißbetriebes verfolgt der Fo­ kussierkopf den Schweißstoß und ist nur vorübergehend in seiner Ausgangsposition. Daher sind die Ursprünge des Pro­ filerfassungsvorrichtungs- und des Verfolgungskoordinaten­ systems ebenso nur auf vorübergehender Basis in gegenseiti­ ger Längsausrichtung. Infolgedessen muß der Verfolgungscom­ puter 102 beim Ausführen des Verfolgungsalgorithmus den Schweißstoßmittellinienort, der durch den Computer 100 aus dem Profilerfassungsvorrichtungskoordinatensystem berechnet worden ist, in das Verfolgungskoordinatensystem transfor­ mieren. Diese Transformation beinhaltet das Berechnen sowohl der Versetzung der laufenden Fokussierkopfschweißpo­ sition gegenüber ihrer Ausgangsposition und die Versetzung der berechneten Schweißstoßmittellinie gegenüber der lau­ fenden Fokussierkopfschweißposition. Darüber hinaus erfor­ dert, wenn der Fokussierkopf auf einen schrägen Schubwinkel 93 (Fig. 3) eingestellt ist, diese Systemtransformation, daß das Profilerfassungsvorrichtungskoordinatensystem im Raum gedreht wird, um seine Y- und Z-Achse mit den entspre­ chenden Achsen des Verfolgungskoordinatensystems auszurich­ ten.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 werden gewisse Parameter des Verfolgungsplans durch den Verfolgungsalgorithmus be­ nutzt, den der Computer 102 ausführt. Zu diesen gehören Quer- oder Y-Achsen- und Fokussier- oder Z-Achsenverset­ zungswerte. In Abhängigkeit von der besonderen Schweißstoß­ geometrie, für die der Verfolgungsplan ausgelegt ist, braucht die Schweißstoßmittellinie am Grund der V-förmigen Fuge des Schweißstoßes, die durch den Computer 100 berech­ net worden ist, nicht der optimale Zielpunktort für den Schweißstrahlfokalpunkt zu sein. Wenn nicht, würde der Ver­ folgungsplan die Versetzungswerte zum Anvisieren des Strahlfokalpunktes in der optimalen Schweißlage relativ zu der berechneten Schweißstoßmittellinie angeben. Weitere Verfolgungsplanparameter, die durch den Verfolgungsalgo­ rithmus benutzt werden, sind Verfolgungsempfindlichkeits­ werte, ein Verfolgungstoleranzwert und Außerhalb-der-Tole­ ranz-Bereichswerte. Die Verfolgungsempfindlichkeitswerte steuern die Ansprechempfindlichkeit des Verfolgungsalgo­ rithmus für berechnete Positionsdifferenzen oder Fehler zwischen der Istposition des Schweißstrahlfokalpunktes und der Zielpunktposition. Ein niedriger Empfindlichkeitswert macht die Verfolgungsbewegung gleichmäßig, wobei dann aber das Ansprechen des Systems zu träge sein kann. Ein hoher Empfindlichkeitswert bewirkt, daß der Strahlpositionierkopf 14 auf Änderungen in den berechneten Schweißstoßmittellini­ endaten schnell anspricht, dabei aber zu ansprechempfind­ lich für fehlerhafte Daten sein kann. Der Verfolgungstole­ ranzwert legt die Grenzen von zulässigen Positionsfehlern zwischen dem tatsächlichen Strahlfokalpunkt und dem Ziel­ punkt fest. Der Bereich außerhalb der Toleranz gibt die ma­ ximale Längsstrecke längs des Schweißstoßes an, auf der ein außerhalb der Toleranz befindlicher Zustand toleriert wird, bevor einer Bedienungsperson signalisiert wird, daß das Sy­ stem den Schweißstoß nicht richtig verfolgt.

Weiter benutzt gemäß Fig. 4 der Verfolgungsalgorithmus au­ ßerdem Maschinenkonstantenwerte beim Berechnen der Verfol­ gungssignale, die der CNC-Steuereinheit 104 zugeführt wer­ den. Diese Parameter, die üblicherweise fest bleiben, und zwar ungeachtet des Verfolgungsplans, der durchlaufen wird, umfassen die Strecke D, die den Profilerfassungsvorrich­ tungstrahl 92 von dem Schweißstrahl 12 trennt, und die Ge­ schwindigkeit, mit der die Schweißfuge 16 in Richtung des Pfeils 18 (Fig. 3) gefördert wird. Aus diesen Werten kann der Verfolgungsalgorithmus den Zeitpunkt des Schnitts jeder Profilerfassungsvorrichtungssichtebene mit der Verfolgungs­ ebene berechnen. Das heißt, der Verfolgungsalgorithmus be­ rechnet aus der Strecke D und der Schweißstoßgeschwindig­ keit den Zeitpunkt, in welchem jeder Satz von berechneten Schweißstoßmittelliniendaten bei dem Positionieren des Schweißstrahls benutzt werden muß, damit der Schweißstoß richtig verfolgt wird. Eine weitere Maschinenkonstante ist der Wert irgendeines Schubwinkels 93, den der Verfolgungs­ algorithmus benötigt, um die Y-und die Z-Achse des Profi­ lerfassungsvorrichtungs- und des Verfolgungskoordinatensy­ stems genau auszurichten, wie oben erläutert.

Weitere Maschinenkonstanten sind Grenzwerte der Drehge­ schwindigkeiten der Verfolgungsmotoren 68, 86, Grenzwerte, welche die maximalen Versetzungswerte festlegen, die in dem Verfolgungsplan angegeben werden können, die Auflösungen der berechneten Schweißstoßmittellinienortsdaten in dem Profilerfassungsvorrichtungssystem und die Auflösungen der Verfolgungsmotoren.

Claims (9)

1. Mit Schweißstoßverfolgung arbeitendes Schweißsystem, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

• A. einen Laser (10) zum Erzeugen eines Laserschweißstrahls (12);
• B. einen Fokussierkopf (68) zum Fokussieren des Strahls auf einen Fokalpunkt, der in einem langgestreckten Schweiß­ stoß (16) angeordnet ist, während er relativ zu diesem in einer Linearbewegung ist;
• C. ein Positionierkopf (14), der an dem Fokussierkopf (68) befestigt ist, zur gesteuerten Bewegung relativ zu dem Schweißstoß (16) längs einer Fokussier-Z-Achse und ei­ ner Querpositionier-Y-Achse;
• D. eine Laserprofilerfassungsvorrichtung (20), die auf der stromaufwärtigen Seite des Fokussierkopfes (68) in be­ zug auf die Schweißstoßrelativbewegung befestigt ist, wobei die Laserprofilerfassungsvorrichtung (20) Profil­ daten erzeugt, welche das Schweißstoßprofil in aufein­ anderfolgenden Quersichtebenen angeben, bevor diese dem Schweißstrahl (12) dargeboten werden;
• E. eine Einrichtung (26) zum Verarbeiten der Profildaten gemäß einem vorgewählten Verfolgungsplan, um die Schweißstoßmittellinie innerhalb eines Sichtfeldes der Laserprofilerfassungsvorrichtung zu lokalisieren, die innerhalb dieser Sichtebene liegt, und um Positionier­ signale zum kontinuierlichen Einstellen der Position des Positionierkopfes (14) längs der Y- und der Z-Achse zu erzeugen, damit der Fokalpunkt des Schweißstrahls (12), der in dem Schweißstoß (16) angeordnet ist, in einem vorbestimmten Zielpunkt relativ zu der Schweiß­ stoßmittellinie gehalten wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (26) einen Schweißstoßentnahmecom­ puter (100) und einen Schweißstoßverfolgungscomputer (102) aufweist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstoßentnahmecomputer (100) eine Einrichtung auf­ weist, die aus den Profildaten Schweißstoßmittellinienlage­ daten in einem Profilerfassungsvorrichtungskoordina­ tensystem berechnet, und daß der Schweißstoßverfolgungscom­ puter (102) eine Einrichtung aufweist, die die Mittellini­ enlagedaten in ein Verfolgungskoordinatensystem transfor­ miert, das aus der Y- und der Z-Achse des Positionierkopfes (14) besteht.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilerfassungsvorrichtung (20) an dem Fokussierkopf (68) in einem vorbestimmten Abstand (D) stromaufwärts von dem Schweißstrahl (12) befestigt ist und daß der Schweißstoß­ verfolgungscomputer (102) eine Einrichtung aufweist, die aus dem vorbestimmten Abstand (D) und der Lineargeschwin­ digkeit der Schweißstoßbewegung die Schnittpunkte der auf­ einanderfolgenden Sichtebenen mit einer Verfolgungsebene, welche die Y- und die Z-Achse des Positionierkopfes (14) enthält, berechnet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstoßentnahmecomputer (100) weiter eine Einrichtung aufweist zum Verarbeiten der Profildaten, um festzustellen, ob ein Spalt zwischen langgestreckten Elementen (16a, 16b), welche den Schweißstoß (16) bilden, einen Größengrenzwert­ parameter über einem ersten vorbestimmten Längslängenpara­ meter des Schweißstoßes (16) übersteigt, wobei der Größen- und der erste Längenparameter in dem Verfolgungsplan fest­ gelegt sind.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstoßentnahmecomputer (100) weiter eine Einrichtung aufweist zum Verarbeiten der Profildaten, um festzustellen, ob eine Fehlanpassung zwischen den Elementen (16a, 16b) einen Abmessungsparamter über einem zweiten vorbestimmten Längslängenparameter des Schweißstoßes (16) übersteigt, wo­ bei der Abmessungs- und der zweite Längenparameter in dem Verfolgungsplan festgelegt sind.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierkopf (14) eine Tragsäule (36) enthält, die wäh­ rend eines Schweißstoßschweißbetriebes stationär gehalten wird, eine erste Tragplatte (44), die durch die Tragsäule (36) verschiebbar gehalten ist, so daß sie längs der Y- Achse bewegbar ist, eine zweite Tragplatte (52), die durch die erste Tragplatte (44) verschiebbar gehalten ist, so daß sie in der Z-Achse bewegbar ist, einen ersten Motor (46), der an der Tragsäule (36) befestigt ist, um der ersten Tragplatte (44) Positionierbewegungen in der Y-Achse zu ge­ ben, und einen zweiten Motor (64), der an der ersten Trag­ platte (44) befestigt ist, um der zweiten Tragplatte (52) Positionierbewegungen in der Z-Achse zu geben, wobei der Fokussierkopf (68) an der zweiten Tragplatte (52) befestigt ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierkopf (14) weiter ein Schweißstrahlübertragungs­ rohr (38) aufweist, das sich mittig durch die Tragsäule (36) erstreckt, und einen Spiegel (72), der an einem Ende des Zuführrohres (38) befestigt ist, um den Laserschweiß­ strahl (12), der längs der Y-Achse durch das Zuführrohr (38) projiziert wird, auf einem Weg, der mit der Z-Achse ausgerichtet ist, zu dem Fokussierkopf (68) zu reflektie­ ren.

9. System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine CNC- Steuereinheit (104) zum wahlweisen Betätigen des ersten und des zweiten Motors (46, 64) aufgrund der Positioniersignale aus dem Schweißstoßverfolgungscomputer (102), wobei die Steuereinheit (104) die Motoren (46, 64) so betätigt, daß der Fokussierkopf (68) in den Mittelpunkten der Bereiche der Bewegungen längs der Y- und der Z-Achse positioniert wird, um dadurch eine räumliche Referenzposition für den Ursprung des Verfolgungskoordinatensystems vor einem Schweißbetrieb zu schaffen.