DE4210555C2 - Vorsatzoptik für eine Kamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorsatzoptik für eine Kamera zur Fernbetrachtung und zur Regelung von Schweißprozessen.

Derartige Einrichtungen finden ihren Einsatz in der Fernhan­ tiertechnik, mit der in schwer zugänglichen oder unzugängli­ chen Umgebungen Arbeiten ausgeführt werden. Der Einsatz ist auch in automatisierten Schweißstraßen denkbar.

Kamerasysteme zur Führung von fernbedienten Schweißprozessen sind bekannt. So ist ein Kamerasystem mit fest eingebautem Filter und ständiger Beleuchtung des Schweißbereichs mit einem Laserlicht bekannt. Die ständige Ausleuchtung ist so zwar not­ wendig, jedoch ist die Einrichtung mit dem Laserlicht aufwen­ dig (siehe Schäfer und Kirchhoff, Optik-Ingenieurbüro, "Schweißmonitor für Lichtbogenschweißen").

Ein anderes System besteht ebenfalls aus einem fest eingebau­ ten Filter und ständiger Ausleuchtung der zu schweißenden Um­ gebung durch eine Halogenlampe. Bei diesem System ist die Bildinformation unbefriedigend (siehe "Automatisieren, Fern­ steuern und Überwachen von Schweißvorgängen mit TV-Anlagen" S. Förner et al., Sonderdruck aus maschinen anlagen verfahren 11/84).

In der DE 39 30 208 A1 wird ein Sensorsystem zur Erfassung des Schweißvorgangs vorgeschlagen. Dieser wird mit einer Fernseh­ kamera, der ein Kurzzeitverschluß, welcher während des Licht­ bogenleuchtens geöffnet ist, vorgeschaltet. Die Bilder der Ka­ mera werden in normgerechte Fernsehsignale gewandelt und auf ein Videosystem oder einen Bildschirm gegeben. Die kontinuier­ liche Beobachtung des Schweißorts während des Schweißens und in den Schweißpausen ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zu verschweißende Kanten in Augenschein nehmen zu können, fertige Schweißnähte untersuchen zu können und insbesondere den Schweißvorgang mit Schmelzbad, Zusatzdrahtnachführung und Schmelzbaderstarrung ununterbrochen beobachten zu können. Desweiteren sollen Schweißnahtgeometrien vor dem eigentlichen Schweißprozeß ver­ messen und einer Datenverarbeitungsanlage eingegeben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Auf die Kamera, die für die Beobachtung des Schweißvorgangs eingesetzt ist, wird eine Vorsatzoptik aufgesetzt, die das Be­ obachtungsfeld vorgegeben vergrößert. Zur Erreichung der not­ wendigen Tiefenschärfe während des Schweißens hat die Blende eine vorbestimmte Öffnung.

Das Lichtfilter zur Unterdrückung nicht notwendiger Strahlan­ teile, überwiegend aus dem sichtbaren und UV-Bereich, bzw. zur Dämpfung von Intensitäten schwenkt zu Beginn des Schweißvor­ ganges selbsttätig in den Beobachtungsstrahlengang und daraus nach Beendigung wieder zurück in die Ausgangslage.

In Intervallen, in denen nur betrachtet und nicht geschweißt werden soll, wird das zu untersuchende Gebiet mit einer ge­ wöhnlichen, fokussierenden Lampe kleiner Leistung angestrahlt, so daß bei der eingestellten Blende und ausgeschwenktem Farb­ glasfilter ausreichend Bildinformation übertragen wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorsatzoptik bestehen darin, daß beim Wolfram-Inert-Gas-Schweißen (WIG-Schweißen), der Schweißkopf, bestehend aus Schweißelektrode und Drahtzu­ führeinrichtung, zwei Kameras oder Kameraköpfen mit jeweils aufgesetzter und ausgerichteter Vorsatzoptik und ggf. einem optischen Bauelement zur Strahlumlenkung, am zu schweißenden Gegenstand nach Vorgabe positioniert. Danach wird die Umgebung der Schweißelektrode mit Schutzgas geflutet. Über die Schutz­ gaszufuhr wird ein Hubzylinder erregt, der den Rahmen mit dem eingelegten Farbglasfilter in den Strahlengang schwenkt und dort hält. Nach Beendigung des Schweißvorganges schwenkt der Rahmen über Federkraft selbsttätig in die Ausgangslage zurück. Das Ein- und Rückschwenken kann aber auch über lichtintensi­ tätsmessende Bauelemente wie Photodioden initiiert werden.

Das Einschwenken des Rahmens des Farbfilters kann vielfältig geschehen. Pneumatisch ist ein solcher Zylinder auch nur mit Druckluft antreibbar. Infrage kommt auch eine hydraulische oder eine elektromechanische Betätigung. Diese bauliche Ent­ scheidung wird durch die Umgebungs-Bedingungen und die wirt­ schaftlichen Einschränkungen vorgegeben.

Die Beobachtung und Durchführung von Schweißprozessen ist nicht auf das WIG-Schweißen beschränkt. Grundsätzlich kann jede Schweißart auf diese Weise fernbedient bzw. beobachtet werden. Für ein optimales Beobachten des Schweißvorganges ist das Farbglasfilter in seinem Infrarottransmissionsverhalten dem jeweiligen Schweißverfahren anzupassen, da die Betrachtung des Schmelzbades samt Wärmeeinflußzone im Infraroten erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte bauliche Maßnahme an der Vorsatzop­ tik besteht darin, das Lichteintrittsfenster auf der Lichtein­ trittsseite gezielt mit Schutzgas oder einem anderen trägen Gas anzuströmen. Damit wird erreicht, daß das Fenster Kühlung erfährt und andererseits der Schmauch, vom Schweißvorgang her­ rührend, weggeblasen wird. Art und Weise dieser gezielten Küh­ lung richtet sich nach den Umgebungs- und Schweißbedingungen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in dem ver­ hältnismäßig geringen technischen Aufwand, der Verwendung han­ delsüblicher Baukomponenten und der hinreichend tiefen­ scharfen Bildinformation in beiden Phasen, der nichtschweißen­ den Phase und der Schweißphase bei gleichbleibender Blenden­ öffnung. Hierbei hat sich die Verwendung einer herkömmlichen Lampe geringer Leistung als völlig ausreichend erwiesen.

Der mechanisch sehr einfache Aufbau und die kleinen Dimensio­ nen der Vorsatzoptik erlauben erst den Einbau solcher Kame­ rasysteme in Miniaturschweißköpfen.

Ein Durchführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorsatzoptik;

Fig. 2 einen Querschnitt im Lichtfilterbereich durch die Vorsatzoptik und

Fig. 3 Querschnitt durch einen auf einem zu schweißenden Rohr aufgesetzten Schweißkopf.

Den Aufbau der Vorsatzoptik zeigt Fig. 1. Die konstruktiven Details sind in dem Längsschnitt dargestellt. Der Aufbau des Ein- und Rückschwenkmechanismus wird dann in Fig. 2 gezeigt.

Das Lichteintrittfenster 23, über seine Verschraubung 5, 6 eingespannt, schützt die nachfolgende Optik vor Verschmutzung. Dazu ist das Verschraubungsteil 5 mit seinem Außengewinde ganz in das Vorsatzrohr 4 eingedreht. Das Innengewinde im Vorsatz­ rohr 4 ist durchgehend über die gesamte Rohrlänge. Über dieses Gewinde wird auch die Linse 24, die in den Verschraubungen 2, 3 eingespannt ist, in Position gebracht. Durch Verdrehen der Verschraubung 2, läßt sich die eingespannte Linse axial bewe­ gen. Die Position kann über eine Madenschraube durch das Vor­ satzrohr 4 festgestellt werden. Die Linse 24 fokussiert das einfallende Licht auf die Achse der Vorsatzoptik am Ort der Blende 11. Die Strahlen treten dabei zuvor durch das in den Strahlengang geschwenkte Lichtfilter 28, des im Durchführungs­ beispiel ein Infrarotfilter 28 ist. Das Lichtfilter 28 wird in der Fig. 2 näher beschrieben.

Die Blende 11 ist in einen Ringrahmen 10 eingelegt, der wie­ derum über eine Madenschraube 18 in der Verschraubung 9 fi­ xiert ist. Dieser Verschraubung 9 selbst dient gleichzeitig als Halterung für die zweite Linse 25 der Vorsatzoptik. Dazu wird sie über die Verschraubung 12 eingespannt. Das Infrarot­ filter 28, die Blende 11 und die Linse 25 haben so eine axial unverrückbare Lage zueinander. Zur optischen Abstimmung des Strahlenganges bleibt die Verschraubung 9 mit ihrem Außenge­ winde im Innengewinde des zweiten Vorsatzrohres 13 verdrehbar. Kann allerdings über eine Madenschraube durch das Vorsatzrohr 13 festgestellt werden.

Beide Vorsatzrohre 4, 13 sind über das Zwischenstück 1 zuein­ ander in Position gebracht. Diese wird von dem Vorhaben, was zu betrachten ist, bestimmt. Die Vorsatzrohre 4, 13 werden über Wurmschrauben 19 durch das Zwischenstück 1 in vorbestimm­ ter Lage zueinander gehalten.

Den ausgeführten Schwenkmachanismus zeigt die Querschnitts­ zeichnung von Fig. 2. Das hier verwendete Infrarotfilter, ist in den Schwenkrahmen 7 eingelegt und kann um die Achse 8 (siehe auch Fig. 1) in die beiden angedeuteten Lagen ge­ schwenkt werden. Hierzu drückt der Hubzylinder 26, der im Durchführungsbeispiel ein pneumatischer Zylinder 26 ist, mit seinem Stößel den Hebelarm des Rahmens 7 ständig nach unten, falls er erregt ist. Die über den Bolzen 21 im Zwischenstück 1 eingehängte Feder 27 zieht das Infrarotfilter wieder in die Ausgangslage zurück, falls die Erregung das Hubzylinders auf­ hört. Über die Wurmschraube 18 wird der Zylinder 26 in seiner vorgegebenen Position gehalten.

Die Betätigung des Schwenkrahmens 26 ist nicht auf einen pneumatischen Hubzylinder beschränkt. Sie kann hydraulisch oder elektromechanisch sein.

Im Durchführungsbeispiel ist die Blende 11 feststehend. Das war für diesen Fall aufgrund des vorgesehenen Einsatzes aus­ reichend. Der Einbau einer verstellbaren Blende kommt in Be­ tracht, falls dies die Lichtverhältnisse am Beobachtungsort erzwingen. Mit der eingebauten Blende 11 im Durchfüh­ rungsbeispiel hat man eine Tiefenschärfe von etwa 8 mm erhal­ ten. Bei guten Lichtverhältnissen während der Nicht­ schweißphase konnte man sogar auf die bündelnde Beleuchtung durch die 5 W-Zusatzlampe verzichten. Es war immer genügend Tiefenschärfe vorhanden, um ohne Einschränkung inspizieren zu können.

Mit dieser beschriebenen Vorsatzoptik wurden überwiegend WIG- Schweißprozesse beobachtet. Die Vorsatzoptik des Durchfüh­ rungsbeispiels hatte einen Durchmesser von 17.5 mm und war 45 mm lang. Über die in das zweite Vorsatzrohr einschraubbare Adapterverschraubung 13 wurde der Kamerakopf 16 aufgesetzt. Gerade eine solche Adapterverschraubung ermöglicht es, die Versatzoptik auf andere für die Beobachtung geeignete Ka­ meraköpfe aufzusetzen. Der Kamerakopf 16 besteht aus einem CCD-Clip mit Vorverstärker und hatte etwa 360 000 Bildpunkte bei 370 Zeilen. Vollautomatisches Schweißen nach Programmen ist ohne Einschränkung durchführbar.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines Schweißkopfes 20, der auf einem Rohr 17 aufgesetzt ist. An dem Rohr 17 soll eine Schweißnaht um den Umfang gelegt werden. Das angewandte Schweißverfahren ist hier das WIG-Schweißen. Die Schweißelek­ trode 22 ist mit ihrer Wolframspitze 29 senkrecht zum Schweiß­ graben auf dem Rohr 17 ausgerichtet. Der Schweißdraht 30 wird über den Rollenmechanismus 31 in den Lichtbogenbereich, das ist zwischen Wolframspitze 29 und kürzestem Abstand zum Rohr 17, zugeführt. Die Schutzgaszufuhr ist der Übersicht halber nicht eingezeichnet. Zur Beobachtung des Schweißortes sind zwei Kameraköpfe 16 mit je einer Vorsatzoptik 32 im Schweißkopf 20 montiert und ausgerichtet. Das linke Kamerasystem 16, 32 ist direkt auf den Schweißort ausgerichtet, das rechte 16, 32 auf die erstarrende Schweißraupe. Aus Platzgründen hat die jewei­ lige Vorsatzoptik 32 je ein optisches 90°-Umlenkbauelement. Ein radial ausgerichtetes Kamerasystem 16, 32 könnte nicht in diesem kleinen Schweißkopf 20 montiert werden. Bei diesem Schweißvorgang bewegt sich der Schweißkopf 20 um den Rohrum­ fang herum. Hierzu ist er über Klammereinrichtungen an einem Rohrteil angesetzt.

Claims (1)

1. Vorsatzoptik für eine Kamera zur Fernbeobachtung und zum fernbedienten Steuern und Regeln eines Schweißprozesses, bestehend aus:
   einem Lichteintrittsfenster zum Schutz einer nachfolgenden Optik,
   einem Filter zur Dämpfung der Lichtintensität und
   einer Blende zum tiefenscharfen Betrachten,
   dadurch gekennzeichnet, daß
   das Lichteintrittsfenster auf der Lichteintrittsseite gezielt mit einem Schutzgasstrom oder einem andern trägen Gas zur Kühlung und zum Wegblasen von Schweißschmauch anströmbar ist,
   der Schweißort und seine nahe Umgebung über die fest einge­ stellte Optik vergrößert auf den Kameraeingang abgebildet sind,
   die Blende fest eingestellt ist, und zwar so, daß mit dieser Einstellung ein Betrachten während des Schweißvorgangs und während der Schweißpausen gegeben ist,
   das Filter, das durchlässig für Infrarotlicht ist, mit Beginn des Schutzgasstromes über eine pneumatische oder hydraulische oder elektromechanische Antriebseinrichtung in den Strahlengang schwenkbar ist und mit Abbruch des Schutzgas­ stromes durch eine Rückholfeder in die Ausgangslage zurück­ ziehbar ist.