DE4312241A1 - Verfahren zur Nahtvermessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nahtvermessung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus tm Technisches Messen 51 (1984), Seiten 264 bis 269. Dort geht es um die Schweißnahtvermessung und -verfolgung im Rahmen eines automatisierten Schweißverfahrens. Der Schweißkopf soll hinsichtlich Abstand und Neigung gezielt der Schweiß­ naht nachgeführt werden. Dazu ist ein mit dem Schweißkopf fest verbunde­ ner und während der Schweißbewegung diesem vorausgeführter Sensor vor­ handen, der eine Optik und einen zweidimensionalen, d. h. flächenhaften Bildaufnehmer aufweist, mit dessen Hilfe der in seinem Sichtbereich ge­ legene Teil der Oberfläche des Schweißgutes mit der noch ungeschweißten Naht (Nahtbereich) optisch erfaßt wird. Ein Lichtschnittverfahren dient zur Vermessung der Schweißnaht, wobei schräg zur optischen Achse der Sensoroptik ein Streifenmuster, beispielsweise aus vier parallelen Streifen bestehend, auf den Nahtbereich der Oberfläche projiziert wird, und zwar im wesentlichen quer zur Schweißnaht. Bei deutlich ausgeprägten Nähten, z. B. Überlappnähten oder V-Nähten, wird die Naht im Bild in Form von Bruchstellen bzw. Versetzungen innerhalb der Streifen sichtbar. Der Verlauf der Naht im Bild kann dann anhand einer der Streifenzahl ent­ sprechenden Anzahl von Punkten bestimmt werden. Im Idealfall ist eine Geradengleichung ableitbar. Auch der Abstand der Naht vom Sensor kann aufgrund der Bildinformation ermittelt werden, da sich bei axialen Ver­ schiebungen der Werkstückoberfläche das im Bild erfaßte Streifenmuster ebenfalls in eindeutiger Weise verschiebt.

Ein Mangel dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß nur solche Schweißnähte vermessen werden können, die im Bild zu deutlichen Störun­ gen des Streifenmusters führen. Dies muß in der Praxis nicht immer der Fall sein, beispielsweise bei I-Nähten, wo Schweißkanten ohne Höhenun­ terschied oder Ausbildung einer V-förmigen Fuge unmittelbar aneinander­ stoßen, so daß keinerlei Unterbrechungen der im Bild erfaßten projizier­ ten Streifen auftreten. Die gleiche Problematik ergibt sich bei der Ver­ folgung von durch Schweißung zu reparierenden Haarrissen, aber auch bei­ spielsweise bei der Verfolgung dünner Anrißlinien, denen ein Laserstrahl zum Zwecke des Schneidens nachgeführt werden soll, beim Auftragen einer Klebemittelraupe entlang einer Naht oder beim Prüfen einer Ritzspur auf einer Glasoberfläche.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auch die Lage einer feinen Naht ohne ausgeprägten Höhensprung automatisch vermessen werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Demnach wird eine Kombination von Lichtschnittverfahren und Graubildaus­ wertung derart vorgeschlagen, daß beide in alternierender Weise zur An­ wendung kommen, wobei jeweils unterschiedliche Teilinformationen gewon­ nen werden. Die gemäß dem Lichtschnittverfahren anzuwendende, bezüglich der optischen Achse schräge Projektion eines Streifenmusters auf die Werkstückoberfläche ist gemäß der Erfindung nicht mehr kontinuierlich, sondern intermittierend anzuwenden. Während dieser, durch periodisch auftretende Unterbrechungen voneinander getrennten Projektionsphasen wird jeweils die Lage der Werkstückoberfläche im Objektraum bezüglich eines Referenz-Koordinatensystems, welches beispielsweise auf die Sen­ soroptik bezogen sein kann, bestimmt. Die Lage umfaßt dabei den Abstand in Richtung der optischen Achse der Sensoroptik sowie die Neigung der Oberflächennormale zu dieser optischen Achse, bezogen auf mögliche Dre­ hungen um zwei senkrecht zu letzterer sowie zueinander orientierte wei­ tere Achsen. Der Nullpunkt des so definierten kartesischen Koordinaten­ systems kann bezüglich der Sensoroptik beispielsweise soweit in Richtung der optischen Achse verschoben sein, daß er genau den anzustrebenden Nennabstand der Werkstückoberfläche angibt. Die beiden anderen Achsen definieren dann eine Ebene, die der Nennlage der Werkstückoberfläche entspricht.

Da eine dünne Naht, wie oben angedeutet im Lichtschnittverfahren nicht vermessen werden kann, so geschieht dies gemäß der Erfindung jeweils zwischen den Projektionsphasen durch reine Graubildauswertung. Vorausge­ setzt hierbei ist allerdings, daß die Naht im Bild wenigstens optisch sichtbar wird. Vorzugsweise wird als flächenhafter Bildaufnehmer ein zweidimensionales CCD-Array verwendet. So kann durch bekannte Bildaus­ werteverfahren die Lage der Naht im zweidimensionalen Koordinatensystem der Bildebene punktweise bestimmt werden. Da während der vorausgehenden bzw. nachfolgenden Projektionsphase die Lage der Werkstückoberfläche im dreidimensionalen Objektraum bezüglich des erwähnten Koordinatensystems bestimmt wird, so ist mittels der zwischengeschalteten Graubildauswer­ tung aufgrund eindeutiger Zuordnung die räumliche Lage der Naht in die­ sem Bezugssystem ebenfalls ermittelbar.

Zwar ist es an sich bekannt, die Fugengeometrie einer Schweißnaht mit Hilfe der Graubildauswertung zu erfassen, siehe DVS-Berichte, Band 94 (1985), Seiten 44 bis 57, insbesondere Seite 45. Demnach wird die Schweißnaht im Auflichtreflexionsverfahren mit einem eine Photodioden­ zeile aufweisenden Sensor abgetastet, wobei ein Binärbild erzeugt und mittels einer Schwelle die Fuge als Dunkelzustand punktweise erkannt wird. Jedoch ist keinerlei Hinweis gegeben, diese Graubildauswertung mit dem in der genannten Druckschrift ebenfalls als Alternative beschriebe­ nen Lichtschnittverfahren zu kombinieren, um die hier im Vordergrund stehende spezielle Aufgabe zu lösen. Außerdem wird gemäß der Erfindung eine zweidimensionale Graubildauswertung vorgenommen, so daß zu jedem Zeitpunkt die Lage der gesamten Naht wenigstens über eine gewisse Länge hin im dreidimensionalen Objektraum ermittelbar ist, während die eben erwähnte, bekannte Graubildauswertung zu jedem Zeitpunkt lediglich einen Punkt der Naht ermittelt.

Während der Projektionsphasen ist die Lage der Werkstückoberfläche im dreidimensionalen Objektraum aufgrund einfacher geometrischer Gegeben­ heiten folgendermaßen zu bestimmen: Die Lage der Streifenbilder im zwei­ dimensionalen Bildkoordinatensystem ist für die anzustrebende Refe­ renz- bzw. Nennlage der Werkstückoberfläche genau bekannt. Aufgrund der schrägen Projektion wandert das Streifenmuster bei einer axialen Ab­ standsveränderung im Bild in eindeutiger Weise in eine Richtung, welche durch den Schnitt der Bildebene mit derjenigen Ebene gegeben ist, die durch die optische Achse der Optik bzw. des Sensors und der Projektions­ richtung definiert ist. Gleichzeitig ändert sich dabei der Streifenab­ stand in eindeutiger Weise. Aus dieser Streifenverschiebung und -ab­ standsänderung kann durch geeignete einfache Algorithmen, welche die Geometrie der Anordnung und die Parameter der Optik berücksichtigen, das Ausmaß der Verschiebung der Werkstückoberfläche aus dem Nennabstand heraus ermittelt werden. Bei einer Kippung der Werkstückoberfläche um eine senkrecht zur optischen Achse sowie zur Projektionsrichtung orien­ tierte Achse verändern sich die Abstände der abgebildeten Streifen zu­ einander in eindeutiger und im allgemeinen linearer Weise derart, daß die näher an der Projektionsvorrichtung gelegenen Streifen näher zusam­ men- und die weiter entfernt gelegenen Streifen weiter auseinander­ rücken. Ebenso verringern bzw. vergrößern sich die Streifenlängen. Bei einer Kippung der Werkstückoberfläche um eine Achse, welche senkrecht zur optischen Achse orientiert ist und in der durch die optische Achse und die Projektionsrichtung gegebenen Ebene liegt, fächern die abgebil­ deten Streifen in eindeutiger Weise derart auf, daß die Streifenenden auf der zur Sensoroptik hin kippenden Seite sich einander annähern und auf der anderen Seite sich voneinander entfernen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, während der Projektionsphasen mindestens drei (beispielsweise fünf) Streifen auf die Werkstückoberfläche zu projizieren. Diese Streifen sollten aus Gründen der einfacheren Auswertung parallel sein, was jedoch nicht unbedingt der Fall sein muß.

Claims (1)

1. Verfahren zur Nahtvermessung zur Anwendung in einem Nahtverfolgungssy­ stem, bei welchem die Oberfläche eines Werkstückes im Bereich der Naht (Nahtbereich) beleuchtet und unter Zwischenschaltung einer Optik von ei­ nem flächenhaften Bildaufnehmer erfaßt wird sowie schräg zur optischen Achse ein Streifenmuster auf den Nahtbereich projiziert wird (Licht­ schnittverfahren), dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des Streifenmusters intermittierend erfolgt, während der Projektionsphasen aus dem Streifenbild die Lage der Oberfläche in einem auf die Optik be­ zogenen dreidimensionalen Koordinatensystem und zwischen den Projek­ tionsphasen die Lage der Naht auf der Oberfläche durch Graubildauswer­ tung bestimmt wird.