DE60008975T2

DE60008975T2 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der position eines länglichen gegenstands relativ zur oberfläche eines absperrenden körpers mittels elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DE60008975T2
Application number: DE60008975T
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Bruun; Jan Lundgren; Steen Teller; Thomas Aaboe Jensen
Original assignee: Force Technology; Volvo Aero AB
Current assignee: Force Technology; GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 1999-01-15
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-01-13
Also published as: SE9900109D0; RU2240540C2; CN1153951C; US6430257B1; JP4495348B2; SE513401C2; EP1071535B1; DE60008975D1; WO2000041838A1; JP2002534698A; CN1293603A; ES2214248T3; SE9900109L; EP1071535A1; UA69402C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines länglichen, relativ schmalen Gegenstands relativ zur Oberfläche eines absperrenden, vorzugsweise plattenähnlichen Körpers vor dem Gegenstand und der in einem Winkel zu diesem ausgerichtet ist, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere ionisierender Strahlung, zur Führung der Bewegung einer dazugehörigen Bearbeitungsausrüstung, insbesondere für das Laserschweißen.
Früher wurde elektromagnetische Strahlung zum Auffinden von versteckten Stoffen wie z. B. Betäubungsmitteln, Sprengstoffen und anderer Schmuggelware etc. verwendet. Ein Beispiel ist die GB-A-2 055 198. Andere Beispiele sind die US-A-5 600 700 und US-A-S 648 619.
In WO 95/00725 wird die Herstellung eines so genannten Sandwichelements beschrieben, d. h. eines doppelwandigen Blechelements, insbesondere zur Verwendung beim Schiffbau. Wie diese Herstellung einschließlich des Schweißens von dessen Zwischenraumwänden durchgeführt werden soll, ist jedoch nicht offensichtlich. Dennoch handelt es sich in diesem Fall um plane Blechwände, die eine standardisierte und vorzugsweise rechtwinklige Form aufweisen, was das Problem einfacher macht.
Ein weiteres und schwierigeres Problem tritt auf, wenn Sandwichelemente hergestellt werden sollen, die eine konische oder eine doppelt gekrümmte Oberfläche wie beispielsweise in Raketendüsen oder ähnlichem aufweisen. In diesem Fall werden sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die Präzision gestellt, wenn es darum geht, durch die absperrende Blechwand an die enge Seite oder Kante dieser Zwischenraumvorrichtung zu schweißen, deren Breite weniger als 1 mm beträgt.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, dieses Problem zu lösen. Dies wird durch ein Verfahren gemäß der Erfindung erzielt, das im Wesentlichen dadurch charakterisiert ist, dass von der Seite des Körpers, entfernt vom Gegenstand, mindestens ein präzise gebündelter Strahl der Strahlung schräg in Richtung des Gegenstands gerichtet ist, unter Bewegung ungefähr in Längsrichtung des Gegenstands und unter gleichzeitiger schwingender oder abtastender Bewegung in rechten Winkeln dazu; dass die Strahlung, die vom Gegenstand rückgestreut wird, auf derselben Seite des Körpers gesammelt und veranlasst wird, daraus ein Signal zu bilden, das mit im Speicher gespeicherten Signalen verglichen wird, um so die gewünschte richtige Position des Gegenstands relativ zum Körper zu erreichen, zur Führung der Bewegung des Strahls der Strahlung entlang des Gegenstands und somit auch zur Bewegung der dazugehörigen Ausrüstung. Um die höchstmögliche Präzision in dem Verfahren zu erzielen, sollte, wie im nachfolgenden Anspruch 2 angegeben, vorzugsweise auch die rückgestreute Strahlung gebündelt werden.
Um dieses Verfahren auszuführen, wurde gleichzeitig eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Detektionsvorrichtung zur Bestimmung der Position eines länglichen und relativ schmalen Gegenstands relativ zur Oberfläche eines absperrenden Körpers vor dem Gegenstand und der in einem Winkel zu diesem ausgerichtet ist und von vorzugsweise plattenähnlicher Form ist, mittels elektromagnetischer und vorzugsweise ionisierender Strahlung zur Führung der Bewegung einer dazugehörigen Bearbeitungsausrüstung, insbesondere für das Laserschweißen umfasst. Die Merkmale, die diese Vorrichtung im Wesentlichen charakterisieren, bestehen im Wesentlichen darin, dass die Detektionsvorrichtung, die auf derselben Seite des plattenähnlichen Körpers wie das Sendegerät angeordnet ist, ausgelegt ist, um eine vom Sendegerät in Richtung auf den Gegenstand ausgehende und vom Gegenstand rückgestreute Strahlung zu empfangen und um daraus ein Signal zu bilden, und dass ein Komparator angeordnet ist, um das Signal mit in einem Speicher gespeicherten vorbestimmten Vorzugssignalen zu vergleichen, um so die gewünschte richtige Position des Gegenstands relativ zum Körper zu erreichen, zur Führung der Bewegung des Strahls der Strahlung entlang des Gegenstands und somit auch der Bewegung der dazugehörigen Ausrüstung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in den Ansprüchen 1 und 3 definiert sind, lässt sich bei einer Tätigkeit wie dem Laserschweißen von doppelt gekrümmten oder doppelwandigen Platten auf erstaunlich effektive Weise eine schnelle und wirkungsvolle Durchführung mit hoher Präzision erzielen. Dabei kann eine Schweißgeschwindigkeit von bis zu 1.000 mm pro Minute erreicht werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend weiter erklärt unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Ausführung des Verfahrens schematisch darstellt und 2 Beispiele von Kurven aus der Detektoreinheit der empfangenen Signale darstellt, wohingegen 3 einen Querschnitt durch eine Vielzahl von Zwischenraumwänden darstellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an ein Stück Blech 3 zu schweißen sind.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht das mit der Erfindung zu lösende Problem darin, dass ein erstes Stück Blech oder eine Wand 1, das bzw. die eine oder mehrere parallele aufrechte und dünne Zwischenraumwände 2 trägt, mit einer aufliegenden Wand oder einem aufliegenden Blech 3 durch Schweißen verbunden werden soll. Dies soll dadurch erfolgen, indem man eine geeignete Schweißausrüstung, mit der durch die Abdeckungswand 3 geschweißt werden kann, präzise die Längsausdehnung der Zwischenraumwand 2 entlang führen lässt. Dies führt jedoch zu sehr großen Schwierigkeiten, da die Wand 3 die Sicht der Zwischenraumwand 2 vollständig absperrt und deren Position folglich ohne visuelle Hilfe genauestens bestimmt werden muss.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Lösung dieses Problems vorgeschlagen, eine Detektorvorrichtung 5 zu verwenden, in der eine Quelle 6 einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer ionisierenden Strahlung, untergebracht ist. Vorzugsweise ist die Vorrichtung in einer Ebene in rechten Winkeln zu der Zwischenraumwand 2 angebracht und in einem Winkel von Φ/2 zur Wand 3.
In Kombination mit der Strahlungsquelle 6 ist eine Detektoreinheit 7 angeordnet, die in einem Winkel zu der Strahlungsquelle 6, vorzugsweise in einem Gegenwinkel von Φ/2 zur Zwischenraumwand 2 angebracht ist, so dass die Überlagerungsposition zwischen dem Strahl der Strahlung, der von der Quelle 6 ausgesendet wird, und der Beobachtungsbereich der Detektoreinheit 7 in einer Entfernung unterhalb der Wand 3 liegt. Wenn die Detektorvorrichtung 5 dann in Richtung des Pfeils A über der Zwischenraumwand 2 in abtastender Bewegung hin und her geführt wird, ändert sich die von der Quelle 6 ausgesandte Strahlung beim Übergang über die Zwischen raumwand 2 auf charakteristische Weise, auf Grund von Änderungen in der Rückstreuung der Strahlung durch das Vorhandensein einer vorbestimmten Menge darin enthaltenem Materials, in diesem Fall Metall.
Diesen Umstand macht man sich zur Bildung eines Signals aus der Detektoreinheit 7 zu Nutze, deren Signal an eine elektronische Verarbeitungseinheit 10 übertragen wird, die nur schematisch dargestellt ist, und dort durch eine Komparatoreinrichtung, nicht abgebildet, mit vorbestimmten Vorzugssignalen zu vergleichen ist, die in einer nicht abgebildeten Speichereinrichtung gespeichert sind, um so die gewünschten richtigen Positionskoordinaten der Zwischenraumwand 2 relativ zum Körper 3 zu bestimmen. Je nach Ergebnis dieses Vergleichs erstellt die elektronische Verarbeitungseinheit dann ein Steuersignal, das an die nicht abgebildete Bearbeitungsausrüstung übertragen wird, die von der Detektorvorrichtung zu steuern ist, insbesondere an eine Laserschweißausrüstung, die mit der Detektorvorrichtung 5 verbunden ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Ausrüstung die Zwischenraumwand 2 unter der Bewegung der Detektorvorrichtung 5 entlang der Zwischenraumwand 2 mit Präzision entlang geführt wird sowie unter einer schwingenden Bewegung mit kleiner Amplitude in rechten Winkeln dazu.
Die Detektorvorrichtung 5 kann auf eine hohe Sensibilität eingestellt werden und sehr genau arbeiten mit einer Präzision von ± 0,1 Millimeter, so dass Transport- und Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 1.000 Millimeter pro Minute möglich sind.
Voraussetzung in der oben angegebenen Beschreibung ist, dass die Strahlungsquelle 6 und die Detektoreinheit 7 innerhalb der Vorrichtung 5 stationär angeordnet sind und diese Vorrichtung 5 dazu veranlasst wird, sich in zwei x/y-Richtungen in rechten Winkeln zueinander in der Ebene des Körpers 3 zu bewegen. Für einen Fachmann ist es natürlich völlig offensichtlich, dass, sofern gewünscht, die Strahlungsquelle 6 statt dessen auch stationär sein könnte und die Detektoreinheit 7 in eine Richtung bewegt werden könnte, die parallel zur Richtung der Strahlung verläuft. Statt dessen kann die Detektoreinheit 7 auch stationär sein und die Strahlungsquelle 6 parallel zum Blech 3 bewegt werden oder überdies kann bei stationärer Quelle 6 eine Detektoreinheit verwendet werden, die aus einer Reihe von Detektorelementen besteht. Schließlich kann die Strahlungsquelle 6 aus einer Vielzahl von Quellen zusammengesetzt sein, die alle gemeinsam parallele und im geringen Abstand voneinander verlaufende Strahlen der Strahlung aussenden, wobei die Detektoreinheit in diesem Fall auch aus einer Reihe von Detektorelementen besteht, die aneinander angrenzend angeordnet sind, oder schließlich bei einer Strahlungsquelle 6 mit einem einzigen Strahl, mindestens zwei stationäre Detektoreinheiten 7 verwendet werden, die in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind.
Zur Bestimmung des Zwischenraums zwischen dem Körper oder der Wand 3 und der Kantenoberfläche der Zwischenraumwand 2, an die geschweißt werden soll, wird die Strahlungsquelle 6 zusammen mit der Detektoreinheit 7 dazu gebracht, sich in z-Richtung, d. h. in einer Richtung in rechten Winkeln zur Ebene der Wand 3, hin und her zu bewegen.
2.1 a) zeigt eine Kurve der Variation des Detektorsignals, das empfangen wird, wenn die Detektoreinheit 7 die Zwischenraumwand 2 passiert, wenn sich diese in rechten Winkeln zur Wand 3 befindet, wohingegen b) die Form desselben Signals anzeigt, wenn sich die Zwischenraumwand 2 nicht in rechten Winkeln befinden sollte. In 2.2 veranschaulichen die Kurven c₁, c₂ und c₃ drei Abtastvorgänge, nämlich wenn zunächst keine Zwischenraumwand 2 unterhalb des Detektionspunktes vorhanden ist, dann wenn der Strahl der Strahlung aus der Quelle 6 in die Zwischenraumwand 2 eintritt und schließlich, wenn der Strahl vollständig innerhalb der Wand liegt.
In 3 werden Beispiele von relevanten Messangaben von a–d gezeigt wie nachstehend angegeben:
0,4 < a < 1,2 1,5 < b < 8, 2 < c < 8 und 0,4 < d < 1,2 (alle Messungen in Millimeter).

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Position eines länglichen, relativ schmalen Gegenstands (2) relativ zur Oberfläche eines absperrenden, vorzugsweise plattenähnlichen Körpers (3) vor dem Gegenstand und der in einem Winkel zu diesem ausgerichtet ist, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere ionisierender Strahlung zur Führung der Bewegung einer dazugehörigen Bearbeitungsausrüstung, insbesondere für das Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, – dass von der Seite des Körpers (3), entfernt vom Gegenstand (2) mindestens ein präzise gebündelter Strahl der Strahlung schräg in Richtung des Gegenstands gerichtet ist, unter Bewegung ungefähr in Längsrichtung des Gegenstands (2) und unter gleichzeitiger schwingender oder abtastender Bewegung in rechten Winkeln dazu, – dass Strahlung, die vom Gegenstand rückgestreut wird, auf derselben Seite des Körpers gesammelt und veranlasst wird, ein Signal zu bilden, das mit im Speicher gespeicherten vorbestimmten Vorzugssignalen verglichen wird, um so die gewünschte richtige Position des Gegenstands (2) relativ zum Körper (3) zu erreichen, und – dass das Ergebnis eines solchen Vergleichs zur Führung der Bewegung des Strahls der Strahlung entlang des Gegenstandes und somit auch zur Bewegung der dazugehörigen Ausrüstung verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die rückgestreute Strahlung gebündelt ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2 zum Bestimmen der Position eines länglichen und relativ schmalen Gegenstands (2) relativ zur Oberfläche eines absperrenden und vorzugsweise plattenähnlichen Körpers (3) vor dem Gegenstand und der bei Verwendung in einem Winkel zu diesem ausgerichtet ist, und zur Führung einer bearbeitenden Ausrüstung entlang des Gegenstands, einschließlich einer Strahlungsquelle (6) für die elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise ionisierende Strahlung, und eines Detektors (7), dadurch gekennzeichnet, – dass die Strahlungsquelle (6) und der Detektor (7) derart angeordnet sind, dass sie auf der Seite des plattenähnlichen Körpers (3) eingesetzt werden können, die vom Gegenstand (2) abgewendet ist; – dass die Strahlungsquelle (6) derart angeordnet ist, dass sie im Betrieb die Strahlung in Richtung des Gegenstands richtet; – dass der Detektor (7) derart angepasst ist, dass er Strahlung, die vom Gegenstand rückgestreut wird, empfängt und daraus ein Signal bildet; – dass das Gerät weiterhin eine elektronische Verarbeitungseinheit (10) umfasst, einschließlich einer Komparatoreinrichtung und einer Speichereinrichtung, wobei die Komparatoreinrichtung angepasst ist, dass sie das Signal mit vorbestimmten Vorzugssignalen vergleicht, um so die gewünschte richtige Position des Gegenstands relativ zum Körper (3) zu erreichen, die in der Speichereinrichtung gespeichert sind, zur Führung der Bewegung des Strahls der Strahlung entlang des Gegenstands (2) und somit auch der Bewegung der dazugehörigen Ausrüstung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Kollimator auch für die rückgestreute Strahlung aufweist.