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Das
Gebiet dieser Erfindung ist die metrologische Kontrolle und sie
betrifft ein Schattenaufnahmeverfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die
zum Verbinden von Teilen wie zum Beispiel endseitig zu verbindenden
Rohren benutzt werden können.
Selbstverständlich
sind andere Anwendungen möglich.
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Die
unternommenen Kontrollen können
einer mechanischen Bearbeitung vorausgehen und dabei den Zweck haben,
die Positionen der beobachteten Teile zu überprüfen, oder während der Arbeit durchgeführt werden,
um die richtige Position des Werkzeugs und die Qualität der Arbeit
zu überprüfen, zum Beispiel
aufgrund des Aussehens einer Schweißnaht.
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Eine
bekannte Technik zur metrologischen Kontrolle einer Oberfläche ohne
materiellen Kontakt mit dieser besteht darin, einen flachen Laserstrahl auf
die Oberfläche
zu senden und die Position der Schnittlinie aufgrund derjenigen
zu messen, die man in dem Bild einer Kamera empfängt. Dieses weit verbreitete
Verfahren unterliegt jedoch einigen Einschränkungen, insbesondere bei den
Schweißverfahren,
wo das Schmelzbad ein starkes Licht erzeugt, welches das des Lasers
undeutlich macht. Es treten auch noch Schwierigkeiten beim Messen
hohler Flächen
auf – wegen
Reflexen zwischen den Wänden und
Dichteschwankungen von reflektierten Strahlen.
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Eine
andere Technik besteht darin, auf eine eigenständige Beleuchtung der zu kontrollierenden Szene
zu verzichten und das durch das Schmelzbad erzeugte Licht zu benutzen,
um das Bild der Szene zu erkennen. Sie ist selbstverständlich auf
die Schweißverfahren
begrenzt. Die Qualität
der Resultate hängt
von der Art der Teile und den Parametern des Verfahrens ab, die
auch relativ konstant bleiben müssen.
Die Wahl der Beobachtungsbedingungen für gute Resultate ist oft schwierig
ja sogar unmöglich.
Bei diesen beiden bekannten Techniken ist der Nachteil das zu starke
Licht des Schmelzbads aber vor allem des Plasmas (oder der Flamme),
induziert durch das Verfahren, oder auch erzeugt durch die Werkzeuge,
die durch die Wärmequelle
auf eine hohe Temperatur gebracht werden, zum Beispiel die Elektrodenspitze
beim Schweißverfahren
des Typs TIG (Wolfram-Inertgas), das Ende des Schmelzdrahts oder
des Stabs bei den Verfahren des Typs MIG (Metall-Inertgas), des Typs MAG (Metall-Aktivgas)
oder mit umhüllter
Elektrode sowie die rotglühenden
Keramikdüsen
zur Zuführung
von Schutzgas.
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Die
Erfindung gehört
zu einer anderen Technik, Schattenaufnahmetechnik genannt, bei der
eine eigenständige
Beleuchtung der kontrollierten Szene geliefert wird und wo das Relief
der beobachteten Szene von den Schatten abgeleitet wird, die in
dem durch die Kamera aufgenommenen Bild durch das autonome Licht
erzeugt werden. Das Licht wird dann in eine Richtung projiziert,
die die zu kontrollierende Oberfläche im Wesentlichen tangiert.
Diese Technik kann zur Beobachtung von opaken Gegenständen benutzt
werden, die von einer stark leuchtenden Quelle wie dem Lichtbogenplasma
umgeben sind, das die Detektoren blendet und eine direkte Beobachtung
ausschließt.
Das Verfahren ermöglicht
im Falle von Auftrags- und Trennschweißverfahren insbesondere das
Erkennen der Formen und der Positionen der Teile an ihrer Verbindungsstelle,
der Position des Werkzeugs, des Aussehens der Schweißnaht und
insbesondere der Menge des deponierten Materials, der Benetzungsqualität, der Gleichmäßigkeit und
der Charakteristika des Materialdeponierens (Seitenposition, Penetrationswinkel,
Dimension und Frequenz der Tropfen, usw.). Korrekturen des Verfahrens
können
vorgenommen werden, sobald die Fehler festgestellt worden sind.
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Die
Grundlagen der Schattenaufnahmetechnik werden beschrieben in einem
Artikel von Allemand et al. in "Welding
Journal" von Januar
1985 mit dem Titel "A
method of filming metal transfer in welding arcs".
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JP 10 288588 A beschreibt
eine Vorrichtung zur Inspektion von Schweißungen mit einem Trägerorgan,
einem Lichtsender, einem Empfänger
des Lichts des Senders, einem Arm, an dessen beiden entgegengesetzten
Enden der Sender und der Empfänger
befestigt sind, und mit einem einfachen Gelenk, mittels dem der
Arm auf bzw. an den Träger montiert
ist, wobei das Gelenk eine Drehachse aufweist, die senkrecht ist
zu einem Hauptweg des Lichts zwischen dem Sender und dem Empfänger.
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Ein
Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Schattenaufnahmevorrichtung
zu konzipieren, die mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle
arbeitet, etwa einer Elektrolumineszenzdiode, und die unter besonderen
Montagebedingungen einsetzbar ist, insbesondere zum Erfassen ausgeprägter Hohlreliefs,
zum Beispiel unter den Bedingungen des Schweißens in einer Schweißfase.
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Eine
Grundform der Kontrollvorrichtung umfasst einen Träger, eine
Lichtquelle, einen Empfänger des
Lichts der Quelle und einen Arm, an dessen beiden entgegengesetzten
Enden die Quelle und der Empfänger
befestigt sind, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie auch
noch ein regulierbares Doppelgelenk umfasst, mit dem der Arm an
den Träger
montiert ist, wobei das Doppelgelenk zwei Drehachsen umfasst, die
im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, und einen Hauptweg des
Lichts zwischen der Quelle und dem Empfänger. Wie man sehen wird, eignet
sich diese Anordnung für
praktische Kontrollen von Relief-Oberflächen.
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Ein
Tragorgan eines Werkzeugs, das eine durch die Vorrichtung kontrollierte
Arbeit ausführt, kann
auf den Träger
montiert werden. Das Werkzeug begleitet dann die Kontrollvorrichtung,
was bei vielen Verfahren günstig
ist.
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Der
Arm kann zwischen seinen Enden so gekrümmt sein, dass er die zu beobachtende
Szene freigibt, und die Quelle und der Empfänger können mit Winkelreflexionseinrichtungen
für das
Licht ausgestattet sein, die parallel zueinander und senkrecht zu
der Hauptrichtung des Lichts angeordnet sind, was den Platzbedarf
der Vorrichtung reduziert. Eine weitere Verbesserung der Vorrichtung
besteht darin, dass das benutzte Licht monochromatisch ist und der Empfänger einen
Filter oder Bandpass umfasst, der durchlässig ist für das Licht und undurchlässig für andere
Lichtwellenlängen,
und eine Konvergenzlinse umfasst sowie eine Lochblende, die in einem
durch Linse erzeugten Brennpunkt des Lichts platziert ist. Ein Bandpass
und ein Raumfilter sorgen gemeinsam dafür, dass der Einfluss des zum
Beispiel durch das Schmelzbad erzeugten Umgebungslichts gelöscht wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontrolle einer
Szene durch die obige Vorrichtung. Es besteht darin, die Vorrichtung
so anzuordnen, dass der Hauptweg des Lichts die zu kontrollierende
Szene tangiert, und darin, die Orientierung bzw. Ausrichtung des
Arms durch Regulierungen des Doppelgelenks zu justieren. Die Erfassung
der Reliefs wird nämlich
durch eine schlechte Ausrichtung der Schattenaufnahmevorrichtung
verfälscht.
Die Erfindung eignet sich für
leichte Korrekturen dieser Ausrichtung nach einfachen Kriterien,
für die
weiter unten Beispiele geliefert werden.
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Eine
wichtige Anwendung betrifft die kreisförmigen Verbindungen – insbesondere
mit Relief – von fluchtenden
Rohren, wobei die Rohre parallel zu der ersten Drehachse ausgerichtet
sind. Häufig
drehen sich die Rohre vor der Vorrichtung und der Arm führt eine
oszillierende Rotation zumindest um die erste Drehachse aus, um
dem Boden des Reliefs gut zu folgen. Aber es kann sich auch die
Vorrichtung um feststehende bzw. ortsfeste Rohre drehen.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, nämlich:
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die 1,
die eine Hauptansicht der Vorrichtung ist;
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die 2,
die eine detaillierte Darstellung des optischen Systems ist;
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die 3,
die eine Realisierungsvariante ist;
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die 4 und
die 5 veranschaulichen Messanwendungen mittels der
Vorrichtung.
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Die
in der 1 dargestellte Vorrichtung ist zur Kontrolle der
kreisförmigen
Verbindung 1 der beiden stirnseitig zu verbindenden Rohre 2 und 3 bestimmt.
Die Verbindung 1 wird durch ein Werkzeug 4 geschweißt, das
irgendein Schweißverfahren
anwendet. Die Kontrollvorrichtung umfasst einen Lichtsender 5 und
einen Empfänger 6 dieses
Lichts, die entsprechend einem Hauptweg 7 dieses Lichts
ausgerichtet sind, der die beiden Rohre 2 und 3 im
Wesentlichen tangiert und den Bereich der Verbindung 1 beleuchtet,
in dem das Werkzeug 4 arbeitet, und die an den Enden eines
gekrümmten
Arms 8 befestigt sind, der über den Rohren 2 und 3 verläuft. Der
Arm 8 wird von einem Tragorgan 9 getragen, das
an einer nicht im Detail dargestellten Schweißanlage 10 befestigt ist
und die auch nicht näher
dargestellte Einrichtungen umfasst, die die aneinanderzufügenden Rohre 2 und 3 so
halten, dass sie sich um ihre Achse 11 drehen können. Das
Werkzeug 4 ist mit dem Tragorgan 9 durch einen
steifen Verbindungsträger 12 verbunden
und der Arm 8 ist mit dem Tragorgan 9 durch ein Doppelgelenk
verbunden, das gebildet wird durch ein erstes Gelenk 13 mit
der Achse y, parallel zur Achse 11 der Rohre 2 und 3,
und ein zweites Gelenk 14, dessen Achse z auf die Verbindung 1 ausgerichtet
ist. Diese beiden Gelenkachsen sind alle beide senkrecht oder im
Wesentlichen senkrecht zu der Richtung x des Hauptwegs des Lichts 7.
Eine Drehung um das erste Gelenk 13 variiert also die Neigung
des Hauptwegs 7 auf der Verbindung 1, und eine
Drehung um das zweite Gelenk 14 variiert den Winkel, den
der Hauptweg 7 mit der Verbindungsebene 1 bildet.
Die Bewegungen der Gelenke 13 und 14 werden durch
Motoren 15 und 16 gesteuert, die auch dazu dienen,
sie in gewünschten
Positionen zu immobilisieren. Die Steuerung kann durch einen Beobachter erfolgen
oder automatisch sein, zum Beispiel mittels Abtastungen.
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Anhand
der 2 wird nun das Lichtsende- und -empfangssystem
genauer beschrieben. Dieses wird durch einen Laser 17 erzeugt
und in eine optische Faser 19 eingekoppelt mittels eines
Faserkopplers 18. Das dem Laser 17 entgegengesetzte
Ende der Faser 19 ist an dem Ende des Arms 8 befestigt, während der
Rest der Faser 19 und der Laser 17 ortsfest sein
können.
Das Licht verlässt
die optische Faser 19 als leicht divergierender Strahl
und wird durch ein Paar sukzessiver Umlenkspiegel 20 und 21 auf
seinen Hauptweg 7 gelenkt, wo der Strahl eine Expansionslinse 22,
die ihn verbreitert und parallel macht, und ein Schutzglas 23 durchquert.
Nachdem es einen Teil der Verbindung 1 und das Ende des Werkzeugs 4 beleuchtet
hat, durchquert das Licht ein zweites Schutzglas 24, eine
Konvergenzlinse 25, ein zweites Paar Umlenkspiegel 26, 27,
eine Lochblende 28, die sich in Höhe eines durch die Linse 25 erzeugten
Brennpunkts des Strahls befindet, hinter dem Brennpunkt eine weitere
Linse 29, die den Strahl wieder parallel macht, einen Interferenzfilter
oder einen Bandpass 30 und einen Detektor 31,
etwa eine Observationskamera. Alle diese Einrichtungen ab dem zweiten
Schutzglas 24 gehören
zu dem Empfänger 6, während die
ersten bzw. vorangehenden Einrichtungen zu dem Sender 5 gehören. Es
können
also, wie man beim Sender 5 gesehen hat, bestimmte Einrichtungen
des Empfängers 6 ortsfest
sein, indem man eine Kopplung mittels optischer Faser benutzt. Die Umlenkspiegel 20, 21 und 26, 27 sind
nicht unverzichtbar, ermöglichen
aber, auf eine Ausrichtung des Senders 5 auf den Empfänger 6 zu
verzichten, also Platz zu sparen, indem man sie entsprechend den Rohren 2 und 3 ausrichtet,
also parallel zu der Achse 11, wie dargestellt in der 2,
oder auch in vertikaler Richtung, wie dargestellt in der 3.
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Eine
der Eigenschaften dieses optischen Systems besteht darin, dass der
Querschnitt des durch den Laser 17 erzeugten Lichtstrahls,
bis er den Hauptweg 7 erreicht, auf einen relativ großen Querschnitt
ausgedehnt, so dass er die gesamte zu kontrollierende Szene beleuchtet,
und dann bis zu dem Brennpunkt in Höhe der Lochblende 28 wieder
reduziert, deren Funktion die eines Raumfilters ist, der den größten Teil
des Umgebungslichts sperrt, so dass es die Wahrnehmung der durch
das Laserlicht verursachten Schatten nicht stört. Der Interferenzfilter oder
Bandpass 30 sorgt dafür,
dass nochmals ein Teil des Umgebungslichts unterdrückt wird
und nur Lichtstrahlen mit der durch den Laser 17 emittierten Wellenlänge zur
Observation gelangen. Durch diese Filter erhält man also ein geeignetes
Bild von der zu kontrollierenden Szene, sogar bei Vorhandensein
eines starken Umgebungslichts, erzeugt durch ein Schmelzbad oder
durch ein Plasma oder die durch die zum Schweißen benutzten Wärmequellen
auf eine hohe Temperatur gebrachten Werkzeuge.
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Nun
wird ein Kontrollverfahren beschrieben.
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Die 4 stellt
ein für
die hier vorgesehene Anwendung typisches Verbindungsprofil dar.
Es wird gebildet durch die horizontalen Mantellinien 32 und 33 der
Rohre 2 und 3, einer horizontalen Mantellinie 34 der
Verbindung 1 und schrägen
Mantellinien 35 und 36 von konischen Fasen. Parameter,
die man eventuell messen will, sind die vertikale Distanz zwischen
den horizontalen Mantellinien 32, 33 und 34 oder
die horizontale Distanz zwischen den Mantellinien 35 und 36 in
Abhängigkeit
von der Höhe,
das heißt der
Tiefe oder der Breite der Verbindung 1. Die Profilerkennung
hängt sehr
stark von der Ausrichtung der Kontrollvorrichtung und vor allem
von dem optischen System ab. Es ist so, dass die Schnittlinien der
konischen Fasen mit zur Achse der Rohre parallelen Ebenen Hyperbeln 39 sind.
Wie das Schema der 4 zeigt, erscheint der Abstand
L zwischen den Fasen unterschiedlich in Abhängigkeit von der Ausrichtung der
Observationsstrahlen, wobei der größte Abstand L0 (dem
realen Abstand entsprechend, den man messen will) sich dann einstellt,
wenn die Observationsrichtung senkrecht ist zu Achse der Konusse.
Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, das System wenigstens periodisch
oszillierende Bewegungen um das zweite Gelenk 14 herum
ausführen
zu lassen, um die Beobachtungsrichtung neu zu justieren.
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Ebenso
ist es klar, dass die Tiefenbewertung der Verbindung 1 von
der Neigung der Beobachtungsrichtung abhängt. Speziell im Falle einer
Arbeit längs
einer kreisförmigen
Linie wie der Verbindung 1 ist es empfehlenswert, das optische
System regelmäßig eine
oszillierende Bewegung um das erste Gelenk 13 herum ausführen zu
lassen. Dies ist besonders im Falle der Herstellung einer Schweißnaht notwendig,
die in Bezug auf die ursprüngliche
Oberfläche
der Verbindung 1 vertieft ist, wie die 5 zeigt,
wo die obere Fläche
bzw. Oberfläche
der Schweißnaht
das Bezugszeichen 37 trägt.
Die Aufrechterhaltung eines Hauptwegs 7 des Lichts mit
einer konstanten Neigung ermöglicht
nur die Messung der aus dem Schmelzbad ragenden Kante 38 der Verbindung 1.
Periodische Neigungsänderungen, aus
denen ein neuer Hauptweg 7' resultiert,
ermöglichen
hingegen, nicht mehr die ursprüngliche
Verbindung 1 zu observieren, sondern die Schweißnaht 37 selbst,
und folglich eine nützlichere
Auskunft über den
Zustand der Schweißverbindung
zu erhalten.
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Der
Laser kann durch eine andere Lichtquelle ersetzt werden (insbesondere
des Typs LED oder Elektrolumineszenzelektrode). Der Vorteil des
Lasers besteht darin, dass seine Lichtenergie in einem begrenzten
Spektralband konzentriert ist, was ermöglicht, einen schmalen Bandpassfilter
zu verwenden, der das Laserlicht durchlässt und die Störstrahlung abschwächt. Eine
Leistung in der Größenordnung von
einigen mW ist dann ausreichend. Man wählt außerdem eine Emissionswellenlänge, die
vom Plasma durchgelassen wird. Bei einer Quelle, die durch ein breiteres
Emissionsspektrum gekennzeichnet ist, ist ein höhere Lichtleistung notwendig,
um dasselbe Kontrastniveau zu erreichen. Allerdings reduziert eine
schwache Leistung die Belastung oder Gefährdung der Augen eines unfreiwilligen
Betrachters.