DE69127121T3 - Vorrichtung und Verfahren zum automatischen Ausrichten einer Schweissvorrichtung zum Stumpfschweissen von Werkstücken - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausrichten einer Schweißvorrichtung entlang eines Spaltes zwischen gegenüberliegenden Rändern von mindestens zwei stoßzuschweißenden Werkstücken und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatischen Ausrichten einer Schweißvorrichtung mit der Mitte eines Spaltes zwischen gegenüberliegenden Rändern von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken während der Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung und den Werkstücken, wobei die Vorrichtung ein Abbildungssystem beinhaltet, das vom Schweißpunkt und von den auf diesen wirkenden Effekten des Schweißens wirksam isoliert ist.
STAND DER TECHNIK
• Bei einer großen Anzahl von Herstellungs- und Stahlverarbeitungsanwendungen ist es oft wünschenswert oder notwendig, Bleche oder Streifen aus Stahl oder ähnlichen Materialien wie Legierungen oder ähnliches etwa durch Schweißen zusammenzufügen. Dies kann auch das Zusammenfügen von Blechen aus verschiedenem Material oder Stärke beinhalten, um einen Teil nach Kundenwunsch oder "maßgeschneidert" herzustellen. Ein solches Zusammenfügen kann durch eine konventionelle Saumschweißausrüstung, eine Bogenschweißvorrichtung, einen Hochenergie-Laser, eine Elektronenstrahl- Schweißvorrichtung oder eine Plasmabogen-Schweißvorrichtung erzielt werden.
• Da die Qualität der Saumschweißung zumindest gleichwertig wie das Basismetall hinsichtlich mechanischer und mikrostruktureller Eigenschaften sein muß, ist es wesentlich, die Qualität der Schweißung in vielen modernen, fortschrittlichen technologischen Anwendungen zu optimieren. Insbesondere kann die Qualität der Schweißung die Gesamt-Mikrostruktur, die Mikrohärte, die Zugeigenschaften, die Verformbarkeit, die Ermüdungsstärke und die Bruchfestigkeit beeinflussen, welche alle den Gesamtwert des Zusammenfügungsprozesses und die Eigenschaften der resultierenden, zusammengefügten Stücke direkt beeinflussen. Dagegen ist die Fähigkeit der Schweißvorrichtung, den Spalt zwischen zwei aneinanderstoßenden zusammenzufügenden Blechen zu verfolgen, kritisch, um eine optimale Schweißung, insbesondere in Hochgeschwindigkeitsschweißanwendungen unter Verwendung von eng fokussierten Energiestrahlen zu gewährleisten, bei denen der Auftragungspunkt der Schweißung kontinuierlich in enger Ausrichtung mit der Mitte des Spaltes aufrechterhalten wird.
• Ein einheitliches Schweißprofil ist weitestgehend nicht nur durch die Registrierung der gegenüberliegenden Endränder der zusammenzufügenden Werkstücke bestimmt, sondern durch die Fähigkeit des Verfolgungssystems, eine abweichende Positionierung des Spaltes zwischen zwei aneinanderstoßenden Werkstücken in einem translatorischen Sinne zu kompensieren. Demgemäß sind wesentliche Anstrengungen unternommen worden, um praktische und verläßliche Saumverfolgungssysteme zur Verwendung in solchen Anwendungen zu entwickeln.
• Eine Lösung zum Verfolgen des zu schweißenden Spaltes ist die Verwendung von Kontaktsonden. Solche Systeme verwenden im allgemeinen die physikalischen Eigenschaften der Werkstücke und/oder des an diese angrenzenden Spaltes als eine mechanische Führung für einen Gleit- oder Rollmechanismus, mit dem der Schweißkopf verbunden ist. Ein Verfolgungssystem dieser Art bewegt sich dem Schweißkopf voran oder ist seitlich zu diesem beabstandet und besetzt ein beträchtliches physikalisches Volumen in nächster Entfernung zum Schweißpunkt oder zur Schweißzone. Der Aufbau der Kontaktsysteme kann von einfachen mechanischen Konstruktionen, in welchen die Vorwärtsbewegung durch die Werkstücke eine ausrichtende Querkraft auf den Schweißkopf-Manipulator bewirkt, bis zu aufwendigen computergesteuerten elektromechanischen Systemen reichen, in welchen Kräfte auf die Sonde elektronisch gemessen und zum Aktivieren von Antriebsmotoren verwendet werden. Diese Systeme verlieren jedoch oftmals den Kontakt mit der Nahtstelle, wodurch der Betrieb der Verfolgungsvorrichtung unterbrochen und die Schweißqualität gefährdet werden kann. Im allgemeinen sind solche Systeme auf kleine Schweißgeschwindigkeiten und spezielle Anwendungen (z. B. wo vorbestimmte oder gesteuerte physikalische Eigenschaften der zusammenzufügenden Werkstücke und ihres benachbarten Spaltes existieren) beschränkt und Schwankungen der Empfindlichkeit genauso wie Schaden durch Hitze, Abnützung oder andere Mißgebrauchs ausgesetzt.
• Demgemäß ist die Verwendung von verschiedenen, nichtkontaktierenden Sonden versucht worden, um die vorstehenden Begrenzungen zu beseitigen, indem mehr Information über die Schweißstelle (insbesondere deren Randbedingungen) zur Verfügung gestellt wurde. Während ein Kontaktierungssondensystem nur eine vorbestimmte Anzahl (z. B. einen oder zwei) Punkte entlang eines Spaltes fühlt, kann ein nichtkontaktierender Sensor in der Lage sein, wiederholt den zu schweißenden Spalt abzutasten, um eine verwendbare "Karte" der Spaltgeometrie anzufertigen. Viele nichtkontaktierende Fühlermedien sind untersucht worden, inklusive solcher die Magnetismus und Elektromagnetismus (Reluktanz und Wirbelstromtypen), Hydraulik und Pneumatik, Schallausbreitung sowie sichtbare und Infrarot-Abbildung anwenden. Die Verwendung des sichtbaren Abbildens und das Bogenabtasten haben auf diesem Gebiet erst seit kurzer Zeit ernsthafte Beachtung gefunden.
• Das Bogenabtasten, wie im US-Patent 4 806 732 von Abshire et al. beispielhaft gezeigt, basiert auf der Gesetzmäßigkeit, daß die elektrischen Eigenschaften des Bogens vom Abstand zwischen dem Schweißkopf und dem Werkstück abhängen. Daher erzeugt die Hin- und Herbewegung des Schweißkopfes über dem Spalt eine sich ändernde elektrische Antwortfunktion (Bogenspannung und/oder -strom), die zur Erkennung von Spaltdetails elektronisch analysiert werden kann. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil kein Sensor mit großen Abmessungen den Schweißkopf behindert und das Fühlen auf dem Schweißpunkt durchgeführt wird. Andererseits muß der Schweißkopf oder der Bogen in Bogenabtastsystemen quer zum Spalt oder zur Naht oszillieren und kleine elektrische Änderungen sind schwierig zu detektieren und von inhärenten Fluktuations- Bogeneigenschaften schwer zu unterscheiden. Zusätzlich kann die Naht zum Vorpositionieren des Brenners vor dem Bogenzünden nicht getastet werden (da die elektrischen Eigenschaften des Bogens erst festgestellt werden können, wenn der Schweißkopf zwischen den Werkstücken ist) und die räumliche Auflösung des Systems ist ebenfalls begrenzt.
• Visuelle Abbildungssysteme sind bereits in verschiedenen Verfolgungssystemen verwendet worden. Ein solches System wird im allgemeinen als ein nicht-strukturiertes Lichtsystem bezeichnet, in welchem ein Abbildungssystem die Schweißfläche (gewöhnlich die Nahtstelle vor dem Punkt des Schweißens) unter allgemeiner Beleuchtung, wie jene die durch den Schweißbogen oder einer Hilfs-Hochintensitäts-Lichtquelle bereitgestellt ist, betrachtet wird. Die Abbildung wird entsprechend den verschiedenen, sich ändernden Beleuchtungsstärken für die zur Herstellung der Naht repräsentativen Merkmale betrachtet. Diese Art von visuellem Abbildungssystem ist besonders zum Schweißen von Stoßverbindungen erfolgreich gewesen, bei welchen ein unterscheidbarer Verbindungssabstand zwischen flachen aneinanderstoßenden Werkstücken besteht. Obwohl solche Systeme nichtkontaktierend sind, ist das Abbildungssystem im allgemeinen auf eine Fläche vor (oder vorauseilend) dem Schweißpunkt gerichtet und kann daher als in die Schweißfläche eindringend und sehr gerichtet betrachtet werden.
• Visuelle Abbildung ist auch in Verfolgungssystemen verwendet worden, wie etwa jenes in der EP-A-0 116 798 geoffenbarten, das strukturierte Lichtsysteme mit einem besonderen Muster von Lichtprojektionen vorsieht. In diesen Systemen kann das Licht ein fokussierter Strahl oder eine Ebene oder vielfache Ebenen aus Licht sein, das in einem Winkel zum Abbildungssystem projiziert wird. Die Erkennung der verschiedenen Lichtwellenlängen ermöglicht das Fühlen eines reflektierten Lichtmusters vom Werkstück, das wiederum die Durchführung einer optischen Triangulationsberechnung zum Lokalisieren eines oder mehrerer Punkte auf dem Werkstück gestattet. Dies ermöglicht die Analyse verschiedener Auflösungsbereiche der Konturen der Nahtstelle durch das Projektions- und Abbildungssystem. Die Lichtprojektionsvorrichtung ist gewöhnlich eine Hochintensitäts- Stroboskoplampe oder ein Laser mit einer Intensität oder einer bestimmten Wellenlänge, die sogar in der Anwesenheit des Bogens wahrgenommen werden kann. Das strukturierte Lichtsystem tastet ebenso eine Fläche vor der Schweißzone ab und kann auch als in die Schweißzone eindringend und als gerichtet wenn auch nichtkontaktierend betrachtet werden. Solche Systeme sind sehr komplex, weil sie zusätzlichen Computerspeicherplatz und Software benötigen, um die Algorithmen für die Verwendung der Triangulationstechniken durchzuführen.
• Ein Beispiel eines vorstehend beschriebenen strukturierten Lichtsystems ist der Seampilot Optical Profile Sensor System, welcher durch die Oldelft Corporation of America hergestellt wird. Neben dem Anwenden von Triangulationstechniken vergleicht das Seampilot-System die Kameraaufzeichnungen des überwachten, reflektierten Lichtes mit programmierten Schablonen oder vorbestimmten ustern von Reflexionen, die in einem Computer gespeichert sind, wobei Korrekturen in der Positionierung der Schweißvorrichtung vorgenommen werden, um die Kameraaufzeichnungen, welche nicht mit den gespeicherten Schablonenmustem übereinstimmen, zu kompensieren. Daher führt das Schweißpilotsystem die Justierung der Schweißvorrichtungsposition nur als Reaktion auf Vergleiche mit vorbestimmten Schablonenmustem aus (manchmal als eine geschlossene Schleifenkonstruktion bezeichnet). Als solches ist, zusätzlich zu den anderen Abweichungen des vorstehend beschriebenen Systems, die Genauigkeit dieses Systems auf die Genauigkeit der zum Vergleich verfügbaren, programmierten Schablone oder Schablonen begrenzt und die Anpassung des Systems an neue Anwendungen ist daher mühevoll.
• Ein anderes System, das in der Industrie in Betracht gezogen worden ist, beinhaltet ein visuelles System, das koaxial mit der Schweißzone angeordnet ist, wie in dem Artikel von R. W. Richardson, D. A. Gutow, R.: a: Andersen an D. F. Fausen mit dem Titel "Coaxial Arc Weld Pool Viewing For Process Monitoring Control." (Welding Journal. März 1984, Seiten 43 bis 50) beschrieben ist. Insbesondere ist das Abbildungssystem dieser Konstruktion im Schweißbrenner selbst integriert worden. Diese Anordnung ist daher unterschiedlich zu - einem Abbildungssystem, das außerhalb des Schweißbrenners angeordnet ist, welches im allgemeinen separat von und in einem schrägen Winkel relativ zur Schweißbrennerachse befestigt ist. Jedoch sind wie bei allen visuellen System des Standes der Technik die Abbildungs- und Überwachungsmöglichkeiten dieses koaxialen Systems durch die mangelnde Beherrschbarkeit des auftretenden Rauches, der Spritzer und der Schweißrestteilchen unmittelbar benachbart zur Schweißzone beeinträchtigt.
• Die DE-A-34 38 994 offenbart ein Abbildungstastsystem, das die Triangulation zur Bestimmung von dreidimensionalen Eigenschaften von zwei Werkstücken verwendet. Ein Faseroptik-Illuminator wird eingesetzt.
• Die US-A-4 827 099 offenbart ein Gerät zum Schweißen der Naht eines Stahlrohres. Ein Abbildungssystem verwendet eine Lichtquelle, die unter einem Winkel zur Kamera angeordnet ist. Ein Schutzgasstrahl wird ebenfalls verwendet.
OFFENBARUNG DER ERFiNDUNG
• Es ist Ziel der gegenständlichen Erfindung, eine Vorrichtung zur Ausrichtung einer Schweißvorrichtung entlang der Mitte eines durch gegenüberliegende Ränder definierten Spaltes von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken zu schaffen, wobei die Vorrichtung ein visuelles Abbildungssystem verwendet, welches die Probleme in bisher in der Industrie verfügbaren, visuellen Systemen und in Ausrichtvorrichtungen beseitigt.
• Es ist ein weiteres Ziel der gegenständlichen Erfindung, eine Vorrichtung zum Ausrichten einer Schweißvorrichtung entlang der Mitte eines durch gegenüberliegende Ränder definierten Spaltes von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken zu schaffen, die Hochgeschwindigkeitsschweißen ermöglicht, sodaß die Schweißkosten pro Stück minimiert werden können.
• Es ist daher ein weiteres Ziel der gegenständlichen Erfindung, die Schweißvorrichtung und/oder die Werkstücke in einem translatorischen Sinn zu justieren, um das Ausrichten der Schweißvorrichtung entlang der Mitte eines durch gegenüberliegende Ränder definierten Spaltes der Werkstücke aufrecht zu erhalten.
• Es ist ein weiteres Ziel der gegenständlichen Erfindung eine Vorrichtung zum Ausrichten einer Schweißvorrichtung entlang der Mitte eines durch gegenüberliegende Ränder von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken definierten Spaltes zu schaffen, das einfach, verläßlich, kostengünstig und effizient ist.
• Gemäß einer Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung liegt eine Vorrichtung zum Ausrichten einer Schweißvorrichtung entlang der Mitte eines durch gegenüberliegende Ränder definierten Spaltes von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken vor, wobei die Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung und dem Werkstückspalt entlang einer Längsachse im wesentlichen parallel zum Spalt auftritt, sodaß die nahen Ränder der Werkstücke entlang des Spaltes während der Relativbewegung durch Formen einer Schweißnaht zusammengefügt werden können. Wie in Anspruch 1 definiert, beinhaltet die Vorrichtung ein Abbildungssystem zur Bestimmung der Lage der Spaltmitte relativ zu einem vorbestimmten zweidimensionalen Koordinatensystem durch Überwachen eines Bildes einer Sichtfläche entlang des Spaltes stromabwärts der Schweißzone. Diese Abbildung wird dann in ein Ausgangssignal gewandelt, das mit einem Rückkopplungs-Steuerungssystem wechselwirkt, um translatorische Justierungen in der Positionierung der Schweißvorrichtung und/oder des Werkstückspaltes zu bewirken, so daß die Schweißvorrichtung und die Spaltmitte ständig richtig ausgerichtet sind. Weiters ist die Sichtfläche effektiv von der Schweißzone isoliert durch Verwendung eines Mittels wie eines Inertgas-Stromes, der der Schweißzone in Form eines vektoriellen Strahls zugerührt wird, um Rauch, Spritzer und andere Schweißrestteilchen von der Sichtfläche abzuwenden und um das durch die Schweißfahne während des Schweißens hervorgerufene Blenden zu eliminieren.
• Eine weitere Ausführungsform eines Gerätes gemäß der Erfindung ist in Anspruch 10 definiert. Ein Verfahren zur Ausrichtung einer Schweißvorrichtung ist in Anspruch 24 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Während die Beschreibung mit Patentansprüchen endet, die insbesondere die gegenständliche Erfindung beschreiben und deutlich beanspruchen, ist zu ihrer besseren Verdeutlichung die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen angegeben, wobei in
• Fig. 1 eine teilweise herausgebrochene, vereinfachte Ansicht einer automatischen Ausrichtvorrichtung in Verbindung mit einer Laserschweißvörrichtung dargestellt ist;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der automatischen Ausrichtvorrichtung von Fig. 1 in Verbindung mit einer Laserschweißanordnung dargestellt ist;
• Fig. 3 eine teilweise Rückansicht eines in Fig. 2 dargestellten Krangerüsts, wobei die Rückabdeckung des Krangerüsts, des visuellen Systems und der Laser- Fokussierungsoptik zur besseren Klarheit entfernt worden sind;
• Fig. 4 eine Querschnitts-Ansicht von Fig. 3 entlang der Linie 4-4 ist;
• Fig. 5 eine teilweise Seitenansicht der automatischen Ausrichtvorrichtung wie in Fig. 2 dargestellt ist;
• Fig. 6 ein Graph ist, der das beispielhafte Ausgangssignal in analoger Form darstellt, das durch das Steuersystem einer automatischen Ausrichtvorrichtung der gegenständlichen Erfindung empfangen werden kann;
• Fig. 7 ein Graph ist, der das beispielhafte Ausgangssignal von Fig. 4 nach der Umwandlung in digitaler Form darstellt;
• Fig. 8 ein Blockdiagramm des Steuersystems für die automatische Ausrichtvorrichtung der gegenständlichen Erfindung ist; und
• Fig. 9 eine teilweise perspektivische Ansicht der automatischen Ausrichtvorrichtung ist, in welcher der Spalt zwischen den Werkstücken hinterleuchtet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Die Ausrichtvorrichtung der gegenständlichen Erfindung wird in Verbindung mit einer Laserschweißanwendung erklärt, obwohl diese mit irgendeiner Art einer anderen passenden Schweißvorrichtung (wie etwa eine konventionelle Saumschweißausrüstung, eine Stoßschweißausrüstung, eine Bogenschweißvorrichtung, eine Elektronenstrahlschweißvorrichtung oder Plasma-Bogenschweißvorrichtungen) anwendbar ist, welche die Funktion des Zusammenfügens der gegenüberliegenden Ränder von zumindest zwei Werkstücken hat.
• Unter detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen übereinstimmende Nummern die gleichen Elemente innerhalb der Figuren bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Ausrichtvorrichtung 10, die gemäß der gegenständlichen Erfindung hergestellt ist und wie sie in einer Laserschweißanwendung verwendet wird. Fig. 2 stellt zusätzliche Details einer bevorzugten Anordnung der Ausrichtvomchtung 10 in Verbindung mit einer solchen Laserschweißvorrichtung dar. Wie in Fig. 2 abgebildet, umfaßt die Ausrichtvorrichtung 10 vorzugsweise einen Werktisch 15 mit einer darüber angeordneten Krangerüststruktur 18. Krangerüst 18 umfaßt, vorzugsweise wie dargestellt einen hohlen Querträger 22 sowie einen mechanischen Schlitten 23, der entlang dem Querträger 22 mittels einer Spindelschraubenanordnung (siehe Fig. 3 und 4) bewegbar angeordnet ist.
• Insbesondere ist der mechanische Schlitten 23 entlang dem Querträger 22 durch eine Vorrichtung zum Klemmen 24 auf Schienen 25 gerührt. Ein Motor 26 treibt eine Spindelschraube 27 mit Gewinde an, welche in ein entsprechendes Gewinde auf dem mechanischen Schlitten 23 eingreift und bewirkt eine lineare Bewegung des mechanischen Schlittens 23 während die Spindelschraube 27 rotiert. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß der reflektierende Spiegel 36 auf dem mechanischen Schlitten 23 positioniert ist, um die Ausrichtung mit dem reflektierenden Spiegel 29 unabhängig von der Bewegung des mechanischen Schlittens 23 jederzeit aufrechtzuerhalten. Natürlich kann irgendeine ähnliche Schlitten/Stützen-Schienenanordnung in Verbindung mit dem Schlitten 23 verwendet werden. Wie ersehen werden wird, können das Krangerüst 18 und der bewegliche Schlitten 23 auch so ausgeführt sein, daß sie eine transversale Bewegung einer Schweiß- oder Schneidvorrichtung entlang des Tisches 15 ermöglichen, dies ist aber nicht kritisch.
• Ein Laser 30 (z. B. ein Laser-Modell EFA 53, erhältlich von Coherent General, welches ein 2,5 Kilowatt Fast-axial-flow-Kohlenstoffdioxid-Laser ist) gibt vorzugsweise einen Hochleistungsstrahl 31 in Richtung zum reflektierenden Spiegel 28 ab, der so orientiert ist, daß er den Hochleistungsstrahl 31 nach oben auf einen zweiten reflektierenden Spiegel 29 und dann seitlich in einen hohlen Teil des Querträgers 22 reflektiert. Aus Sicherheitsgründen kann eine Leitung 33 zwischen dem reflektierenden Spiegel 29 und dem Querträger 22 vorgesehen sein, um den Strahl 31 zu umschließen.
• Ein Laser-Fokussierungsmechanismus beinhaltet eine Optik (allgemein mit 35 bezeichnet) und ist in Verbindung mit dem mechanischen Schlitten 23 vorgesehen und mit einem dritten reflektierenden Spiegel 36 fluchtend angeordnet, der angeordnet ist, um den Hochleistungsstrahl 31 zu empfangen und diesen in Richtung auf eine Schweißzone unterhalb umzulenken. Ein beispielhaftes integrales System für einen Laser-Fokussierungsmechanismus 35 ist erhältlich unter dem Modellnamen Accucutter System von Laser Mechanics, Inc. in Soutrifield, Michigan. Insbesondere beinhaltet der Laser-Fokussierungsmechanismus 35 eine Fokussierlinse 38, durch welche der Hochleistungsstrahl 31 nach unten auf den Werktisch 15 gerichtet ist. Wie am besten in Fig. 1 zu erkennen, ist die Fokussierlinse 38 durch eine Objektivfassung 40 gehalten, wobei zumindest ein Teil der Objektivfassung 40 vorzugsweise wassergekühlt ist, um ein Überhitzen der Fokussierlinse 38 während der Verwendung zu verhindern. Irgendeine Anzahl von verschiedenen Linsen mit unterschiedlichen Durchmessern und Brennweiten können passend verwendet werden, um gute Qualitäts- Laserschweißungen und/oder Schnitte zu erzeugen. Fokussierlinsen mit. Brennweiten von zehn Zoll (254 mm) und fünf Zoll (127 mm) sind erfolgreich in Tests der gegenständlichen Erfindung verwendet worden.
• Alternativ dazu ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar, daß der Laser- Fokussierungsmechanismus 35 durch eine achsenentfernte parabolische Spiegelreflektor- Einheit ersetzt werden kann. Eine solche Reflektoreinheit (z. B. das Modell 486-100-X Spiegelfokus-Einheit von Rofin Sinar Inc. in Plymouth, Michigan) kann verwendet werden, um einen Hochleistungs-Laserstrahl 31 auf die Schweißzone zu fokussieren.
• Es sei bemerkt, daß zwar die gegenständliche Erfindung als eine Ausrichtvorrichtung für Schweißanwendungen gezeigt und beschrieben ist, sie aber für Laserschneiden in Anwendungen, in denen ein Schneidweg auf einem Werkstück vormarkiert ist, adaptiert werden kann. Es ist bekannt, daß Laserschneiden und Laserschweißen mit einer einzigen Laservorrichtung durch einfaches passendes Einstellen des Hilfsgases und des Druckes ausgeführt werden kann. Darüberhinaus ist die gegenständliche Erfindung genauso auf alle Arten von Schweißanwendungen anpaßbar, sodaß eine Einschränkung auf Laser-Apparaturen nicht beabsichtigt ist.
• Wie aus Fig. 5 ersichtlich, beinhaltet der Laser-Fokussierungsmechanismus 35 vorzugsweise ein Fokussierlinsen-Gehäuse 41 mit Vorrichtungen (z. B. Gewinde) zum Befestigen einer koaxialen Düse 42 auf dessen unterstem Teil. Fokussierlinsen-Gehäuse 41 und/oder die Düse 42 können nach Belieben auch in diesen einen Durchlaß (nicht dargestellt) zum Einbringen eines Hilfsgases beinhalten. Am distalen Ende der Düse 42 kann auch eine Auslaßdüse 45 vorgesehen sein, um die Anwendung des Hilfsgases auf die Schweiß-/Schneidezone zu steuern und zu konzentrieren. Die Auslaßdüse 45 kann besonders für das Schweißen von dünnem Kalibriermaterial (z. B. weniger als 2,5 Millimeter dick) erwünscht sein, wobei ein Inertgas (z. B. Helium, Argon, etc.) verwendet und ein relativ niedriger Düsendruck eingestellt wird.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beinhaltet der Werktisch 15 in Fig. 1 vorzugsweise einen ersten Translationstisch 50, der auf diesem zur Hin- und Herbewegung entlang einer Querachse (z. B. y-Achse, wie mit dem Pfeil angedeutet) bewegbar ist. Ein zweiter Translationstisch 52 überdeckt vorzugsweise den ersten Translationstisch 50, um eine Hin- und Herbewegung in einer Längsrichtung normal zur Querachse y zu gestatten (z. B. entlang der Längsachse x). Diese Translationstische und ihre Bewegung werden nachstehend noch genauer behandelt werden.
• Erste und zweite Werkstücke 55 und 56 sind in Fig. 2 in im wesentlichen planarer Lage durch eine elektromagnetische Niederhaltvorrichtung 60 und Hilfs-Niederhaltmagneten 62 dargestellt, wie dies in der schwebenden Anmeldung mit dem Titel "Method And Apparatus for Automatically Aligning Proximal Edges of Sheets To Be Butt Welded" geschehen ist, die am selben Tag wie die gegenständliche Anmeldung im Namen von Gary L. Neiheisel, et al. angemeldet worden ist. Anschläge 63 sind zur vorläufigen Ausrichtung der Werkstücke 55 und 56 vorgesehen, wobei das Werkstück 56 zuerst auf der elektromagnetischen Niederhaltvorrichtung 60 und auf den Hilfs-Niederhaltmagneten 62 angeordnet wird, sodaß sie gegen die Anschläge 63 anstoßen.
• Danach wird das Werkstück 55 auf den Hilfs-Niederhaltmagneten 62 angeordnet, sodaß die gegenüberliegenden Kanten 65 und 66 der Werkstücke 55 und 56 im wesentlichen oberhalb der elektromagnetischen Niederhaltvorrichtung 60 anstoßen. Die elektromagnetische Niederhaltvorrichtung 60 wird dann aktiviert, um die gegenüberliegenden Kanten 65 und 66 weiter in eine aneinanderstoßende Lage zu bringen und die Werkstücke 55 und 56 in dieser Position zu halten.
• Die elektromagnetische Niederhaltvorrichtung 60, die Hilfs-Niederhaltmagneten 62 und die Anschläge 63 sind vorzugsweise benachbart zur oberen Oberfläche des zweiten Translationstisches 52 fest angebracht, sodaß die Position der unterstützten Werkstücke 55 und 56 durch Bewegung entweder des Tisches 50 oder des Tisches 52 korrigiert werden kann. Es sei bemerkt, daß zwar solche magnetischen Niederhaltvorrichtungen bevorzugt sind, um störende Teile, welche gewöhnlich aus mechanischen Klemmen und ähnlichem bestehen, zu minimieren, diese aber durch irgendeine Vorrichtung zum Halten der Werkstücke in aneinanderstoßender Lage ersetzt werden können.
• Wie am besten in Fig. 1 zu erkennen, sind die Werkstücke 55 und 56 in im wesentlichen planarer Lage angeordnet, wobei ein Spalt G zwischen gegenüberliegenden Rändern 65 und 66 der Werkstücke 55 bzw. 56 gebildet wird. Zur Ausführung der Erfindung müssen die benachbarten Werkstücke nicht in im wesentlichen planarer Ausrichtung sein (z. B. Schweißen der Werkstücke, die normal zueinander ausgerichtet oder so gestaltet sind, daß sie ein nicht ebenes Objekt wie etwa einen Zylinder bilden), wenngleich die meisten Laserschweiß- und -schneidoperationen normalerweise an Rändern von Werkstücken ausgeführt werden, die in im wesentlichen planaren und normalen Positionen zum Laserstrahl gehalten werden. Es sei auch bemerkt, daß zwar der Spalt G im wesentlichen gleichförmig entlang seiner der Länge L seiner Längsachse sein kann, gegenüberliegende Ränder 65 und 66 aber wahrscheinlich Ungleichförmigkeiten aufweisen, wie etwa leichte Biegungen oder ähnliches, besonders wenn die Werkstücke 55 und 56 durch konventionelle Schertechniken getrimmt werden.
• Wie vorstehend beschrieben, wird der Laserstrahl 31 durch die Fokussierlinse 38 koaxial durch die Düse 42 und die Düsenspitze 45 gerichtet. Demgemäß müssen die Werkstücke 55 und 56 so positioniert werden, daß die Mitte C des Spaltes G mit dem Auftreffpunkt des Hochleistungsstrahles 31 fluchtet. Dieser Auftreffpunkt ist in Fig. 1 mit 68 bezeichnet und wird in weiterer Folge auch Schweißpunkt genannt. Obwohl die Mitte C der Einfachheit halber als eine Linie dargestellt ist, sollte dies so verstanden werden, daß der mittlere Punkt des Spaltes G sich aufgrund von lokalen Ungleichförmigkeiten transversal entlang der longitudinalen Länge L verschiebt. Die mittleren Punkte des Spaltes G entlang Länge L bilden eine mittlere Linie C. Da die Schweißung im allgemeinen an mehr als einem einzigen Punkt durchgeführt werden wird, kann der Schweißpunkt genauer als die Schweißzone oder -fläche bezeichnet werden kann, und wird daher in weiterer Folge austauschbar als eine solche bezeichnet.
• Zuerst wird während der Einstellphase die Ausrichtung der mittleren Linie C mit der Bewegung des Translationstisches 52 in der x-Richtung durch Pulsieren des Hochleistungsstrahls 31 am Anfang und am Ende des Spaltes G erreicht, wobei die imaginäre gerade Linie, die sich zwischen den Anfangs- und Endpunkten erstreckt, mit der Bewegungsrichtung für den Translationstisch 52 verglichen und eine Fehlausrichtung dazwischen kompensiert wird. Solche Kompensationen werden durch Abgleichen des Translationstisches 50 in der y-Richtung durchgeführt. Vorzugsweise können Kompensationen in der Fehlausrichtung automatisch durch eine programmierbare Steruervorrichtung durchgeführt werden, die die Motoren 72 und 73 passend antreibt, um die Korrekturen umzusetzen, wenn einmal die Koordinaten der Endpulse mit Hilfe eines Computers (nachfolgend erläutert) bezüglich der Schweißnaht aufgeschlüsselt worden sind.
• Um eine optimale Schweißnaht entlang der Länge L des Spaltes G zwischen den Werkstücken 55 und 56 auszubilden, wird eine Relativbewegung zwischen dem Schweißpunkt oder der Zone 68 und den Werkstücken 55 und 56 entlang einer longitudinalen Achse im wesentlichen parallel zur mittleren Linie C, dem Spalt G und der x-Achse ausgeführt. Während eine solche Relativbewegung durch Bewegen des Strahles 31 und des Schweißpunktes 68 entlang der mittleren Linie C geschehen kann, würde dies die empfindliche Rotation des reflektierenden Spiegels 36 oder die Bewegung des Krangerüsts 18 entlang des Werktisches 15 mit sich bringen, von welchen Bewegungen keine bevorzugt ist. Das Schaffen der Beweglichkeit des Strahles 31 in der x-Richtung bringt unnötige Komplexität und Aufwand in die Ausrichtvorrichtung 10 und kann die Verläßlichkeit beeinträchtigen. Insbesondere müßte der Stahl 31 innerhalb der freien, verwendbaren Öffnungsweite der Linse 38 während irgendeiner Rotation des Spiegels 36 aufrechterhalten werden, wobei Linse 38 in einer festen Position gehalten ist. Wenn andernfalls der Strahl 31 zu weit weg vom Zentrum der Linse 38 bewegt werden würde, um die Schweißzone darunter zu verschieben, würden Aberrationen in den Strahl 31 eingebracht werden, wodurch sein Auftreffpunkt größer werden würde. Dies wiederum würde eine Reduktion in der Leistungsdichte des Strahles 31 in der Schweißzone 68 hervorrufen und könnte in der unvollständigen Schweißung der Werkstücke 55 und 56 resultieren.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Translationstisch longitudinal so bewegt, daß die Werkstücke 55 und 56 unterhalb des Schweißpunktes 68 in eine Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse der mittleren Linie C und des Spaltes G vorangetrieben werden. Es sei dazu bemerkt, daß die hohen Schweißgeschindigkeiten (z. B. die Relativgeschwindigkeit zwischen Spalt G und dem Laser-Fokussierungsmechanismus 35) genauso wie gleichförmige Schweißnähte erwünscht sind. Die Ausrichtvorrichtung der gegenständlichen Erfindung bietet beides durch kontinuierliches Ausrichten zwischen dem Schweißpunkt 68 und der mittleren Linie C des Spaltes G bei Vorgängen mit bis zu 15 Metern pro Minute sowohl in der x- als auch in der y-Richtung. Natürlich sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich, wenn höhere Laserleistung verwendet oder dünneres Probenmaterial geschweißt wird. Jedoch können genaue und verläßliche Bewegungssysteme für Geschwindigkeiten höher als 15 Metern pro Minute unerschwinglich teuer und schwierig zu erreichen sein. Motoren 72 und 73 (z. B. Stepper-Motoren) werden verwendet, um die Bewegung der zweiten und ersten Translationstische 52 bzw. 50 und abwechselnd dazu der Werkstücke 55 und 56 entlang der Länge L des Spaltes G zu bewirken.
• Ein visuelles Abbildungssystem (gezeigt bei 75 in Fig. 2) ist vorgesehen, um die mittlere Linie C des Spaltes G zu lokalisieren. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das visuelle Abbildungssystem 75 eine Zeilenabtast-Kamera 77 (wie etwa erhältlich von EG & G Reticon of Sunnyvale, California, z. B. mit 2048 Elementen und 13 micron Abstand zwischen benachbarten Elementen in ihrer Matrix) als bevorzugtes Mittel zum Empfangen der reflektierten Lichtpegel in einer definierten Sichtfläche 78, wobei eine Abbildung des Spaltes G auf einer linearen Matrix 80 von individuellen Elementen oder Bildpunkten innerhalb der Kamera 77 gebildet wird.
• Während die allgemeine Verwendung der Zeilenabtast-Kameras in Abbildungssystemen für Schweißanwendungen an sich nicht neu ist, wurden solche Systeme in nahem Abstand zum Schweißpunkt angeordnet, wodurch ungenaues Betrachten aufgrund der rauhen Umgebung in der Nachbarschaft einer Schweißzone, wie etwa Rauch, Spritzer, Schweißreste und Blendung durch die Schweißfahne verursacht wurde. Das visuelle System 75 der gegenständlichen Erfindung verwendet ein hochverstärkendes optisches System 82 (wie erhältlich von Titan Tool Supply Company, Inc. in Buffalo, New York, z. B. mit einem Zoom-Objektiv mit einem "effektiven" Zweilinsen-System, das wie ein Mikroskop für großen Arbeitsabstand arbeitet) in Verbindung mit der Zeilenabtast-Kamera 77. Insbesondere das hochverstärkende optische System 82 beinhaltet eine Objektivlinse 83 und eine Okularlinse 85. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Schweißnaht (die den Spalt G und einen Teil der Werkstücke 55 und 56 beinhaltet) der Betrachtungsfläche 78 das Objekt der Objektivlinse 83 und ein reales Abbild 87 der Schweißnaht wird zwischen der Objektivlinse 83 und der Okularlinse 85 erzeugt. Dieses reale Abbild ist das Objekt der Okularlinse 85 und eine reales Abbild wird dann mittels der linearen Matrix 80 empfangen und mittels eines Sensor-Schaltkreises 89 der Zeilenabtast- Kamera 77 analysiert. Zum Zwecke der Klarheit ist ein Abbild 91 der linearen Matrix von der Schweißnaht auf die Sichtfläche 78 zurückreflektiert. Dazu sei bemerkt, daß - wie im Stand der Technik praktiziert - eine Vielzahl von unabhängigen Linsen kombiniert werden können, um als Objektivlinse 83 und als Okularlinse 85 zu wirken. In jedem Fall wird dieses System, wie vorstehend erwähnt, als ein effektives Zweilinsen-Mikroskopsystem für einen großen Arbeitsabstand betrieben.
• Das hochverstärkende Optiksystem 82 sowie das Triangulieren des Abbildungssystems 75 relativ zu den Werkstücken 55 und 56 und der Laser-Fokussieroptik 35, helfen die Sichtfläche 78 in der Nähe der Schweißzone 68 ohne physikalische Störung zwischen dem Abbildungssystem 75 und dem Laser-Fokussiermechanismus 35 zu lokalisieren. Gleichzeitig wird eine größere Distanzweite (oder Abstand vom Schweißpunkt 68) für die Zeilenabtast- Kamera 77 durch die Verwendung des hochverstärkenden Optiksystems 82 ermöglicht.
• Zusätzlich wird, um nicht vom Licht der Schweißfahne des Hochleistungs-Laserstrahles 31 abhängig zu sein, zur Beleuchtung der Sichtfläche vorzugsweise eine unabhängige Lichtquelle 84 vorgesehen. Die Lichtquelle 84 versorgt das visuelle Abbildungssystem 75 mit Licht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Lichtquelle 84 Licht zur Beobachtung des Spaltes G mit dem hochverstärkenden Optiksystem 82 mittels eines kohärenten Faseroptikbündels 86 und eines Faseroptikring-Beleuchters 88 bereit, die um das unterste Ende des hochverstärkenden Optiksystems 82 befestigt sind. Diese Anordnung ermöglicht die lückenlose und im wesentlichen gleichförmige Beleuchtung koaxial auf die Sichtfläche 78 vorzusehen, wobei gleichzeitig eine klare Sicht der Reflexion eines solchen einheitlichen Lichtes innerhalb der Sichtfläche 78 mittels der Zeilenabtast-Kamera 77 erleichtert wird. Durch Sicherstellung einer vorhersagbaren und einheitlichen Anwendung von koaxialem Licht auf die Betrachtungsfläche 78 und durch Bereitstellen einer im wesentlichen ungestörten Sicht auf eine solche Sichtfläche durch die Zeilenabtast-Kamera 77 kann ein genaueres und verläßlicheres Bild des diffus gestreuten Lichtes gebildet und überwacht werden.
• Es ist klar, daß die Lichtquelle 84 ein Laser einer spezifischen monochromatischen Wellenlänge (z. B. ein Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 6328 Angstrom) sein kann. Das visuelle Abbildungssystem 75 könnte dann an ein enges Bandfilter angepaßt werden, das auf die beleuchtende Laserwellenlänge abgestimmt ist, wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet an sich bekannt ist. Auf diese Weise könnte nur die erwünschte Beleuchtungswellenlänge auf die Matrix 80 fokussiert werden, wodurch jegliche Störungen von externen Lichtquellen (wie etwa die Emission der Schweißfahne) reduziert werden würden.
• Alternativ dazu kann eine Lichtquelle 95 angeordnet sein, um die Betrachtungsfläche 78 zu hinterleuchten, wie etwa von unterhalb der Werkstücke 55 und 56 und durch den Spalt G (siehe Fig. 9). Wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Lichtquelle 95 eine fluoreszente Glühbirne, die innerhalb der elektromagnetischen Niederhaltvorrichtung 60 enthalten ist, welche eine Beschichtung 96 aufweist, die eine Beleuchtung nur von dessen Fläche 97 erlaubt. Die Fläche 97 hat eine Öffnungsweite 98, die eine Beleuchtung von dort nach oben zwischen den Hilfs- Niederhaltmagneten 62 und in Richtung des Spaltes G zwischen den Werkstücken 55 und 56 erlaubt. Es ist in dieser Ausführungsform bevorzugt, daß die Lichtquelle 95 sich entlang der ganzen longitudinalen Länge des Spaltes G erstreckt, aber die Lichtquelle 95 könnte von geringerer Länge sein und entlang des Spaltes G bewegt werden, solange sie die Sichtfläche 78 für die Zeilenabtast-Kamera beleuchtet.
• In manchen Anwendungen könnte eine hinterleuchtete Anordnung es ermöglichen, daß das visuelle Abbildungssystem 75 die Sichtfläche 78 genauer überwacht, wenn etwa die gegenüberliegenden Kanten 65 und 66 der Werkstücke 55 und 56 aufgrund von stumpfen Scherblättern an ihrer oberen Oberfläche zum unteren Oberflächenprofil einigermaßen abgerundet sind. Abgerundete Kanten neigen dazu, das auftreffende Licht in einer solchen Weise zu streuen, daß die tatsächliche Spaltbreite überschätzt wird und daher die Fähigkeit einer jeden solchen Vorrichtung die tatsächliche Topographie des Spaltes zwischen solchen Werkstücken zu unterscheiden und zu bestimmen, reduziert ist. Das Hinterleuchten gewährleistet relativ hohe Mengen an Licht, die direkt durch den Spalt G über die Beobachtungsmittel, wie etwa die Zeilenabtast-Kamera, empfangen werden, wodurch eine klarere Abbildung des Ortes der nahen Kanten ermöglicht wird.
• Wenn die Zeilenabtast-Kamera 77 von der Schweißnaht innerhalb der Sichtfläche 78 ein Abbild auf der linearen Matrix 80 gebildet hat, kann sie ein Videosignal für eine Steuervorrichtung 90 bereitstellen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Steuervorrichtung 90 kann irgendeine elektronische Vorrichtung (wie etwa das Videk Model 20) sein, das in der Lage ist, ein Video- oder ein Abbildungssignal von einer Kamera oder ähnlichen Betrachtungsmitteln zu empfangen, und danach das Videosignal in ein Ausgangssignal zu transformieren, welches dazu verwendet werden kann, die relative Lage und Breite w des Spaltes G zu bestimmen. Insbesondere ermöglicht es die Steuervorrichtung 90, die Daten der linearen Matrix 80 (z. B. des Bildpunkt-Ortes) der Sichtfläche 78 in eine Ausgangsspannung oder einen digitalen Datenstrom zu wandeln. Wie im Blockdiagramm von Fig. 8 gezeigt, kann ein Oszilloskop 100 verwendet werden, um das Videosignal durch Abtasten von der Steuervorrichtung 90 oder direkt von der Kamera 77 zu überwachen. Weil die Ausrichtvorrichtung der gegenständlichen Erfindung vorzugsweise vollautomatisch ist, ist das Einbeziehen eines Oszilloskopes oder eines ähnlichen Ausgangssignalsmonitors für die Datenerfassung oder die Verwendungsprozeduren per se nicht erforderlich. Das Oszilloskop 100 ist jedoch als eine Beurteilungsvorrichtung bevorzugt, um die Überwachung des Systems während des Betriebes zu vereinfachen. Wie gezeigt werden wird, erlaubt es insbesondere die ordnungsgemäße Überwachung durch die Verwendung eines Oszilloskopes oder eines ähnlichen Datenauslesegeräts einem Bediener zu bestimmen, ob die Ausrichtungsvorrichtung korrekt arbeitet.
• Ein Beispiel für ein typisches unbearbeitetes analoges Videosignal 99, das auf dem Oszilloskop 100 erscheinen kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Wie dargestellt, bedeuten die mit 101 bzw. 102 bezeichneten "Spitzen" (hohe Ausgangsspannnungsniveaus V) die gestreute Lichtintensität, welche von den Werkstücken 55 und 56 innerhalb der Sichtfläche 78 gestreut wird. Das Licht ist vorzugsweise innerhalb der Sichtfläche 78 konzentriert, die auf einen vorbestimmten Teil der Werkstücke 55 und 56 begrenzt ist, der zu den entsprechenden gegenüberliegenden Kanten 65 und 66 unmittelbar benachbart ist.
• Insbesondere hat sich ein Sichtfeld oder eine Sichtfläche eines Streifens ungefähr ein Viertel Zoll (6 Millimeter) als gut funktionierend herausgestellt, um mit der bereits beschriebenen Optik ungefähr 0,0001-0,0002 Zoll (0,0025-0,005 Millimeter) Auflösung (z. B. ungefähr 1 bis 2 Bildpunkte) zu erhalten. Zeilenabtast-Kameras können die Sichtfläche 78 mit Raten bis zu 1000 Abtastungen/Sekunde abtasten, obwohl es sinnvoll ist, daß eine Abtastrate von 30 Abtastungen /Sekunde während der Produktion verwendet wird, um die Verwendung einer weniger intensiven und weniger teuren Lichtquelle zu erlauben. Das gewählte Betrachtungsfeld und die gewählte Abtastrate können für jede besondere Anwendung variieren und würden teilweise auf der betrachteten gewünschten Betriebsgeschwindigkeit, der Gesamtqualität der aneinanderstoßenden nahen Kanten bei Spalt G, der erwünschten Auflösung, den Zeilenabtastbereichs-Erfordernissen und -kapazitäten, der Reflektivität und den Streueigenschaften der Werkstückoberflächen, der Lichtquellenintensität usw. basieren.
• Durch Konzentration der Beleuchtung in eine vorbestimmte Fläche können die Effekte von fremdem und zufälligem Licht von den Quellen minimiert werden. Darüberhinaus hat die Zeilenabtast-Kamera 77 ein einstellbares Feld aktiver Sicht, darauf basierend, wo die meiste einheitliche Beleuchtung und der Spalt G innerhalb des gesamten Sichtfeldes 79 (Fig. 6) der Zeilenabtast-Kamera 77 lokalisiert sind. Zum Beispiel kann das aktive Sichtfeld der Zeilenabtast-Kamera 77 vorzugsweise nur gering größer als der Spalt G selbst sein (wie dies durch die Grenzen der fensterartigen Linien 108 und 109 in den Fig. 6 und 7 gezeigt wird). Die durch die "Fenster"-Linien 108 und 109 definierten Bildpunkte definieren jenen Bereich der Matrix 80, der aktiv ist (und somit jenen Bereich des Sichtfeldes, der aktiv ist) von dem Daten zur weiteren Verarbeitung akzeptiert werden. Diese aktiven Bildpunkt-Grenzen oder "Fenster"-Linien 108 und 109 werden innerhalb der Steuervorrichtung 90 gesetzt.
• Weiters, wie in Fig. 6 dargestellt, identifiziert die strichlierte Linie 105 eine Schwellenspannung (entsprechend einer minimalen Beleuchtung, unter die das Beleuchtungsniveau fallen muß), bevor Korrekturen in der Ausrichtung des Spaltmittenlinie C und des Hochleistungs-Laserstrahles 31 begonnen werden. Beispielsweise wenn das Niveau der reflektierten Beleuchtung von Werkstücken 55 und 56 unterhalb der Schwellenspannung 105 für den gesamten aktiven Bereich ist, kann dies bedeuten, daß die Lichtquelle 84 ausgebrannt ist oder das Sichtfeld der Zeilenabtast-Kamera über das Ende der Werkstücke hinaus gelangt ist.
• Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der digitalen Umwandlung oder des digitalen Datenstromes, der von der Steuervorrichtung vom unbearbeiteten analogen Video-Eingang erstellt wird. Die Darstellung ist ein Ergebnis des Vergleichs des unbearbeiteten Video- Signals 99 mit der Schwellenspannung 105 (von Fig. 6). Der Spaltteil des Videosignals 99 und sein Verhältnis zur Schwelle 105 wird überwacht, um die gegebenenfalls erforderlichen Ausrichtungseinstellungen zu bestimmen. Sowohl das unbearbeitete analoge Videosignal und der umgewandelte digitale Strom können gleichzeitig auf dem Oszilloskop 100 angezeigt werden.
• Wie anhand der Fläche 110 in Fig. 6 ersichtlich, ist die zwischen den Werkstücken 55 und 56 (wie zwischen den Flächen 101 und 102 ersichtlich) betrachtete Stärke der Beleuchtung extrem schwach, was die Anwesenheit des Spaltes G dazwischen zeigt.
• Die durch den Bereich 80 empfangene gestreute Lichtstärke ist bei Spalt G niedrig, weil Spalt G als ein guter Absorber für die auf ihn fallende Beleuchtung wirkt. Die Breite W der Fläche 110 bestimmt die Breite des Spaltes G, sodaß die mittlere Linie C lokalisiert werden kann. Insbesondere die mittlere Linie C des Spaltes G ist durch die Linie C in Fig. 6 und Punkt C in Fig. 7 gekennzeichnet. Andere Niveaus von Ausgangsspannungen illustrieren niedrigere Stärken des reflektierten Lichtes oder eines anderen unvermeidlichen, zufälligen Außenlichtes entlang der y-Achse, wie etwa bei den Punkten 106 und 107 des Kamerasteuersignals 99 in der Nähe der Peripherie der Sichtfläche 78. Durch Einstellen eines Schwellwertspannungsniveaus 105, ist das System in der Lage zwischen konzentriertem Licht, das mittels des Faseroptik-Illuminators 88 koaxial auf die Sichtfläche 78 gerichtet ist, und dem unwichtigen reflektierten Licht von den Werkstücken 55 und 56 innerhalb des Sichtfeldes der Zeilenabtast-Kamera 77 zu unterscheiden.
• Wenn ein Ausgangsspannungssignal (wie in Fig. 7 dargestellt) von der Steuervorrichtung 90 empfangen wird, das anzeigt, daß die relative Lage der zentralen Linie C (das ist auf halbem Weg zwischen den Punkten e und ein Fig. 7) des Spaltes G von der letzten angezeigten Lage abweicht, zeigt das Signal im Sichtfeld 78 der Zeilenabtast-Kamera 77 die Fehlpositionierung der Spaltmittenlinie C an. Die Steuervorrichtung 90 (welche die Fläche 100 überwacht) sendet ein Signal an einen Computer 140 (oder alternativ eine einzelne Schnittstellenkarte, wie das Modell DAS-16 und DAS-16F-Schnittstellen hergestellt durch MetraByte Corporation in Taunton, Massachsetts), welcher dann eine Treiber-Karte 142 aktiviert, um ein Signal an den Motor 73 zu senden, um den ersten Translationstisch 50 und/oder den mechanischen Schlitten 23 zur Korrektur proportional der Verschiebung des Spaltes G zu verschieben, wodurch die Ausrichtung der Mittenlinie C mit dem Hochleistungs-Laserstrahl erhalten bleibt. Eine solche Korrektur der relativen Lage der Mittenlinie C kann während der Relativbewegung zwischen der Ausrichtvorrichtung 10 und dem Spalt G, während des Schweißens oder des Schneidens als Ergebnis einer sich ändernden Lage oder Form des Spaltes G (welche sich ergeben kann, wenn die nahen Ränder durch konventionelles Scheren oder minderwertige Schneidetechniken geschnitten worden sind) oder des Abschrägens der aneinanderstoßenden Schweißnaht zwischen Werkstücken 55 und 56 entlang der Länge L in ihrer Längsrichtung durchgeführt werden.
• In den bevorzugten Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung beinhaltet der Computer 140 eine x-Treiberkarte 141 zur Erzeugung der Bewegung mittels Translationstisch 52 entlang der x-Achse und eine y-Treiberkarte 142, die das Signal von der Kamerasteuerung 90 zuletzt empfängt, um den ersten Translationstisch 50 in der y-Richtung (siehe Fig. 1 und 2) einzustellen. Da die Translationsachsen der ersten und zweiten Translationstische 50 und 52 vorzugsweise normal aufeinander in einer x-y-Koordinatenkonfiguration orientiert sind, bewirkt die Bewegung des Translationstisches 50 direkte Änderungen in der Position der Werkstücke 55 und 56 und daher der Mittenlinie C des Spaltes G, normal zur Längsachse des Spaltes G. Während der Spalt G der Werkstücke 55 und 56 und der Schweißpunkt 68 relativ zueinander bewegt werden, um die Schweißung entlang des Spaltes G durchzuführen, können die Translationstische 50 und 52 automatisch und kontinuierlich eingestellt werden, um die relativen Positionen des Schweißpunktes 68 und der Spaltmittenlinie C als Reaktion auf Steuerbefehle vom Computer 140 und der y-Treiberkarte 142 optisch auszurichten. Demgemäß ist die Ausrichtungsapparatur 10 eine aktive Vorrichtung, gleichbedeutend damit, daß das visuelle Abbildungssystem 75 nicht vorprogrammiert ist, um Signale mit programmierten Schablonen oder dergleichen zu vergleichen. Vielmehr ist es ein direktes System, das für jede Anwendung in einer Weise reagiert, die der der künstlichen Intelligenz ähnelt.
• Der Computer 140 (wie das Modell VB2100 Interface Board von Girard Electronics und ein IBM PC AT) wird vorzugsweise programmiert, um die inhärenten Verzögerungen beim Ein- oder Ausschalten des Hochleistungs-Laserstrahles 31 oder beim anfänglichen Fokussieren der Zeilenabtast-Kamera 77 direkt entlang des Spaltes G zu kompensieren. Da das hochverstärkende Optiksystem 82 vorzugsweise in einem schrägen Winkel zum Schweißpunkt 68 angeordnet ist und die Sichtfläche 78 longitudinal stromabwärts entlang der Mittenlinie C vom Schweißpunkt 68 beabstandet ist, muß eine Kompensation für diese vorliegende Beabstandung und die inhärenten Zeitverzögerungen zwischen der erforderlichen Korrektur an einem besonderen Punkt und der Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung und dem Spalt G auch durch passende Algorithmen im Computer 140 angesprochen werden.
• Ein in der gegenständlichen Erfindung verwendeter Algorithmus schließt das Berechnen der Geschwindigkeitsänderungen entlang der y-Achse mit ein, d. h., normal zur Längsachse des Spaltes G. Dieser Geschwindigkeits- oder Ratenalgorithmus bedient sich des kontinuierlichen Abtastens der Positionen der Sichtfläche 78 entlang der Sichtline 79 (siehe Fig. 5) in Verbindung mit der Schweißfläche 68 während der Relativbewegung zwischen Werkstücken 55 und 56 und dem Schweißpunkt 68.
• Nachdem das Sichtfeld 78 und der Schweißpunkt 68 auf dem Spalt G zentriert worden sind, werden das Abbildungssystem 75 und die Laser-Fokussierungsoptik 35 bezüglich der Werkstücke 55 und 56 so positioniert, daß die Sichtfläche 78 sich am längsseitigen Anfangspunkt entlang der Länge des Spaltes G befindet (wenn eine hohe Schweißrate erforderlich ist, wobei Beschleunigung der Werkstücke 55 und 56 nicht die erforderliche Geschwindigkeit im Abstand d erreichen kann, kann das Abbildungssystem 75 und die Laser- Fokussierungsoptik 35 bezüglich der Werkstücke 55 und 56 für einen Laufstart bei Spalt G positioniert werden). Wenn der Anfang des Spaltes G die Schweißzone 68 erreicht hat, beginnt das Schweißen und die Geschwindigkeit der Werkstücke 55 und 56 über dem Translationstisch 50 entlang der y-Achse wird berechnet als:
• Vy = (Δy)(Vx/d),
• wobei Δy die Änderung der Position entlang der y-Achse zwischen dem anfänglich zentrierten Punkt und zum Zeitpunkt des erneuten Betrachtens durch das Abbildungssystem 75 ist. Vx ist die Geschwindigkeit der Werkstücke 55 und 56 entlang der x-Achse in Richtung des Schweißpunktes 68 und d ist der Abstand zwischen der Sichtfläche 78 und dem Schweißpunkt 68 (wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich). Es wird der Fall betrachtet, wenn der Computer 140 die Werte von Vx und d vorprogrammiert hat. Wenn sich danach die Geschwindigkeit der Werkstücke 55 und 56 entlang der y-Achse ändert, können Änderungen der Geschwindigkeit berechnet werden aus:
• Vy(neu) = Vy(aktuell)+(Δy)(neu)-(Δy)(alt)/Δt
• wobei Δt = x(neu)-x(alt)/vx
• Dieser Algorithmus erlaubt daher die richtige Berechnung der Geschwindigkeit entlang der y- Achse für Werkstücke 55 und 56, was besonders wichtig ist, um zu gewährleisten, daß die Werkstücke 55 und 56 zur richtigen Zeit eingestellt werden, sodaß die Schweißzone 68 mit der Mittenlinie C jederzeit ausgerichtet ist. Die Laser-Fokussieroptik 35 (d. i. die Lage des Strahles 31 selbst) kann alternativ mit dem mechanischen Schlitten 23 eingestellt werden, um eine solche Ausrichtung aufrechtzuerhalten, entweder als eine Alternative oder zusätzlich zur Ausrichtungseinstellung mit Translationstischen 50 und 52. Es wurde ermittelt, daß die Sichtfläche 78 bequem innerhalb ungefähr 1,25 Zoll (ungefähr 31,75 mm) des Schweißpunktes angeordnet werden kann. Während es allgemein bevorzugt ist, die Sichtfläche 78 so nahe wie möglich zur Schweißfläche anzuordnen, um die Genauigkeit der Korrekturen zu optimieren, muß daran gedacht werden, daß es umso wahrscheinlicher ist es, daß der Schweißrauch, Spritzer und äußeres Licht die klare Sicht durch das Abbildungssystem 75 stören werden, je näher die Sichtfläche 78 zur Schweißzone 68 angeordnet ist.
• Zusätzlich beinhaltet die Ausrichtvorrichtung vorzugsweise eine Zwischenspeicherungsanordnung zum Aufrechterhalten einer konstanten Änderungsrate (oder Einstellungsvektors) für Werkstücke 55 und 56 normal zur Spaltmittenlinie C, um das kontinuierliche Ausrichten am Ende der Schweißung, wenn die beabstandete Sichtfläche 78 das distale Ende des Spaltes G passiert, zu interpolieren. Zum Beispiel beinhaltet eine Zwischenspeicherungsanordnung einen Algorithmus im Computer 140, um die jüngsten Einstellparameter für Spalt G in der Fläche zu erhalten.
• Besser als den ersten Translationstisch 50 zur Bereitstellung einer Relativbewegung normal zur Längsachse des Spaltes G (d. i. entlang der y-Achse) zu verwenden, kann es sein, den mechanischen Schlitten 23 zu bewegen, um dabei die auf dem Laserfokussiermechanismus angebrachte Fokussierlinse 38 einzustellen. Es sei darauf hingewiesen, daß das Abbildungssystem 75 auch mit dem mechanischen Schlitten 23 (wie in Fig. 2 dargestellt) verbunden ist, so daß es dieselbe Bewegung wie der Laser-Fokussiermechanismus 35 passend durchläuft. In dieser Ausführungsform sendet die Kamerasteuerung 90 ein Signal zum Computer 140, der dann ein Signal zur y-Treiberkarte 142 sendet, um den mechanischen Schlitten 23 dementsprechend einzustellen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Bewegung des Hochleistungs-Laserstrahles 31, während diese im Stand der Technik üblich ist, nicht bevorzugt ist, weil dies Probleme mit der Ausrichtung des Hochleistungs-Laserstrahles 31 mit der Öffnung der Fokussierlinse 38 hervorrufen kann und zusätzlich zu den Kosten und der Komplexität des Gesamtsystems beitragen kann. Ein Spiegel-Servo oder piezoelektrischer Motor 200 kann jedoch vorgesehen sein (wie in Fig. 1 dargestellt), um leichte Einstellungen in der Orientierung des reflektierenden Spiegels 36 zur Aufrechterhaltung der genauen Ausrichtung des Hochleistungsstrahles 31 mit der Fokussierlinse 38 zu ermöglichen.
• Eine andere Ausführungsform einer Ausrichtvorrichtung, die in Übereinstimmung der Erfindung ist, kann Ausrichtungskorrekturen durch eine Kombination sowohl eines Laser- Fokussiermechanismusses 35 und des Translationstisches 50 umsetzen, wobei Teil der Kompensation der Fehlpositionierung der Spaltmittenlinie C und des Schweißpunktes 68 durch einen sich bewegenden mechanischen Schlitten 23 durchgeführt werden kann, um den Laser-Fokussiermechanismus 35 und den Schweißpunkt 68 einzustellen und das Gleichgewicht jeglicher erforderlicher Kompensation kann vollendet werden, indem der Translationstisch 50 zur Einstellung der Spaltmittenlinie C bewegt wird. Diese Anordnung würde zwei y-Treiber-Karten innerhalb des Computers 140 erfordern, welche auf die Signale des Computers 140 reagieren.
• Eine Ummantelung 150 ist auch vorzugsweise mit dem untersten Ende des hochverstärkenden optischen Systems 83 verbunden, um die Beleuchtung in der Sichtfläche 78 weiter zu konzentrieren. Die Ummantelung 150 dient auch als schützende Funktion für das optische System 82, da es die optischen Elemente von Schweißrestbestandteilen isoliert und ähnliches. Die Ummantelung 150 kann in ihrer Form im allgemeinen kegelstumpfförmig sein und kann mit dem Optiksystem 82 mittels einer Ringklemme oder ähnlichen Mitteln verbunden sein. Es wird angenommen, daß eine Vielzahl von Materialien für die Ummantelung 150 Verwendung finden kann, mit poliertem Aluminium oder irgendeinem Material mit einer dünnen Schicht eines hochreflektierenden Materials wie etwa eine Aluminium-Folie, welche bevorzugt die Konzentration des Lichtes in der Sichtfläche 78 erhöht.
• Wie vorstehend erwähnt, ist es bevorzugt, die Sichtfläche eines Ausrichtungssystems so nah wie möglich zur Schweißzone anzuordnen, um eine sehr genaue augenblickliche Ausrichtung der Schweißvorrichtung auf der Mittenlinie des Spaltes zwischen zwei oder mehreren zu schweißenden Werkstücken zu erhalten. Andererseits bewirkt die Nähe zur Schweißzone, daß eine sehr empfindliche und im allgemeinen teure Optikanordnung der rauhen Umgebung des Schweißvorganges ausgesetzt wird. Bis jetzt war es gewöhnlich Praxis, den Ort der Sichtfläche in einem sicheren Abstand von der Schweißzone festzulegen, wobei die reduzierte Genauigkeit durch die erhöhe Sicherheit/Schutzwirkung für die Optik ausgeglichen wird. Die neue Struktur der gegenständlichen Ausrichtvorrichtung ermöglicht jedoch einen minimalen Abstand zwischen Sichtfläche 78 und der Schweißzone 68 mit optimaler Sicherheit und Schutzeigenschaften.
• Insbesondere um die Sichtfläche 78 in einem "sicheren" Abstand von der Schweißzone 68 wirksam zu beabstanden, wird ein Inertgas-Strahl 160 zur Schweißzone oder zum Punkt 68 benachbart, im wesentlichen parallel zur Mittenlinie C und im allgemeinen von der Sichtfläche 78 weggerichtet vorgesehen. Es wird auch bevorzugt, daß der Strahl 160 aus Inertgas in eine Richtung im wesentlichen normal zur Anwendung der Schweißenergie (z. B. normal zum Laserstrahl oder Plasma-Bogen) angewandt wird. Das exakte Plazieren und die Richtung einer oder mehrerer Düsen, die den Strahl 160 erzeugen, ist nicht kritisch, solange der resultierende Vektor des Strahls 160 durch die Schweißzone und weg von der Sichtfläche 78 und im wesentlichen mit der Auftreffrichtung durch Strahl 31 auf der Schweißzone 68 schneidet. Der Strahl 160 lenkt dadurch den Schweißfleck, den Rauch, die Spritzer und andere Schweißrestbestandteile weg von der Sichtfläche 78 zur genaueren Ansicht mittels der Zeilenkamera 77. Dadurch bietet der Strahl 160 einen Schutz durch effektiv weiter entfernte Beabstandung der Sichtfläche 78 von der Schweißzone 68, ohne tatsächliche physische Distanz zwischen diesen zu erfordern.
• Wie am besten in Fig. 1 dargestellt, bietet eine Gasversorgungsleitung 165 reguliertes, unter Druck stehendes Inertgas von einer Inertgasquelle (nicht dargestellt). Um die Anwendung des Inertgases aus der Versorgungsleitung 165 weiter zu verbessern, so daß das Inertgas ein vektorieller Strahl ist, ist eine Düse 175 am Auslaß der Versorgungsleitung 165 vorgesehen, vorzugsweise an einer Stelle, die etwas von der Schweißzone 68 und der Sichtfläche 78 beabstandet ist. Vorzugsweise ist die Versorgungsleitung 165 mit der hochverstärkenden Optik 82 verbunden, sodaß die Düse 175 benachbart zum Spalt G angeordnet ist, wie es aus Fig. 2 zu ersehen ist. Beispiele von Inertgasen, die mit Erfolg für diesen Zweck angewendet worden sind, beinhalten Helium und Argon.
• Es ist auch bevorzugt, daß der Strahl 160 so vorgesehen ist, daß er direkt über die Sichtfläche 78 im allgemeinen entlang des Spaltes G streicht, indem er in Richtung auf den Schweißpunkt 68 gerichtet ist, um gleichzeitig zu gewährleisten, daß die Sichtfläche 78 relativ frei von Staub oder anderen äußeren Stoffen ist, welche eine optimale Sicht des Spaltes G beeinträchtigen könnten. Die vektorielle Anwendung von Inertgas bläst nicht nur Rauch und andere Schweißrückstände vom Hochverstärkungs-Optiksystem 82 weg, um so die Sichtbarkeit der Sichtfläche 78 zu verbessern, sondern beseitigt auch die Blendung in der Zeilenabtast-Kamera 77 durch Reduktion der Schweißfahne am Schweißpunkt 68 (Helium ist besonders effektiv bei der Reduktion der Schweißfahne).
• Ein prinzipieller Vorteil dieser Anwendung von Inertgas auf den Schweißpunkt 68 ist auch die Minimierung des Bedarfes für teure und komplizierte Filter, die oftmals in visuellen Abbildungssystemen erforderlich sind, um die umgewollte Strahlung von der Schweißung zu beseitigen. Die Anwendung des Inertgases in dieser Weise beseitigt auch den Bedarf, ein Schutzgas für die Schweißvorrichtung vorzusehen. Obwohl der Strahl 160 als durch ein einzelne Quelle versorgt und eine einzelne Düsenanordnung stromabwärts der Ummantelung 150 angeordnet gezeigt ist, soll dies so verstanden werden, daß eine beliebige Anzahl von Strahlströmen und/oder Düsen genauso gleichwertig eingesetzt werden können, um die effektive Beabstandung der Sichtfläche 78 von der Schweißzone 68 zu erreichen, sodaß die Schweißfahne, Rauch und andere Restbestandteile weg von der Sichtfläche 78 gerichtet sind.
• Neben den gezeigten und beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung können weitere Adaptionen der Vorrichtung zum Ausrichten eines Schweißpunktes und der Mitte eines Spaltes zwischen zwei Werkstücken durch passende Modifikationen von einem Fachmann durchgeführt werden, ohne dabei vom Schutzbereich der gegenständlichen Erfindung abzuweichen. Mehrere mögliche Modifikationen sind erwähnt worden und weitere sind für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich. Entsprechend sollte der Schutzbereich der gegenständlichen Erfindung unter Berücksichtigung der folgenden Patentansprüche betreffend eine Vorrichtung und ein Verfahren, welche in der Beschreibung erläutert und in den Zeichnungen gezeigt sind, beurteilt werden.

Claims (28)

1. Vorrichtung (10) zum automatischen und kontinuierlichen Ausrichten einer Schweißvorrichtung (30) ungefähr entlang der Mitte (C) eines kontinuierlichen Spaltes (G), welcher durch gegenüberliegende nahe Ränder (65, 66) von zumindest zwei zusammenzufügenden Werkstücken (55, 56) definiert ist, wobei die Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung (30) und den Werkstücken (55, 56) entlang einer im wesentlichen zum Spalt (G) parallelen Längsachse (x) das Zusammenfügen der gegenüberliegenden Ränder (65, 66) der Werkstücke (55, 56) durch die Schweißvorrichtung (30) ermöglicht, welche Ausrichtvorrichtung, gekennzeichnet ist durch

a) ein Abbildungssystem (75) zur Bestimmung der Lage der Spaltmitte (C) relativ zu einem vorbestimmten, zweidimensionalen Koordinatensystem (x-y), in welchem ein Bild einer von der Schweißvorrichtung (30) entlang der Längsfläche (x) stromabwärts beabstandeten Sichtfläche (78) erzeugt wird, welche Sichtfläche (78) sich über den Spalt (G) erstreckend und die gegenüberliegenden Kanten (65, 66) der Werkstücke (55, 56) beeinhaltend ausgebildet ist;

b) Mittel (90) zum Aufnehmen und Umwandeln des Bildes (91)~ der Sichtfläche (78) in ein die Lage der Spaltmitte (G) relativ zur Schweißvorrichtung (30) definierendes Ausgangssignal;

c) Mittel (50, 52, 72, 73, 140) zum automatischen Justieren der Relativlagen der Schweißvorrichtung (30) und der Mitte (C) des Spaltes (G) durch Ansprechen auf das Ausgangssignal, so daß die Schweißvorrichtung (30) und die Mitte (C) jederzeit kontinuierlich ausgerichtet sind und

d) Mittel (150, 160) zum effektiven Isolieren der Sichtfläche vom Schweißpunkt (68).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur effektiven Isolierung der Sichtfläche (78) vom Schweißpunkt (68) weiters einen Strahl (160) aus Inertgas umfassen, der benachbart einer Zone (68) vorgesehen ist, in welcher die Schweißvorrichtung (30) während der Zusammenfügungsvorgänge Schweißenergie aufbringt, wobei der Strahl (160) in einer solchen Richtung wirkend orientiert ist, daß sein resultierender Vektor von der Sichtfläche (78) weggerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (160) mit einer Versorgungsleitung (165) versehen ist, welche ein erstes mit einer Inertgasquelle verbundenes Ende und eine Düse (175) aufweist, wobei ein vektorieller Inertgas-Strahl benachbart zur Schweißzone (68) aufgebracht wird, so daß Rauch, Spritzer und andere Schweißrestteilchen von der Sichtfläche (78) weggelenkt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitung (165) und die Düse (175) stromabwärts der Sichtfläche (78) so angeordnet sind, daß der vektorielle Inertgas-Strahl in der Schweißzone (68) im wesentlichen entlang der Längsachse (x) aufgebracht wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem untersten Teil des Abbildungssystems (75) verbundene, zur Sichtfläche (78) benachbarte Ummantelung (150), welche Ummantelung (150) das Abbildungssystem (75) vor Schweißrestteilchen effektiv schützt und die Konzentrierung der Beleuchtung auf die Sichtfläche (78) erleichtert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel weiters einen Translationstisch (50) zur Auflage von Werkstücken (55, 56) umfassen, welcher Translationsstisch (50) durch Ansprechen auf vom Ausgangssignal abgeleitete Steuersignale im wesentlichen normal zur Längsachse (x) bewegbar ist, wobei die Bewegung des Translationstisches (50) eine Justierung der Spaltmitte (C) in eine im wesentlichen normal auf die Längsachse (x) stehende Richtung ergibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Richten des Laserstrahles (31) auf eine definierte Zone (68) entlang der Längsachse (x), welche Richtmittel zumindest einen reflektierenden Spiegel (36) umfassen, der den Laserstrahl (31) durch eine Laser-Fokussierungsoptik (38) auf die Zone (68) richtet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel Mittel (200) zum Bewegen des zumindest einen reflektierenden Spiegels (36) umfassen, wobei der Laserstrahl (31) durch Ansprechen auf vom Ausgangssignal abgeleitete Steuersignale im wesentlichen normal auf die Längsachse (x) bewegbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel umfassen:

a) eine Krangerüststruktur (18) mit einem Querträger (22);

b) einen mit dem Querträger (22) verbundenen und linear über diesen hinwegbewegbaren mechanischen Schlitten (23), wobei die Richtmittel (36) und das Abbildungssystem (75) auf dem mechanischen Schlitten (23) angebracht sind;

c) Mittel (26, 27) zum Bewegen des mechanischen Schlittens (23) über den Querträger (22);

d) Mittel (140) zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Bewegen des mechanischen Schlittens (23) durch Ansprechen auf das Ausgangssignal, wobei ein Justieren des Laserstrahles (31) normal zur Längsachse (x) erfolgt, um das Ausrichten mit der Spaltmitte (C) aufrechtzuerhalten.

10. Vorrichtung (10) zum automatischen und kontinuierlichen Ausrichten eines Laserstrahles (31) ungefähr entlang der Mitte (C) eines kontinuierlichen Spaltes (G), welcher durch gegenüberliegende nahe Ränder (65, 66) von zumindest zwei Werkstücken (55, 56) definiert ist, wobei die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl (31) und der Werkstücke (55, 56) entlang einer im wesentlichen zum Spalt (G) parallelen Längsachse (x) erfolgt, um Schweißen oder Schneiden der Werkstücke (55, 56) durch den Laserstrahl (91) zu ermöglichen, welche Ausrichtvorrichtung gekennzeichnet ist durch:

a) ein Abbildungssystem (75) zur Bestimmung der Lage der Mlitte (C) relativ zu einem vorbestimmten, zweidimensionalen Koordinatensystem (x-y), welches Abbildungssystem (75) weiters umfaßt:

1) eine Zeilenabtast-Kamera (77) zum Erzeugen eines Bildes einer vom Laserstrahl (31) entlang der Längsachse (x) stromabwärts beabstandeten Sichtfläche (78), welche Sichtfläche (78) sich über den Spalt (G) erstreckend und die gegenüberliegenden Ränder (65, 66) der Werkstücke (55, 56) beinhaltend ausgebildet ist;

2) ein auf der Zeilenabtastkamera (77) betätigbar angebrachtes Optiksystem (82), wobei die Zeilenabtastkamera (77) substantiell von der Sichtfläche (78) beabstandbar ist, während die Aufnahme der Sichtfläche (78) aufrechterhalten wird;

3) einen mit dem untersten Teil des Optiksystems (82) verbundenen Faseroptik-Illuminator (88); und

4) eine unabhängige Beleuchtungs-Quelle (84), welche mittels eines kohärenten Faseroptikbündels (86) mit dem Faseroptik-Illuminator (88) verbunden ist, wobei die Beleuchtung der Sichtfläche (78) koaxial mit dem Optiksystem (82) vorgenommen wird;

b) Mittel (90) zum Aufnehmen des Bildes und Umformen desselben in ein Ausgangssignal, welches die Lage der Spaltmitte (C) relativ zum 35 Laserstrahl (31) definiert;

c) ein erster zur Längsachse (x) parallel bewegbarer Translationstisch (52) zum Bereitstellen der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl (3 I) und den Werkstücken (55, 56), wobei die Werkstücke (55, 56) am ersten Translationstisch (52) festgelegt sind, so daß sich die Werkstücke (55, 56) in Übereinstimmung mit diesem bewegen;

d) Mittel (140, 73, 50) zum automatischen Justieren der relativen Lagen des Laserstrahl (31) und der Spaltmitte (C) durch Ansprechen auf das Ausgangssignal, so daß der Laserstrahl (31) und die Spaltmitte (C) kontinuierlich in Ausrichtung gehalten werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmittel weiters einen zweiten Translationstisch (50) umfassen, der im wesentlichen normal zur Längsachse (x) durch Ansprechen auf vom Ausgangssignal abgeleitete Steuersignale bewegbar ist, welcher zweite Translationstisch (50) in Verbindung mit dem ersten Translationstisch (52) bewegbar ist, welche Werkstücke (55, 56) auf dem ersten Translationstisch (52) so festgelegt sind, daß die Werkstücke (55, 56) sich in Übereinstimmung mit den ersten und zweiten Translationstischen (52, 50) bewegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Strahl (160) aus Inertgas, welcher benachbart zum Auftreffpunkt (68) des Laserstrahles (31) mit dem Spalt (G) vorgesehen ist und so wirkend ausgerichtet ist, daß sein resultierender Vektor von der Sichtfläche (78) weggerichtet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (160) aus Inertgas mit einer Versorgungsleitung (165) versehen ist, welche ein erstes mit einer Inertgasversorgung verbundenes Ende und eine Düse (175) aufweist, wobei die Düse (175) benachbart zum Optiksystem (82) und stromabwärts der Sichtfläche (78) benachbart zur Spaltmitte (C) angebracht ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenabtast-Kamera (77) ein justierbares Sichtfeld aufweist, um selektiv nur einen vorbestimmten Teil des Bildes (91) in ein Ausgangssignal umzuwandeln.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel zum Richten des Laserstrahles (31) auf eine definierte Zone (68) entlang der Längsachse (x), welche Richtmittel zumindest einen reflektierenden Spiegel (36) umfassen, der den Laserstrahl (31) durch Laserfokussier-Optik (38) auf die Zone (68) reflektiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch:

a) eine Krangerüststruktur (18) mit einem Querträger (22);

b) einen mit dem Querträger (22) verbundenen und linear über diesen hinwegbewegbaren mechanischen Schlitten (23), wobei das Abbildungssystem (75) auf dem mechanischen Schlitten (23) angebracht ist;

c) Mittel (26, 27) zum Bewegen des mechanischen Schlittens (23) über den Querträger (22);

d) Mittel (140) zum Bereitstellen eines Steuersignals, um den mechanischen Schlitten (23) durch Ansprechen auf das Ausgangssignal zu bewegen, wobei Justieren des Laserstrahles (31) normal zur Längsachse (x) erfolgt, um die Ausrichtung mit der Spaltmitte (C) aufrechtzuerhalten.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine am untersten Teil des optischen Systems (82) angebrachte Ummantelung (150), um das Optiksystem (82) vor Teilchen, Rauch und ähnlichem zu schützen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen mit dem reflektierenden Spiegel (36) betätigbar verbundenen Motor (200), wobei der reflektierende Spiegel (36) rotierbar ist, um geringfügige Justierungen in der Richtung des Laserstrahles (31) zu ermöglichen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Mittel (100) zum Überwachen des Ausgangssignals.

20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Justiermittel (140, 73, 50) auf ein Ausgangssignal unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes nicht anspricht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsquelle, die den Spalt (G) von unterhalb der Werkstücke (55, 56) beleuchtet.

22. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (55, 56) im wesentlichen eben sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Computer (140) beeinhaltende Justiermittel zum automatischen Justieren der Geschwindigkeit der zweiten Translationstisch-Justierungen.

24. Verfahren zum automatischen und kontinuierlichen Ausrichten einer Schweißvorrichtung (30) ungefähr entlang der Mitte eines kontinuierlichen Spaltes (G), welcher durch gegenüberliegende nahe Ränder (65, 66) der zusammenzufügenden Werkstücke (55, 56) definiert ist, wobei die Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung und den Werkstücken entlang einer, im wesentlichen zum Spalt (G) parallelen Längsachse (x) ein Zusammenfügen durch die gegenüberliegenden Ränder (65, 66) der Werkstücke (55, 56) mittels der Schweißvorrichtung (30) ermöglicht, welches Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

a) Bereitstellen eines Abbildungssystems (75) zum Bestimmen der Lage der Mitte (C) des Spaltes (G) entlang der Längsachse (x) während der Relativbewegung, wobei das Abbildungssystem (75) den Spalt (G) innerhalb einer Sichtfläche (78) überwacht, welche von der Schweißvorrichtung (30) entlang der Längsrichtung (x) stromabwärts beabstandet ist;

b) automatisches Justieren der relativen Lagen der Schweißvorrichtung (31) und der Mitte (C) des Spaltes (G), so daß die Schweißvorrichtung (31) und die Spaltmitte (C) ausgerichtet gehalten werden;

c) Vorsehen eines zur Zone (68) benachbarten Inertgas-Strahles (160), wobei die Schweißvorrichtung (31) während der Zusammenfügungsvorgänge Schweißenergie entlang des Spaltes (G) aufbringt, welcher Strahl (160) so wirkend ausgerichtet ist, daß sein resultierender Vektor durch die Zone (68) und weg von der Sichtfläche (78) gerichtet ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens von Beleuchtung für die Sichtfläche (78).

26. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufrechterhaltens einer konstanten Justierrate der relativen Lagen der Schweißvorrichtung (31) und der Spaltmitte (C) am Ende des Spaltes (G), sobald die Sichtfläche (78) das distale Ende des Spaltes (G) passiert, welche konstante Rate durch eine Steuervorrichtung (140) zum Aufrechterhalten der Ausrichtung bestimmt wird, sobald die Sichtfläche (78) das Ende des Spaltes (G) passiert.

27. Verfahren nach Anspruch 24, weiters gekennzeichnet durch den Schritt des anfänglichen Ausrichtens der Spaltmitte (C) mit der Richtung der Relativbewegung zwischen der Schweißvorrichtung (30) und den Werkstücken (55, 56).

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der anfängliche Ausrichtungsschritt beinhaltet:

a) Pulsen der Schweißvorrichtung (30) an einer Vielzahl von vorbestimmten Punkten entlang der Längsachse (x) des Spaltes (G);

b) Auffinden einer die Punkte verbindenden Linie;

c) Vergleichen der Linie mit der augenblicklichen Richtung der Relativbewegung; und

d) Kompensieren jeder Fehlausrichtung zwischen der Linie und der augenblicklichen Richtung der Relativbewegung.