DE69206928T2

DE69206928T2 - Apparat zum Bestimmen der Schweissnahtgüte

Info

Publication number: DE69206928T2
Application number: DE69206928T
Authority: DE
Inventors: Takao Iwai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2012-09-09
Also published as: DE69206928D1; JPH0571932A; JP3123146B2; EP0532257A3; EP0532257B1; EP0532257A2; US5533146A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Schweißnahtgüte, insbesondere von einer Laserschweißnaht.
Verschiedene Metallbleche werden mit einem Laser in einstükkige Anordnungen zusammengeschweißt und dann ausgestanzt, um für Automobilbauteile verwendet zu werden. Die Schweißnähte der Anordnungen erfordern eine Überprüfung entlang der gesamten Schweißnahtlänge, um sicherzustellen, daß die Schweißnähte eine ausreichende Festigkeit für das Pressen bzw. Stanzen haben und außerdem so ausgestaltet sind, daß sie die Preßwalzen nicht beschädigen. Um den Zeitaufwand für die Überprüfung zu verringern, ist es wünschenswert gewesen, die Überprüfung zu mechanisieren.
Aus der japanischen Patentveröffentlichung SHO 49-39445 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein streifenförmiger Lichtstrahl auf eine Schweißnaht (Lichtbogen-Schweißnaht) geworfen wird, um ein beleuchtetes Band auf der Oberfläche der Schweißnaht zu erzeugen, das mit Hilfe einer Fernsehkamera photographiert wird, um eine ebene Photographie mit einem Bild des beleuchteten Bandes zu erhalten und die Qualität der Schweißnaht auf Grundlage dieses Bildes zu bestimmen. Die Abtasttechnik mit einem streifenförmigen Lichtstrahl ist ebenfalls aus der Japanischen Patentveröffentlichung SHO 51- 95866 bekannt.
Allerdings werden bei den herkömmlichen Vorrichtungen die Bilder als zweidimensionale Daten verarbeitet und die gesamte photographierte Ebene enthält etwa sechzigtausend Elemente, die in horizontaler und vertikaler Richtung abgetastet werden müssen, um das Abbild zu erhalten. Wenn eine derartige Bildbewertung für die Schweißnahtüberwachung mit einem Personalcomputer durchgeführt wird, ist die Überwachungsgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, mit der die Kamera entlang der Schweißnaht bewegt wird) zu gering oder die Abtastgenauigkeit ist zu grob. Dies hat zur Folge, daß eine On-Line oder Echtzeit-Abtastung unmöglich wird.
Die EP-A-0 116 798 beschreibt einen Lichtmusterprojektor, insbesondere für das Schweißen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der US-A-4,733,051 ist eine Vorrichtung zum Überwachen der Wurzel-Eindringung der Schweiße bei offenen Stumpfstößen bekannt, die mit Einrichtungen zum Betrachten des Schweißbades und mit einem Computer mit einem Bildbearbeitungsgerät versehen ist, das mit einem Controller operativ gekoppelt ist, um die Schweißnaht-Eindringtiefe zu überwachen.
In der JP-A-58-209,481 ist eine Kontrolleinrichtung für einen Schweißbrenner beschrieben, mit einer Licht-Bestrahlungseinrichtung und einer Bildaufnahmeeinrichtung, die einer Fernsehkamera und einem Vorverarbeitungsschaltkreis ein Ausgangssignal zuführt. Der Schaltkreis gibt Bilddaten an einen Steuer- bzw.- Regelkreis aus, der ein Kontrollsignal zum Steuern bzw. Regeln des Schweißbrenners erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Überwachen der Schweißnahtgüte anzugeben, bei der die zur Bearbeitung der Bilddaten erforderliche Zeitdauer und die Zeit zur Feststellung, ob die Schweißnaht einwandfrei ist, verringert werden, so daß damit eine On-Line und Echtzeit-Überwachung möglich ist.
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen.
Die oben genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich und leichter verstanden anhand der folgenden, ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit den zugehörigen Zeichnungen, worin zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen der Schweißnahtgüte nach der Erfindung in einer schematischen, perspektivischen Darstellung zusammen mit einem Systemdiagramm;
Fig. 2 eine Darstellung von typischen Mustern zum Bestimmen der Schweißnahtgüte;
Fig. 3 ein Blockdiagramm für eine Bildverarbeitungseinheit und einen Rechner der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 4 ein Flußbild zum Bestimmen des Breitenmitte des beleuchteten Streifens und zum Speichern der Daten auf einer RAM-Platte des Rechners;
Fig. 5 ein Flußbild zum Erzeugen von Kennwerten der Schweißnaht an jeder Stelle der Schweißlinie;
Fig. 6 typische Kennwerte einer Schweißnaht im Querschnitt;
Fig. 7 eine Bildmittenlinie mit einer Störung, in einer graphischen Darstellung;
Fig. 8 eine graphische Darstellung einer Bildmittenlinie, die zum Entfernen der Störung aus den Kennwerten der Schweißnaht verwendet wird;
Fig. 9 eine weitere graphische Darstellung einer Bildmittenlinie, die zum Entfernen der Störung aus den Kennwerten der Schweißnaht verwendet wird;
Fig. 10 ein Flußbild zum Bestimmen, ob eine momentane Schweißnaht einwandfrei ist oder nicht; und
Fig. 11 ein Flußbild zum Bestimmen, ob das Schweißen beendet wird oder nicht.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, stoßen verschiedene Metallbleche 1a und 1b (zum Beispiel Stahlbleche) an einer Stoßkante 2 aneinander. Der Stoßbereich wird von einem Laserstrahl überstrichen, so daß die Metallbleche mit einer Schweißnaht 3 zu einem einstückigen Bauteil 1 miteinander verbunden werden. Der Laserstrahl wird mit Hilfe einer Linse oder eines Parabolspiegels in einem Schweißbrenner 4 gesammelt, der den Laserstrahl entlang der Schweißlinie aussendet. Der Schweißbrenner wird von einem Roboterarm gehalten und geführt, so daß die Bewegung des Schweißbrenners 4 numerisch gesteuert ist.
Um die Güte der Schweißnaht 3 bestimmen zu können, ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schweißnahtgüte vorgesehen, die eine Strahlereinrichtung 5a für einen streifenförmigen Strahl, eine CCD (Ladungsgekoppelte Einrichtung, charge- coupled device) Kamera 10, eine Bildverarbeitungseinrichtung 12 und einen Rechner 13 aufweist. Die Vorrichtung zum Bestimmen der Schweißnahtgüte kann ferner mit einem Überwachungs- Steuergerät 14 und einem Schweißmaschinen-Regelgerät 15 versehen sein.
Die Strahleinrichtung 5a für den streifenförmigen Strahl wird von einem Roboterarm gehalten und entlang der Schweißnaht 3 bewegt, wobei sie dem Laserschweißbrenner 4 folgt. Die Streifenstrahleinrichtung 5a weist einen Halbleiterlaser 5 zur Erzeugung eines Laserstrahles auf und ist mit einer Kollimator-Linse 6 oder einer Spaltblende und einer zylindrischen Linse 7 versehen, mit deren Hilfe der von dem Halbleiterlaser ausgetrahlte Laserstrahl in einen streifenförmigen Lichtstrahl 8 gebündelt wird. Die Streifenstrahleinrichtung 5a wirft einen streifenförmigen Lichtstrahl 8 schräg nach unten auf die Schweißnaht 3 an der Metallblechanordnung 1, wobei die Richtung der Streifenbreite des Strahles 8 rechtwinklig zur Längsrichtung der Schweißnaht 3 verläuft. Der streifenförmige Strahl 8 erzeugt auf der Oberfläche der Schweißnaht 3 und in deren Umgebung auf der Metallblechanordnung 1 eine beleuchtete Zeile oder ein Band 8A. Die beleuchtete Zeile 8A verläuft quer im rechten Winkel über die Schweißnaht 3 und ist von oben gesehen verzerrt, wenn die obere Oberfläche der Schweißnaht 3 konvex oder konkav bezüglich der Oberfläche der Metallbleche 1a und 1b ausgebildet ist.
Die CCD-Kamera 10 wird von einem Roboterarm oberhalb des beleuchteten Bereichs 8A gehalten und entlang der Schweißnaht 3 so bewegt, daß sie dem Laserschweißbrenner 4 folgt. Die CCD-Kamera 10 nimmt den beleuchteten Bereich 8A und dessen Umgebung über eine Linse 9 auf und erzeugt eine Abbildungsebene mit dem Bild 8B des beleuchteten Zeilenbereichs 8A. Dieses Abbild 8B verläuft in einer Längsrichtung senkrecht zur Schweißnaht und hat eine geringe Breite. Das Abbild 8B ist heller als der restliche Bereich der photographierten Ebene. Die Helligkeit des Abbildes 8B verändert sich in der Breitenrichtung des Bildes 8b. Genauer gesagt ist die Helligkeit umso größer, je näher man dem Breitenmittelpunkt kommt.
Weiter kann eine Anzeigevorrichtung 11 vorgesehen sein. Die Anzeigevorrichtung 11 ist mit der CCD-Kamera 10 elektrisch verbunden und zeigt die Abbildebene an, die von der CCD- Kamera 10 photographiert wird. In der von der Anzeigevorrichtung 11 dargestellten Abbildebene stellt sich die Schweißnaht horizontal verlaufend dar, während das Abbild 8B des beleuchteten Bandes 8A vertikal verläuft und dabei die Schweißnaht 3 kreuzt. Wenn die Oberfläche der Schweißnaht 3 konvex oder konkav zur Oberfläche der Metallbleche 1a und 1b vor- bzw. zurückspringt, ist das Abbild 8b nach links oder nach rechts von der Vertikalen abgelenkt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, da der streifenförmige Strahl 8 schräg auf die Schweißnaht 3 geworfen wird.
Die Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 ist mit der CCD- Kamera elektrisch verbunden. Die Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 bearbeitet das von der CCD-Kamera aufgenommene Bild, um den Mittelpunkt der Breite des Bildes 8Bentlang jeder Abtastlinie zu bestimmen und den Breitenmittelpunkt in ein digitales Signal umzuwandeln und dieses Signal für jede Abtastlinie dem Rechner zuzuführen.
Wie insbesonder in Fig. 3 genauer dargestellt, tastet die Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 die Abbildebene entlang einer horizontal verlaufenden Abtastlinie 31 ab, die etwa rechtwinklig zur Längsrichtung des Abbilds 8B ist und in Vertikalrichtung bewegt wird. Die Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 greift bei jeder horizontal verlaufenden Abtastlinie 31 zwei Signale heraus, die den einander gegenüberliegenden Breitseitenkanten 32 und 33 des Abbilds 8B entsprechen und bestimmt den Mittelpunkt der Strecke zwischen den beiden Kanten 32 und 33.
Beim Bestimmen der beiden Breitseitenkanten 32 und 33 werden mehrere (vier in der dargestellten Ausführungsform) Referenz- Helligkeitspegel verwendet. In Fig. 3 hat ein Komparator Nr. 1 die größte Referenzhelligkeit, ein Komparator Nr. 2 die zweitgrößte Referenzhelligkeit, ein Vergleicher Nr. 3 hat die drittgrößte Referenzhelligkeit und ein Komparator Nr. 4 hat die niedrigste Referenzhelligkeit. Zuerst wird der Komparator Nr. 1 auf das Abbild 8B angewendet. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall der Helligkeit des Abbildes 8B jedoch interferiert der Nr. 1 Komparator nicht mit dem Helligkeitsspitzenwert des Abbilds 8B. Anschließend wird der Komparator Nr. 2 zur Abtastung des Bildes 8B verwendet, der zwei Kanten des Abbilds 8b des beleuchteten Bandbereichs feststellt. Die Vergleicher Nr. 3 und Nr. 4 stellen gleichfalls zwei Kanten des Abbilds 8B fest. Die von einem Komparator höherer Referenzhelligkeit festgestellten Kanten sind genauer als die von einem Komparator niedrigerer Referenzhelligkeit abgetasteten Kanten. Aus diesem Grund werden die von dem Komparator Nr. 2 festgestellten Werte für die Bestimmung der Kanten des Abbildes 8B verwendet. Indem von mehreren Referenzhelligkeitspegeln Gebrauch gemacht wird, wird der Mittelpunkt der Breite (hellste Lage entlang der Abtastlinie) des Abbilds 8B so genau wie möglich bestimmt, ohne die Abtastzeit wesentlich zu vergrößern. Insbesondere wenn der Helligkeitsverlauf verzerrt und asymmetrisch zum Mittelpunkt des hellen Streifens ist, kann der Mittelpunkt ziemlich genau bestimmt werden, indem die von einem Komparator mit höherer Referenzhelligkeit ermittelten Kanten ausgewählt werden. Da die Anzahl der Referenzhelligkeiten vier beträgt, ist die Zeit zum Bestimmen des Mittelpunkts des hellen Bandes nicht wesentlich verlängert.
Anschließend bestimmt die Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 auf der Grundlage der beiden Kantensignale ein einzelnes Signal, das dem Mittelpunkt der Bildbreite 8B entlang jeder Abtastlinie 31 entspricht, und wandelt dieses Einzelsignal in Maschinensprache um, was ein digitales Signal ist, so daß es von dem Rechner 13 leicht und schnell gelesen werden kann. Dieses Signal wird dann von der Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 dem Rechner 13 zugeleitet.
Die Abtastlinie 31 wird in bestimmten Zeitabständen von einer Startstellung 31A (vgl. Fig. 3) in eine Endstellung 31B (vgl. Fig. 3) für jede Photoebene vertikal bewegt. Jedes Signal, das dem Mittelpunkt der Breite des Bildes 8B entspricht und das während eines Abtastvorgangs entlang der Abtastlinie 31 erhalten wird, wird dem Rechner 13 zugeleitet und auf einer RAM-Platte bzw. einem Speicher des Rechners 13 gespeichert.
Der Rechner 13 ist mit der Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 elektrisch verbunden. Der Rechner weist die RAM-Platte (random access memory) auf, die als Halbleiterspeicher aufgebaut ist, um eine schnellen Betrieb zu ermöglichen. Der Rechner hat ferner eine zentrale Recheneinheit (central processor unit, CPU), um eine Mittelpunktslinie 8C des Bildes 8B auf der Grundlage des Breiten-Mittelpunktssignals zu bestimmen, das ihm von der Bild-Vorverarbeitungseinrichtung 12 zugeleitet wird. Die CPU dient weiter dazu, die Eigenschaften der Schweißnaht in der momentanen Photoebene auf der Grundlage der ermittelten Mittelpunktslinie 8C zu bestimmen. Die oben beschriebene Abtast- und Speichervorgänge werden nach dem Flußdiagramm nach Fig. 4 durchgeführt, das in dem RAM-Speicher gespeichert ist und an die CPU ausgelesen wird, wenn der Überwachungsvorgang durchgeführt wird.
In Fig. 4 beginnt die Abtastung der Photoebenen am Schritt 101. Am Schritt 102 wird der RAM-Speicher des Rechners initialisiert, um zum Speichern von Daten bereit zu sein. Anschließend wird in Schritt 103 festgestellt, ob eine Abtastlinie in Vertikalrichtung bewegt werden kann. Wenn die Abtastlinie in Schritt 103 vertikal bewegt werden kann, beginnt das Abtasten entlang einer momentanen, horizontal verlaufenden Linie und das Programm geht weiter zu Schritt 104, in dem festgestellt wird, ob das Abtasten entlang der horizontalen Abtastlinie beendet ist. Wenn das Abtasten entlang der momentanen Abtastlinie endet, geht das Programm weiter zu Schritt 105, in dem die den Breitseitenkanten 32 und 33 des Abbilds 8B entsprechenden Signale und ein Breitenmittelpunkt 34 des Bildes in Form eines digitalen Signals bestimmt werden. Im darauffolgenden Schritt 106 werden die Signale in dem RAM-Speicher des Rechners 13 gespeichert.
Das Programm geht anschließend weiter zu Schritt 107, womit Abtastungen entlang der Horizontallinien wiederholt werden und die Mittelpunkte des Abbildes nacheinander in dem RAM- Speicher gespeichert werden, bis das Bild 8B von den horizontalen Abtastlinien über die gesamte Länge des Abbilds 8B von der Vertikal-Startposition 31A bis zur Vertikal-Endposition 31B abgetastet wurde. Wenn das Abtasten in Vertikalrichtung bei Schritt 107 beendet wird, geht das Programm weiter zu Schritt 108, in dem die Mittelpunktslinie 8C des Bildes 8B als Kurve aus den im Rechner gespeicherten Mittelpunktswerten für jede photographierte Ebene erstellt und in dem RAM-Speicher des Rechners gespeichert wird.
Die Mittelpunktslinie 8C des Abbilds 8B stellt die typische Oberflächenausbildung der Schweißnaht 3 und ihrer Umgebung in Form von eindimensionalen Daten dar. Eine derartige eindimensionale Darstellung verringert die Anzahl der Datenpunkte verglichen mit einem herkömmlichen zweidimensionalen System. Bei Verwendung eines eindimensionalen System sind lediglich etwa zweihundertvierzig Datenpunkte erforderlich, um die Schweißnaht 3 einer photographierten Ebene darzustellen, während bei den herkömmlichen Verfahren mit zweidimensionalen Datensätzen etwa 60000 Datenpunkte erforderlich sind, um die Schweißnaht in einer Abbildebene darzustellen. Hierdurch wird die Datenmenge erheblich verringert, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und -analyse der Schweißnaht möglich wird.
Das Programm geht anschließend weiter zu Schritt 109, in dem festgestellt wird, ob das Schweißen über die gesamte Schweißlinie 2 durchgeführt wurde. Auf diese Art und Weise wird die Schweißnaht über ihre gesamte Länge in Abständen untersucht, bis das Schweißen beendet ist. Wenn das Schweißen beendet ist, geht das Programm weiter von Schritt 109 zu Schritt 110, bei dem die Datenbestimmung und -speicherung in den Rechner 13 gemäß dem Programmende beendet wird.
Wenn das Schweißen beendet ist, werden die einer photographierten Ebene entsprechenden Daten nacheinander aus den Daten von allen in dem RAM-Speicher gespeicherten Photoebenen ausgelesen und gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Programm verarbeitet, so daß Kennwerte a - f, Θ&sub1; und Θ&sub2; einer Schweißnaht in den jeweiligen Ebenen der photographischen Betrachtung bestimmt werden. Dabei werden die Bedeutungen der Kennwerte a - f, Θ&sub1; und Θ&sub2; wie folgt festgelegt: a bedeutet die Lage einer Breitseitenkante der Schweißnaht, b bedeutet die Lage der anderen Breitseitenkante der Schweißnaht, c bedeutet die Lage einer Spitze der Schweißnahtoberfläche in einem Fall, in dem die Schweißnaht konvex ist, f bedeutet die Lage einer Senke der Schweißnahtoberfläche in einem Fall, in dem die Schweißnaht konkav ist, d bedeutet die Lage der Oberfläche eines der beiden Metallbleche 1a und 1b, e bedeutet die Lage der Oberfläche des anderen Metallbleches, Θ&sub1; bedeutet einen Gradienten oder eine Steigung der an einer Seite der Schweißnaht angelegten Tangente und Θ&sub2; bedeutet eine Steigung der an der anderen Seite der Schweißnaht angelegten Tangente.
Nach Fig. 5 wird im dortigen Schritt 201 ein nicht-kontinuierlicher Bereich (zum Beispiel ein eingeschmolzener Bereich) der Breiten-Mittelpunktslinie des Abbilds 8B ermittelt, wenn ein solcher Berich vorhanden ist. Anschließend wird im Schritt 202 der diskontinuierliche Bereich der Daten interpoliert. In Schritt 203 werden dann die Daten der Breiten- Mittelpunktslinie des Abbilds 8B gefiltert, so daß diese von Störbrummen, -rauschen o.dgl. befreit werden. Im Schritt 204 werden die Daten dann gestreckt oder ausgeweitet weiterbehandelt, so daß sie den entfernten Bereich mit einschließen. Im Schritt 205 werden die Daten dann differenziert, so daß die Steigungen der Tangenten der Schweißnaht erhalten werden. In Schritt 206 werden die Daten weiterhin einer Differenzierung zweiter Ordnung unterzogen, wodurch die Krümmung der Schweißnaht erhalten wird. Im Schritt 207 schließlich werden die oben beschriebenen Kennwerte a - f, Θ&sub1; und Θ&sub2; aus den Daten ermittelt, die zuvor in den Schritten 201 bis 206 bearbeitet wurden.
Das oben beschriebene Filtern der Daten in Schritt 203 wird wie in den Fig. 7 bis 9 dargestellt durchgeführt. Mehr im einzelnen, wenn die Breiten-Mittelpunktslinie des Abbildes 8B durch irgendeine Störung oder Rauschen gestört ist (beispielsweise wegen an der Schweißnahtoberfläche anhaftender Schweißmetallspritzer), wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, sollten die Kennwerte c und f (vgl. Fig. 6) so bestimmt werden, daß sie die Störung bzw. das Rauschen nicht enthalten. Um die Störung wie in Fig. 8 dargestellt aus den Daten zu entfernen, werden Rechteckdarstellungen (histograms) aus x-Werten im y-Werte-Bereich zwischen 0 und L1 erzeugt, wobei der y-Wert, der dem größten x-Rechteckbereich W1 entspricht, zu dem Kennwert c bestimmt wird. In ähnliche Weise werden gem. Fig. 9 Rechteckdarstellungen von x-Werten im Bereich zwischen L2 und dem maximalen y-Wert bezüglich der y-Werte erzeugt, und der y-Wert, der dem gröten x-Rechteckbereich W2 entspricht, wird als Kennwert f bestimmt. Anschließend werden W1 und W2 miteinander verglichen. Wenn W1 gleich groß oder größer als W2 ist, wird angenommen, daß f eine Störung aufweist und wird daher durch L2 ersetzt (dasselbe Niveau der Oberfläche eines Metallblechs). In ähnlicher Weise wird der Wert c durch L1 ersetzt, wenn W1 kleiner als W2 ist. Die so erhaltenen Werte der Schweißnaht für jede photographierte Ebene werden in dem RAM-Speicher des Rechners 13 gespeichert. Diese Bildverarbeitung wird bei allen Photo-Ebenen durchgeführt, die von der CCD-Kamera in Abständen photographiert werden, so daß die Kennwerte der Schweißnaht in Abständen über die gesamte Länge der Schweißnaht erzeugt werden.
Fig. 10 zeigt ein Fließbild des Verfahrens, das der Rechner durchführt, um zu bestimmen, ob die Schweißnaht annehmbar oder nicht ist. Wenn die Bearbeitungen von allen Bildern gemäß der Kontrollroutine nach Fig. 5 beendet sind, wird das Steuerprogramm nach Fig. 10 durchgeführt. Bei diesem Programm werden die Kennwerte eines jeden ermittelten Schweißnahtbildes mit den jeweiligen, vorbestimmten zulässigen Grenzwerten verglichen und so bestimmt, ob die Schweißnaht einwandfrei ist oder nicht, beispielsweise vom Gesichtspunkt der ausreichenden Festigkeit und der Dehnbarkeit beim Stanzen und keiner Gefahr von Beschädigungen der Presswalzen. In dieser Hinsicht zeigt Fig. 2 verschiedene Referenzmuster.
Im einzelnen wird in Schritt 301 bestimmt, ob ein diskontinuierlicher Bereich (eingeschmolzener Bereich) in dem Bild festgestellt wird. Ein typisches Muster fur einen derartigen diskontinuierlichen Bereich ist in Block 21 der Fig. 2 dargestellt. In Schritt 303 wird ermittelt, ob die Schweißnaht zu hoch ist. Ein typisches Beispiel für eine überhohe Schweißnaht ist in Block 16 der Fig. 2 gezeigt. Im Schritt 304 wird festgestellt, ob die Breite der Schweißnaht unzureichend ist, wie dies in Block 18 der Fig. 2 dargestellt ist. In Schritt 305 wird überprüft, ob eine Verwerfung zwischen den Oberflächen der Metallbleche 1a und 1b aufgetreten ist. Ein typisches Beispiel hierfür ist in Block 20 der Fig. 2 gezeigt. In Schritt 306 schließlich wird überprüft, ob die Steigungen der an die Seiten der Schweißnaht angelegten Tangenten im zulässigen Bereich liegen. Diese Überprüfungen und Bestimmungen werden nacheinander solange durchgeführt, bis die Untersuchung der Schweißnaht gemäß aller Photo-Ebenen in Schritt 307 beendet wird. Die Anzahl von Datenpunkten, die als außer den Grenzwerten liegend bestimmt wurden, wird gezählt. Dann geht die Routine weiter zu Schritt 308, worin bestimmt wird, ob die Schweißnaht einwandfrei ist oder nicht, und zwar auf der Grundlage einer vorher festgelegten Vorschrift und der gezählten Anzahl von unbefriedigenden Werten. Das Ergebnis der Beurteilung wird den Überwachungs-Steuergeräten 14 und 15 zugeleitet.
Die Datenverarbeitungen nach den Programmen in Fig. 5 und 10 werden in dem Personal Computer durchgeführt, nachdem das Schweißen entlang der Schweißlinie 2 beendet ist. Die Zeit, die zur Verarbeitung der Daten gem. den Fig. 5 und 10 erforderlich ist, beträgt höchstens drei Sekunden. Im Ergebnis wird eine On-Line- und Echtzeitbestimmung der Schweißnahtqualität möglich.
Die Daten werden gemäß der Routine nach Fig. 11 beim Schweißen weiter verarbeitet, so daß eine nicht einwandfreie Anordnung mit defekter Schweißnaht ohne Zeitverlust entdeckt wird. Die Routine nach Fig. 11 wird während des Schweißens durchgeführt, während das Programm nach Fig. 10 nach dem Schweißen abläuft. Die Verarbeitung der Daten mit dem Programm nach Fig. 11 wird durchgeführt, so daß eine defekte Anordnung die Stanzwalzen nicht beschädigen kann, wenn die einstückige Anordnung von den Walzen nach dem Schweißen gestanzt wird.
Mehr im einzelnen werden nach Fig. 11 die im RAM-Speicher gespeicherten Daten der Breiten-Mittelpunkte des Bildes 8B (Daten aus der Routine gem. Fig. 4) auch dem Dateneingang in Schritt 401 zugeführt und im Programmabschnitt nach Fig. 11 verarbeitet. Anschließend werden die Daten des Bildes 8B der momentanen Photoebene in Schritt 402 überprüft, um festzustellen, ob die Schweißnaht des momentanen Bildes 8B einwandfrei ist oder nicht. In Schritt 403 wird anschließend bestimmt, ob die Schweißnaht in einem Teilbereich der Schweißlinie, der der momentanen Photoebene entspricht, fertiggestellt wurde. Wenn in dem Bereich fertiggeschweißt wurde, geht die Routine weiter zu Schritt 404, in dem festgestellt wird, ob es Daten gab, die außerhalb der erlaubten Grenzwerte bei den Feststellungen nach Schritt 402 lagen. Wenn die Schweißnaht der momentanen Photoebene die erlaubten Grenzwerte überschreitet, geht das Programm weiter zu Schritt 405, in dem der Kontrolleinrichtung Informationen für die Schweißmaschinenkontrolleinrichtung 15 zugeleitet werden, so daß das Schweißen sofort beendet wird. Wenn die Werte der Schweißnaht der momentanen Photoebene innerhalb der Grenzwerte liegen, geht die Routine von Schritt 404 weiter zu Schritt 406, so daß die oben beschriebene Überprüfung wiederholt durchgeführt wird, bis die Überprüfung der Bilder aller Photoebenen abgeschlossen ist. Wenn die Überprüfung aller Schweißnahtteile beendet ist, wird der Programmschritt 407 durchgeführt, in dem entschieden wird, ob die Anordnung der miteinander verschweißten Metallbleche dem nächsten Herstellungsschritt zugeführt werden kann, indem die Schweißnahtdaten mit einer vorher festgelegten Spezifikation verglichen werden. In einem Fall, in dem die Anordnung der nächsten Verarbeitungsstufe nicht zugeführt werden sollte, geht das Programm weiter zu Schritt 408, in dem der Antrieb der Fördereinrichtung sofort angehalten wird. Wenn in Schritt 407 kein STOP-Befehl ausgegeben wird, geht das Programm weiter zu Schritt 409, in dem die Routine beendet wird.
Mit der Erfindung werden die folgenden Vorteile erreicht.
Da eine Daten-Vorverarbeitungseinheit zwischen der CCD-Kamera und dem Rechner zwischengeschaltet ist, die das Abbild des die Schweißnahtform representierenden beleuchteten Streifens oder Bandes in eindimensionale Daten umwandelt, bevor sie die Daten weiter an den Rechner leitet, ist die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung sehr hoch, so daß eine On-Line- und eine Echtzeit-Datenverarbeitung möglich ist. Darüberhinaus werden die verarbeiteten Daten in der Daten-Vorverarbeitungseinheit in Maschinensprache umgewandelt, was zur Folge hat, daß die Untersuchungsgeschwindigkeit hinsichtlich der Schweißnahtgüte sehr groß werden kann. Im Ergebnis ist es möglich, die Schweißnahtgüte On-Line oder in Echtzeit zu bestimmen. Bei Bestimmung der Schweißnahtgüte kann ein Personal Computer verwendet werden, so daß es nicht erforderlich ist, einen großen und sehr schnellen Rechner einzusetzen, wodurch die Kosten der Überwachungsvorrichtung wesentlich erhöht würden.
Da weiterhin mehrere Helligkeitsreferenzpegel zur Bestimmung der Breite des Bildes des beleuchteten Streifens verwendet werden, ist es möglich, die Breite des Bildes und damit auch die Mitte des Abbildes exakt zu bestimmen, ohne die Abtastzeit wesentlich zu verlängern, die erforderlich ist, um die Mittellinie zu erhalten.
Ferner kann die Schweißnahtgüte aus verschiedenen Blickpunkten beurteilt werden, da eine Vielzahl von Kennwerten anhand der Mittelpunktlinie des Abbilds des beleuchteten Streifens bestimmt werden, die dann mit vorbestimmten, entsprechenden Grenzwerten verglichen werden. Aus diesem Grund ist eine erstklassige Beurteilung der Schweißnaht möglich.
Da der Rechner mit einer RAM-Platte versehen ist, die als Halbleiterspeicher ausgebildet ist, ist die Geschwindigkeit beim Datenspeichern und Datenlesen in bzw. aus dem Speicher sehr groß, was zu einer weiteren Geschwindigkeitserhöhung bei der Datenverarbeitung durch die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beiträgt.
Wenn weiterhin irgendwelche Störungen oder Rauschen vorhanden sind, kann es von der Mittelpunktlinie des Bildes des beleuchteten Streifens herausgefiltert werden, was eine zuverlassige Bewertung der Schweißnaht erlaubt. Schließlich können auch angemessene Gegenmaßnahmen zur Behebung eines festgestellten Fehlers getroffen werden, da die Lage und die Einzelheiten des Fehlers an der Schweißnaht eindeutig festgestellt werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Schweißnahtgüte, mit:

- einer Spalt-Strahleinrichtung (5a) zum Erzeugen eines streifenförmigen Lichtstrahls und zum Projizieren des streifenförmigen Strahls (8) schräg nach unten auf eine Schweißnaht von aneinander stoßenden Metallblechen (1a, 1b) mit einer Breitenrichtung des Spaltstrahls (8) rechtwinklig zur Längsrichtung der Schweißnaht (3), so daß der Spaltstrahl (8) auf der Oberfläche der geschweißten Anordnung der Metallbleche einen beleuchteten Streifen (8A) erzeugt, wobei ein Teil des die Schweißnaht kreuzenden, beleuchteten Streifens (8A) bezüglich einer Verlängerung des restlichen Teils des beleuchteten Streifens (8A) abhängig von der Ausbildung der Oberfläche der Schweißnaht verzerrt wird;

- einer CCD-Kamera (10), die oberhalb des beleuchteten Streifens (8A) angeordnet ist und die entlang der Schweißnaht (3) bewegt wird, um den beleuchteten Streifen (8A) aufzunehmen und um eine Photoebene zu erzeugen, die ein Abbild (8B) des beleuchteten Streifens (8A) darstellt, wobei das Bild (8B) heller ist als der restliche Bereich der Photoebene und am hellsten ist am Mittelpunkt der Breite des Abbilds (8B) in Richtung der Breite des Abbilds (8B); und

- einem Rechner (13), der mit der CCD-Kamera (10) elektrisch verbunden ist und der eine RAM-Platte zum zeitweiligen Speichern der von der CCD-Kamera (10) gelieferten Daten aufweist, und der eine Mittelpunktslinie des Abbildes (8B) bestimmt, das ein-dimensionale Daten enthält, und der Kennwerte des Bildes (8B) bestimmt und diese Kennwerte mit entsprechenden, vorbestimmten Grenzwerten für eine einwandfreie Schweißnaht vergleicht, um so zu bestimmen, ob die momentane Schweißnaht akzeptabel ist oder nicht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der CCD-Kamera (10) und dem Rechner (13) eine Bild-Vorverarbeitungseinheit (12) angeordnet ist, mit der CCD- Kamera elektrisch verbunden ist, um die Photoebene entlang einer Abtastlinie (31) abzutasten, die etwa rechtwinklig zur Längsrichtung des Abbildes (8B) verläuft und die in Längsrichtung des Bildes (8B) bewegt wird, wobei die Einheit die gegenüberliegenden Breitseitenkanten (32, 33) des Bildes (8B) bestimmt, das eine größere Helligkeit hat als ein Referenzhelligkeitspegel, der aus mehreren Referenz-Helligkeitspegeln entlang der Abtastlinie (31) ausgewählt ist, und wobei die Vorverarbeitungseinheit auf Grundlage der gegenüberliegenden Breitseitenkanten (32, 33) des Bildes (8B) entlang der Abtastlinie (31) einen Breitenmittelpunkt bestimmt und ein dem Breitenmittelpunkt des Bildes (8B) entsprechendes Signal in Form eines Digitalsignals ausgibt, wobei die Abtastlinie in vorbestimmten Zeitintervallen in Längsrichtung des Bildes (8B) weiterbewegt wird, so daß das dem Breitenmittelpunkt des Bildes (8B) entsprechende Signal an jeder Stelle der Abtastlinie (31) in Längsrichtung des Bildes (8B) ausgegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalt-Strahleinrichtung (5a) einen Halbleiterlaser (5) zum Ausstrahlen eines Laserstrahls aufweist und eine Kollimatorlinse (6) und eine zylindrische Linse (7) zum Bündeln des von dem Halbleiterlaser (5) ausgestrahlten Laserstrahls in den streifenformigen Strahl hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem Rechner (13) elektrisch verbundene Überwachungs- Kontrolleinrichtung (14) zum Starten und Beenden des Rechnerbetriebs und durch eine elektrisch mit der Überwachungs-Kontrolleinrichtung (14) verbundene Schweißmaschinen-Kontrolleinrichtung (15) zum Starten und An halten der Schweißmaschine.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bild-Vorverarbeitungseinheit (12) eine Anzeigevorrichtung (11) aufweist, um die Photoebene anzuzeigen, in der das Abbild (8B) des beleuchteten Streifens (8A) in Vertikalrichtung verläuft und die Abtastlinie (31) sich in horizontaler Richtung erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) ein Personal Computer ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) eine RAM-Platte mit Halbleiterspeicher aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Referenz-Helligkeitspegeln vier verschiedene Helligkeitspegel haben, die von zugehörigen Komparatoren bestimmt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) mit Mitteln versehen ist, um eine Störung (noise) von der Mittelpunktlinie des Abbildes (8B) zu entfernen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Grenzwerte für eine einwandfreie Schweißnaht Grenzwerte für die Schweißnahterhöhung, für die Schweißnahteinschnürung, die Schweißnahtbreite, die Schweißnahtunterschneidung, den Schweißnahtversatz zwischen den Metallblechen und für Schweißnahtunterbrechungen mit einschließen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner Mittel aufweist, um in Echtzeit oder ohne Zeitverzögerung zu bestimmen, ob die Schweißnaht (3) einen Fehler hat, mit dem ein vorbestimmter Grenzwert überschritten wird, und mit einer Einrichtung versehen ist, um das Schweißen zu beenden, wenn ein Fehler festgestellt wird, mit dem der Grenzwert für die Schweißnaht überschritten wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (3) einer Laser-Schweißnaht ist, die verschiedene Metallbleche (1a, 1b) zum einstückigen Ausstanzen eines Autombilbauteils verbindet.