EP4126438A1

EP4126438A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG EINES KAMERABILDES EINER SCHWEIßNAHT ZUM BILDVERARBEITUNGSGESTÜTZTEM LASERTRANSMISSIONSSCHWEIßEN

Info

Publication number: EP4126438A1
Application number: EP21716260.1A
Authority: EP
Inventors: Franz STEFAN; Jan Werschnik; Steffen REINL; Sebastian TASCHNER; Benedikt Brandau
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2023-02-08
Also published as: US20230142104A1; WO2021190705A1; CN115379920A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kamerabildes, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschweißverfahren eine Baugruppe (1) verschweißt werden soll. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das transparente Bauteil (2) der Baugruppe (1) von einer der Kamera (5) abgewandten Seite her beleuchtet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist und bei der eine Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine Lichtquelle (6) aufweist, die in einem Werkstückhalter (4) angeordnet ist, in dem die zu verschweißende Baugruppe (1) in einem Aufnahmebereich (4.1) aufgenommen wird, und die in den Aufnahmebereich (4.1) gerichtet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Kamerabildes einer Schweißnaht zum bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschweißen

Bei bildverarbeitungsgestützten Fertigungsprozessen werden Steuersignale zur Durchführung des Fertigungsprozesses aus Kamerabildern abgeleitet. Eine derartige Steuerung ist dann von Interesse, wenn die Bauteiltoleranzen so groß sind, dass ein fest eingegebenes Bewegungsregime des Werkzeuges, nicht zu einem gewünschten Bearbeitungsergebnis führt.

Das Kamerabild kann dabei das Abbild eines zu bearbeitenden Bauteils oder von Details des Bauteils sein, aus dem die Position, die Orientierung und die Form des Bauteils bzw. des zu bearbeitenden Details des Bauteils ableitbar sind. Die Erkennung dieser Eigenschaften erfordert technisch eine Kontrasterzeugung im Kamerabild, d.h. in dem Kamerabild muss sich das Bauteil bzw. das interessierende Detail mit seiner Kontur deutlich von der Umgebung abheben. Üblicherweise werden für die Beleuchtung des Bauteils bzw. des interessierenden Details Beleuchtungssysteme verwendet, die mit einem zum Abbildungsstrahlengang der Kamera koaxialen oder geneigt angeordneten Beleuchtungsstrahlengang die Objektebene der Kamera ausleuchten.

Beim Lasertransmissionsschweißen besteht eine Besonderheit darin, dass die zu bearbeitende Kontur (Schweißkontur) durch einen Kontaktbereich gebildet wird, über den ein für die Laserstrahlung transparentes Bauteil und ein für die Laserstrahlung absorbierendes Bauteil aneinander anliegen. Das heißt ausgehend von einer Lichtquelle eines üblich angeordneten Beleuchtungssystems liegt die Schweißkontur, die mit der Kamera erfasst werden soll, im Beleuchtungsstrahlengang hinter dem für die Laserstrahlung transparenten Bauteil. Das führt zumindest zu einer Kontrastminderung der Abbildung, insbesondere wenn die Oberfläche des transparenten Bauteils uneben ist und damit streuend wirkt.

Damit ein Schweißen entlang der Schweißkontur bildverarbeitungsgestützt gesteuert werden kann, muss die Schweißkontur im Kamerabild klar erkennbar sei. Das ist nur dann möglich, wenn die beiden zu verschweißenden Bauteile nur entlang der Schweißkontur in Kontakt stehen. Das ist gegeben, wenn die Schweißkontur durch eine an dem für die Laserstrahlung absorbierenden Bauteil ausgebildete Stirnfläche gebildet ist, wobei die Stirnseite zwingend von zwei Kanten begrenzt ist. Vorteilhaft, liegt diese Stirnfläche in einer Ebene, in die zur Durchführung des Verfahrens ein Laserstrahl, der über die Stirnfläche scannend geführt wird, fokussiert wird.

Eine weitere Besonderheit liegt beim Lasertransmissionsschweißen darin, dass während der Verfahrensdurchführung die beiden zu verschweißenden Bauteile kraftschlüssig aneinandergedrückt werden, damit sie im Kontaktbereich spaltfrei aneinander liegen. Dazu werden Werkstückhalter mit Spannwerkzeugen verwendet, mit denen auf dem transparenten Bauteil aufliegende Spannmasken oder Spannstempel verspannt werden. Damit die notwendige mechanische Verbindung des Spannwerkzeuges mit einer Spannmaske und/oder einem Spannstempel im Abbildungsstrahlgang nicht abschattend wirken, ist es bekannt diese Verbindung aus einem für die Laserstrahlung und die Beleuchtungsstrahlung transparenten Material zu fertigen. Eine einfache Lösung hierfür ist eine Glasplatte die auf die Spannmaske und/oder den Spannstempel aufgelegt wird und die außerhalb des Abbildungsstrahlenganges mit dem Spannwerkzeug in Verbindung steht. Eine solche Glasplatte muss dann nicht nur für die Laserstrahlung, sondern auch für die Beleuchtungsstrahlung entspiegelt werden, was wiederrum zusätzlich zum erhöhten Herstellungsaufwand zu einem Lichtverlust für die Ausleuchtung der Schweißkontur führt. Nachfolgend soll unter der Begriff Werkstückhalter eine Einrichtung verstanden werden, die einen Aufnahmebereich aufweist, in dem die Bauteile einer zu schweißenden Baugruppe in ihrer Relativlage zueinander und zur Kamera kraftschlüssig miteinander entlang der Stirnfläche in Verbindung stehen.

Abhängig von der Bauteilgeometrie kann die Stirnfläche (nachfolgend auch Schweißkontur) an unterschiedlichen Positionen am Bauteil liegen, sowie die unterschiedlichste Form, Größe und Orientierung aufweisen. Häufig entspricht die Schweißkontur einer Ringfläche, wobei die Form der Ringfläche beliebig sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Schweißkontur durch eine Anordnung von Vollflächen gebildet sein.

Um aus der Abbildung der Schweißkontur ein Steuersignal abzuleiten, wird die Schweißkontur, das Objektfeld der Kamera möglichst ausfüllend, abgebildet. Damit liegt z.B. eine ringförmige Schweißkontur im Randbereich des Objektfeldes. Hierfür erfolgt die Beleuchtung gemäß dem Stand der Technik bevorzugt im Auflicht durch Ringlichter oder um das Bauteil angeordnete Balkenbeleuchtungen. Dabei kann es zu Abschattungen durch den Werkstückhalter kommen. Häufig wird auch aufgrund der Streuung des Lichtes an der Oberfläche des transparenten Bauteils nur die Oberfläche des transparenten Bauteils abgebildet und nicht die Stirnseite des absorbierenden Bauteils, welche die Ist-Kontur für die zu schweißende Schweißnaht bestimmt.

Auf ein durch die Ist-kontur gesteuertes Schweißen zu verzichten und den Laser entsprechend einer vorprogrammierten Soll-Kontur zu steuern, führt zu einer Ausschussrate, die erst in nachfolgenden Prozessschritten, z.B. bei einer Dichtheitsprüfung, Spannungsmessung, und oder anderen für den Fachmann denkbaren Folgeverfahren / -schritten festgestellt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein kontrastreiches Kamerabild der Stirnfläche des absorbierenden Bauteils einer mit Lasertransmissionsschweißen zu verschweißenden Baugruppe zu schaffen.

Es ist auch die Aufgabe der Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird für ein Verfahren zur Erzeugung eines Kamerabildes, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschweißverfahren eine Baugruppe verschweißt werden soll, gelöst. Es wird ein Werkstückhalter mit einem Aufnahmebereich, in dem die Baugruppe fixiert ist, zur Verfügung gestellt. Die Baugruppe umfasst ein für eine Laserstrahlung absorbierendes Bauteil mit einer Stirnfläche, die durch wenigstens eine mit wenigstens einer Wandfläche des absorbierenden Bauteils gebildeten Kante begrenzt ist. Diese Stirnfläche stellt die Schweißkontur dar. Auf der Stirnfläche aufliegend ist ein für die Laserstrahlung transparentes Bauteil angeordnet.

Es wird des Weiteren eine Kamera, mit einer Kameraachse zur Verfügung gestellt, wobei die Kameraachse auf die Baugruppe ausgerichtet wird.

Zur Aufnahme des Kamerabildes wird die Baugruppe beleuchtet und die Kamera wird ausgelöst. Es ist für das Verfahren erfindungswesentlich, dass das transparente Bauteil von einer der Kamera abgewandten Seite her beleuchtet wird.

Vorteilhaft wird wenigstens ein Beleuchtungsstrahl teilweise auf die Wandfläche, die Kante streifend, gerichtet, wodurch in dem Kamerabild die Kante als Hell-Dunkel- Übergang abgebildet wird und aus der Relativlage der Abbildung der Kante im Kamerabild die Relativlage der an die Kante angrenzende Schweißkontur abgeleitet wird.

Alternativ ist es ebenfalls von Vorteil, wenn wenigstens ein Beleuchtungsstrahl so in das transparente Bauteil eingekoppelt wird, dass er innerhalb des transparenten Bauteils weitergeleitet wird, wobei auf die anliegende Stirnfläche auftreffende Strahlungsanteile des Beleuchtungsstrahls in Richtung zur Kamera hin abgelenkt oder absorbiert werden, wodurch in dem Kamerabild die Stirnfläche gegenüber einem Hintergrund heller oder dunkler abgebildet wird.

Es kann auch eine Folge von Kamerabildern erstellt werden, während die Kamera um einen Drehpunkt geschwenkt wird, womit die Schweißnaht aus unterschiedlichen Richtungen abgebildet wird.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kamerabildes, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschweißverfahren eine Baugruppe, mit einem für eine Laserstrahlung transparenten Bauteil und einem für die Laserstrahlung absorbierenden Bauteil, verschweißt werden soll, wobei das absorbierende Bauteil wenigstens eine Stirnfläche aufweist, die durch wenigstens eine mit wenigstens einer Wandfläche des absorbierenden Bauteils gebildeten Kante begrenzt ist und die Schweißkontur darstellt, und das transparente Bauteil auf der Stirnfläche aufliegt, gelöst. Die Vorrichtung enthält einen Werkstückhalter, mit einem Aufnahmebereich innerhalb dem die Baugruppe fixiert wird, eine Kamera, mit einer Kameraachse, die auf den Aufnahmebereich gerichtet, angeordnet ist, wobei eine Objektebene der Kamera innerhalb des Aufnahmebereiches liegt, indem die Schweißkontur einer aufgenommenen Baugruppe zu liegen kommt, und eine Beleuchtungseinheit, die wenigstens eine einen Beleuchtungsstrahl aussendende Lichtquelle aufweist.

Es ist erfindungswesentlich, dass die wenigstens eine Lichtquelle an oder in dem Werkstückhalter angeordnet und in den Aufnahmebereich gerichtet ist.

Es ist von Vorteil, wenn die wenigstens eine Lichtquelle unterhalb der Objektebene und zur Kameraachse geneigt ausgerichtet angeordnet ist, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl an einer aufgenommenen Baugruppe wenigstens ein Teilstück der wenigstens einen Kante streifend, direkt beleuchtet.

Alternativ ist die wenigstens eine Lichtquelle vorteilhaft oberhalb der Objektebene fluchtend, parallel oder geneigt zur Kameraachse ausgerichtet angeordnet, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl in einer aufgenommenen Baugruppe gestreut, wenigstens ein Teilstück der wenigstens einen Kante streifend, indirekt beleuchtet.

Je nach der Lage der Schweißnaht am Bauteil ist es günstiger entweder, wenn die wenigstens eine Lichtquelle innerhalb des Aufnahmebereiches angeordnet ist oder wenn sie außerhalb des Aufnahmebereiches angeordnet ist.

Es kann auch von Vorteil sein, wenn die wenigstens eine Lichtquelle oberhalb der Objektebene und parallel zur Objektebene ausgerichtet ist, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl in eine aufgenommene Baugruppe, in das transparente Bauteil eingekoppelt wird, und auf die anliegende Stirnfläche auftreffende

Strahlungsanteile in Richtung zur Kamera hin abgelenkt oder absorbiert werden.

Vorteilhaft ist anstelle der mindestens einen Lichtquelle, eine Öffnung in dem Werkstückhalter vorhanden ist, durch die der Beleuchtungsstrahl in den Werkstückhalter eingekoppelt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter der Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipskizze für ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 1b eine Draufsicht auf einen Werkzeughalter gemäß dem ersten

Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Werkzeughalters gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Werkzeughalters gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Schnittdarstellung, Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Werkzeughalters gemäß einem vierten

Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Schnittdarstellung und Fig. 5 eine Prinzipskizze eines Werkzeughalters gemäß einem fünften

Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Schnittdarstellung.

Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Kamerabild erzeugt, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschweißverfahren eine Baugruppe 1 verschweißt werden soll.

Das Verfahren beginnt mit der Zurverfügungstellung eines Werkstückhalters 4 mit einem Aufnahmebereich 4.1 in dem die Baugruppe 1 fixiert ist. Die Baugruppe 1 umfasst ein transparentes Bauteil 2 und ein absorbierendes Bauteil 3. Das absorbierende Bauteil 3 ist für eine zum Verschweißen der Baugruppe 1 geeignete Laserstrahlung weitestgehend absorbierend und weist wenigstens eine Stirnfläche 3.1 auf, die durch wenigstens eine mit einer Wandfläche 3.2 des absorbierenden Bauteils 3 gebildeten Kante 3.3 begrenzt ist. Diese wenigstens eine Stirnfläche 3.1 stellt die Schweißkontur dar. In der nachfolgenden Beschreibung soll der Einfachheit halber von einer Stirnfläche 3.1 ausgegangen werden, die auch aus mehreren voneinander beabstandeten Bereichen bestehen kann. Auf der Stirnfläche 3.1 liegt das transparenten Bauteil 2, eine Grenzfläche bildend, auf. Es ist für eine zum Verschweißen der Baugruppe 1 geeignete Laserstrahlung weitestgehend transparent und wird durch Spanmittel gegen die Stirnfläche 3.1 angedrückt, um einen zum Lasertransmissionsschweißen guten Flächenkontakt in einem Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche 3.1 und der Oberfläche des transparenten Bauteils 2, über die Grenzfläche herzustellen.

Zum Schweißen der Baugruppe 1 wird ein Laserstrahl über die Baugruppe 1 entlang der Stirnfläche 3.1 geführt, wobei das transparente Bauteil 2 von dem Laserstrahl durchdrungen wird, auf das absorbierende Bauteil 3 auftrifft und dieses erhitzt. Durch Wärmeleitung wird das lasertransparente Bauteil 2 in einem mit dem absorbierenden Bauteil 3 gebildeten Kontaktbereich erwärmt und es kommt zum Verschmelzen und zur Bildung einer Schweißnaht. Das eigentliche Verschweißen ist nicht Gegenstand des hier beschriebenen Verfahrens.

Zur Verfahrensdurchführung wird des Weiteren eine Kamera 5, mit einer Kameraachse 5.0 zur Verfügung gestellt und mit der Kameraachse 5.0 auf die in dem Werkstückhalter 4 fixierten Baugruppe 1 gerichtet. Dabei muss sich nicht die gesamte Baugruppe 1 im Objektfeld der Kamera 5 befinden. Es reicht ein Ausschnitt der die Stirnfläche 3.1 enthält und eine Bezugsbasis an der Baugruppe 1 , um neben der Form und Größe der Stirnfläche 3.1 auch die Lage und Orientierung der Stirnfläche 3.1 aus dem Kamerabild ableiten zu können.

Es wird dann mit der Kamera 5 ein Kamerabild erzeugt, wobei zeitgleich das transparente Bauteil 2 von einer der Kamera 5 abgewandten Seite her beleuchtet wird. Von dem transparenten Bauteil 2 gegebenenfalls reflektiertes Licht kann somit nicht in die Kamera 5 fallen. Die Kamera 5 kann auch während sie eine Folge von Kamerabildern aufnimmt um einen Drehpunkt 5.2 geschwenkt werden.

Die Beleuchtung führt im Kamerabild zu einem Hell-Dunkel-Übergang (Kontrastsprung) entlang wenigstens einer Kante 3.3 der Stirnfläche 3.1 , wobei die Stirnfläche 3.1 gegenüber einem Hintergrund heller aber auch dunkler erscheinen kann.

Ist die Stirnfläche 3.1 eine geschlossene Fläche, so weist sie eine umlaufende Wandfläche 3.2 und entsprechend eine umlaufende Kante 3.3 auf.

Ist die Stirnfläche 3.1 eine Ringfläche oder der Abschnitt einer Ringfläche, so weist sie zwei umlaufende Wandflächen 3.2, die eine innere und eine äußere Wandfläche darstellen, und entsprechend zwei Kanten 3.3 auf, die bei einem typischerweise topfähnlichen absorbierenden Bauteil 3 eine innere und eine äußere Kante darstellen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele für das Verfahren sind je nach der Form der Baugruppe 1 und der davon bestimmten Form und Lage der Stirnfläche 3.1 mehr oder weniger vorteilhaft geeignet. Auch die später beschriebenen Ausführungsbeispiele für einer zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sind in Abhängigkeit der Form der Baugruppe 1 und der davon bestimmten Form und Lage der Stirnfläche 3.1 mehr oder weniger vorteilhaft.

Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung werden nachfolgend anhand eine zu verschweißenden Baugruppe 1 in Form einer sogenannten Topf-Deckel- Baugruppe erläutert werden. Das kann z.B. ein Behälter mit einem Einfüllstutzen sein, wie in den Fig. 1 - 3 gezeigt. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für das Verfahren, wird wenigstens ein Beleuchtungsstrahl so auf die Baugruppe 1 gerichtet, dass er teilweise auf eine der wenigstens einen Wandfläche 3.2 auftrifft, wobei er eine der wenigstens einen Kante 3.3 streift. In dem Kamerabild wird die betreffende Kante 3.3 als Kontrastsprung abgebildet wird. Im Wissen um die Relativlage der Abbildung der betreffenden Kante 3.3 im Kamerabild, kann die Relativlage der an die Kante 3.3 angrenzende Schweißkontur abgeleitet werden. Weist die Stirnflächen 3.1 , wie in Fig. 1 - 3 gezeigt, zwei Kanten 3.3 auf ist es ausreichend, wenn eine der beiden Kanten 3.3 erfindungsgemäß beleuchtet wird. Da die betreffende Kante 3.3 die Stirnfläche 3.1 begrenzt lässt sich aus der Länge, der Form, der Lage und der Orientierung gleiches für die Stirnfläche 3.1 ableiten.

Praktisch kann diese Art der Beleuchtung von außen auf die Baugruppe 1 gerichtet erfolgen, wie in Fig. 1a - 1b gezeigt, wobei die betreffende Kante 3.3 dann eine äußere Kante und die betreffende Wandfläche 3.2 dann eine äußere Wandfläche ist. Insbesondere für Baugruppen 1 , bei denen die Stirnfläche 3.1 an eine äußerste Umfangsfläche des absorbierenden Bauteils 3 angrenzt, ist diese Ausführung der Beleuchtung vorteilhaft. Dabei ist es unerheblich, ob das transparente Bauteil 2 über die äußere Kante hinausragt oder mit dieser abschließt. Der Beleuchtungsstrahl muss lediglich so auf die Baugruppe 1 gerichtet werden, dass keine Anteile in die Kamera 5 fallen können.

Diese Art der Beleuchtung kann alternativ auch in das Innere der Baugruppe 1 gerichtet oder von innen erfolgen, wobei die betreffende Kante 3.3 dann eine innere Kante und die betreffende Wandfläche 3.2 dann eine innere Wandfläche ist. Diese Ausführung der Beleuchtung ist insbesondere für Baugruppen 1 geeignet, die als absorbierendes Bauteil 3 einen durch die Wandfläche 3.2 begrenzten Behälter enthält und indem Behälter oder, wie in Fig. 2 - 3 dargestellt, in dem abdeckenden transparenten Bauteil 2 eine Öffnung vorhanden ist. Das Innere des Behälters (Kavität) wird dann von innen ausgeleuchtet, indem der wenigstens durch die Öffnung eingekoppelt und diffus gestreut wird und so die Kavität des den Behälter abdeckenden Teil des transparenten Bauteils 2 ausleuchtet. Die Kavität wirkt hier wie die eigentliche Lichtquelle. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird wenigstens ein Beleuchtungsstrahl so in das transparente Bauteil 2 eingekoppelt, dass er innerhalb des transparenten Bauteils 2 weitergeleitet wird, sodass dieses als eine Sekundärlichtquelle wirkt. Dabei werden die auf die mit der Stirnfläche 3.1 gebildete Grenzfläche des absorbierenden Bauteils 3 auftreffende Strahlungsanteile des Beleuchtungsstrahls in Richtung zur Kamera 5 hin abgelenkt oder absorbiert, wodurch in dem Kamerabild die Stirnfläche 3.1 gegenüber einem Hintergrund, gebildet durch das transparente Bauteil 2, heller oder dunkler abgebildet wird. Das transparente Bauteil 2 wirkt hier wie die eigentliche Lichtquelle.

Ob Strahlungseinteile des Beleuchtungsstrahl reflektiert, gestreut oder absorbiert werden, hängt insbesondere von der Oberfläche der Grenzfläche, aber auch vom Material des absorbierenden Bauteils 3 und seinen Eigenschaften bezogen auf die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls ab. In jedem Fall entsteht an der Kante 3.3 die hier eine innere und/ oder äußere Kante sein kann, ein Kontrastsprung.

Eine solche Ausführung der Beleuchtung ist vorteilhaft für Baugruppen 1 geeignet, beim denen das transparente Bauteil 2 durch eine Planplatte gebildet ist, wie in Fig. 5 gezeigt.

In allen Ausführungen erfolgt die Beleuchtung vorteilhaft mit mehreren Beleuchtungsstrahlen, die jeweils von einer Lichtquelle 6 ausgesendet werden, die in Abhängigkeit von der Relativlage, der Form und der Größe der Stirnfläche 3.1 auf die Baugruppe 1 gerichtet werden.

Entsprechend unterscheiden sich die Ausführungen einer für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthält grundsätzlich einen Werkstückhalter 4, mit einem Aufnahmebereich 4.1 innerhalb dem die Baugruppe 1 fixiert wird und eine Kamera 5, mit einer Kameraachse 5.0, die auf den Aufnahmebereich 4.1 gerichtet, angeordnet ist. Dabei liegt eine Objektebene 5.1 der Kamera 5 innerhalb des Aufnahmebereiches 4.1. Die Vorrichtung enthält des Weiteren eine Beleuchtungseinheit mit wenigstens einer Lichtquelle 6, die an oder in dem Werkstückhalter 4 angeordnet ist. Die mindestens eine Lichtquelle 6 gibt einen Beleuchtungsstrahl ab, der in den Aufnahmebereich 4.1 gerichtet ist. Bei der Lichtquelle 6 kann es sich je nach konkreter Ausführung um eine diffus abstrahlende Lichtquelle 6, eine fokussierende oder eine telezentrisch abstrahlende Lichtquelle 6 handeln.

Damit die Schweißkontur optimal im Kamerabild abgebildet wird bzw. auf dem Kamerabild ableitbar ist, ist eine Baugruppe 1 , wie sie bereits beschrieben wurde, so im Aufnahmebereich 4.1 angeordnet, dass die Stirnfläche 3.1 in der Objektebene der Kamera 5.1 liegt. Abweichungen hiervon sind ohne Auswirkung auf die Abbildungsqualität, solange sie innerhalb des Tiefenschärfebereiches der Kamera 5 liegen.

In einem ersten Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung, gezeigt in Fig. 1a - 1b, enthält die Beleuchtungseinheit mehrere jeweils einen Beleuchtungsstrahl aussendende Lichtquellen 6, die unterhalb der Objektebene 5.1 und zur Kameraachse 5.0 geneigt ausgerichtet angeordnet sind. Die einzelnen Beleuchtungsstrahlen beleuchten direkt jeweils ein Teilstück der Kante 3.3 einer aufgenommenen Baugruppe 1 streifend. Das absorbierende Bauteil 3 schattet begrenzt durch die umlaufende Kante 3.3 die Beleuchtungsstrahlen ab, sodass in der Kameraabbildung entlang der Kante 3.3 ein Kontrastsprung entsteht.

Alternativ kann als Kante 3.3 die innere Kante des absorbierenden Bauteils 3 beleuchtet werden. Dazu weist die Beleuchtungseinheit wenigstens eine, einen Beleuchtungsstrahl aussendende Lichtquelle 6 auf, die oberhalb der Objektebene 5.1 fluchtend, parallel oder geneigt zur Kameraachse 5.0 ausgerichtet angeordnet ist, womit der wenigstens einen Beleuchtungsstrahl in einer aufgenommenen Baugruppe 1 gestreut, wenigstens ein Teilstück der betreffenden Kante 3.3 streifend, indirekt beleuchtet.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in Fig. 2 ist genau eine Lichtquelle 6 in Richtung der Kameraachse 5.0 in den Aufnahmebereich 4.1 abstrahlend am Werkhalter 4 befestigt angeordnet.

Für eine andere Ausführung des transparenten Bauteils 2, z.B. wie in Fig. 3 gezeigt, sind gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung vorteilhaft mehrere Lichtquellen 6, eine Ringanordnung bildend, geneigt zur Kameraachse 5.0 am Werkstückhalter 4 oberhalb des Aufnahmebereiches 4.1 vorhanden. Die außerhalb des Aufnahmebereiches 4.1 angeordneten Lichtquellen 6 senden bevorzugt einen telezentrischen Beleuchtungsstrahl aus, um das Licht möglichst ohne Abschattung des Beleuchtungsstrahls in die Kavität des absorbierenden Bauteils 3 einzukoppeln. Das Licht wird innerhalb der Kavität gestreut und leuchtet so das transparente Bauteil 2, begrenzt durch die Kante 3.3, die hier die innere Kante ist, aus.

Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, ist eine Lichtquelle 6, bevorzugt eine diffus abstrahlende Lichtquelle, innerhalb des Aufnahmebereiches 4.1 angeordnet. Wie in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel wird hier die Kante 3.3, konkret die innere Kante durch einen Kontrastsprung im Kamerabild sichtbar, wobei die angrenzende Stirnfläche 3.1 dunkel erscheint.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel, zu sehen in Fig. 5, unterscheidet sich von den vorgenannten Ausführungsbeispielen dadurch, dass die wenigstens eine Lichtquelle 6 der Beleuchtungseinheit so an dem Werkstückhalter 4 angebracht ist, dass der ausgesendete telezentrische Beleuchtungsstrahl oberhalb und parallel zur Objektebene 5.1 ausgerichtet ist, womit der wenigstens eine in das transparente Bauteil 2 direkt eingekoppelt wird. Bevorzugt sind eine Vielzahl von gleichmäßig um die Umfangsfläche des transparenten Bauteils 2 verteilt angeordnete Lichtquellen 6 vorhanden. Die eingekoppelten Beleuchtungsstrahlen werden in dem transparenten Bauteil 2 durch Reflexion und Streuung weitergeleitet oder durch Brechung ausgekoppelt, sodass das transparente Bauteil 2 wie selbst leuchtend in dem Kamerabild erscheint. Ein zwischen der Grenzfläche am transparenten Bauteil 2 und der Stirnfläche 3.1 gebildeter Grenzübergang, unterscheidet sich in seiner Wirkung auf die Beleuchtungsstrahlung im Unterschied zu einem Grenzübergang zwischen dem an Lust grenzenden transparenten Bauteil 2. Die hier auftreffende Beleuchtungsstrahlung wird vergleichsweise mehr zur Kamera 5 hin mehr oder weniger abgelenkt oder in das absorbierende Bauteil 3 ausgekoppelt. Genauer gesagt verhält sich in dem Grenzübergang, zwischen der Stirnfläche 3.1 und dem transparenten Bauteil 2, das auf den gebildeten Grenzübergang auftreffende Licht anders als in einem Grenzübergang zu Luft. Dabei kann entweder mehr oder weniger Licht aus dem Grenzbereich mit der Stirnfläche 3.1 in Richtung zur Kamera 5 gelangen als aus den Grenzbereichen mit Luft, sodass die Stirnfläche 3.1 in dem Kamerabild heller oder dunkler erscheint.

Insbesondere dieses Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung ist auch für die Qualitätskontrolle einer Schweißnaht geeignet. Die verschweißten Bereiche der Schweißnaht gehen eine andere Wechselwirkung mit der Beleuchtungsstrahlung ein als gegebenenfalls nicht verschweißte Bereiche innerhalb der Schweißnaht.

Alle vorgenannten Ausführungsbeispiele werden als weitere Ausführungsbeispiele, nicht in den Zeichnungen dargestellt, modifiziert, in dem am jeweiligen Ort der Anordnung der Lichtquellen 6 eine Öffnung in dem Werkstückhalter 4 vorhanden ist, durch die der Beleuchtungsstrahl der außerhalb des Werkstückhalters 4 angeordneten Lichtquelle 6 eingekoppelt wird. Vorteilhaft ist in der jeweiligen Öffnung ein Austrittsende einer Lichtleitfaser angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Baugruppe

2 transparentes Bauteil 3 absorbierendes Bauteil

3.1 Stirnfläche

3.2 Wandfläche

3.3 Kante

4 Werkstückhalter 4.1 Aufnahmebereich

5 Kamera

5.0 Kameraachse

5.1 Objektebene

5.2 Drehpunkt 6 Lichtquelle

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung eines Kamerabildes, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschwei ßverfahren eine Baugruppe (1) verschweißt werden soll, mit folgenden Verfahrensschritten: Zurverfügungstellung eines Werkstückhalters (4) mit einem Aufnahmebereich (4.1) in dem die Baugruppe (1) fixiert ist, umfassend ein für eine Laserstrahlung absorbierendes Bauteil (3) mit einer Stirnfläche (3.1), die durch wenigstens eine mit wenigstens einer Wandfläche (3.2) des absorbierenden Bauteiles (3) gebildeten Kante (3.3) begrenzt ist, und die Schweißkontur darstellt, und einem auf der Stirnfläche (3.1) aufliegenden für die Laserstrahlung transparenten Bauteil (2),

Zurverfügungstellung einer Kamera (5), mit einer Kameraachse (5.0) und Ausrichtung der Kameraachse (5.0) auf die Baugruppe (1),

Beleuchtung der Baugruppe (1), wobei gleichzeitig mit der Kamera (5) ein Kamerabild erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Bauteil (2) von einer der Kamera (5) abgewandten Seite her beleuchtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Beleuchtungsstrahl teilweise auf die Wandfläche (3.2), die Kante (3.3) streifend gerichtet wird, wodurch in dem Kamerabild die Kante (3.3) als Hell-Dunkel-Übergang abgebildet wird und aus der Relativlage der Abbildung der Kante (3.3) im Kamerabild die Relativlage der an die Kante (3.3) angrenzende Schweißkontur abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Beleuchtungsstrahl so in das transparente Bauteil (2) eingekoppelt wird, dass er innerhalb des transparenten Bauteils (2) weitergeleitet wird, wobei auf die anliegende Stirnfläche (3.1) auftreffende Strahlungsanteile des Beleuchtungsstrahls in Richtung zur Kamera (5) hin abgelenkt oder absorbiert werden, wodurch in dem Kamerabild die Stirnfläche

(3.1 ) gegenüber einem Hintergrund heller oder dunkler abgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folge von Kamerabildern erstellt wird, während die Kamera (5) um einen Drehpunkt (5.2) geschwenkt wird.

5. Vorrichtung zur Erzeugung eines Kamerabildes, aus dem sich eine Schweißkontur ableiten lässt, entlang der in einem bildverarbeitungsgestütztem Lasertransmissionsschwei ßverfahren eine Baugruppe (1), mit einem für eine Laserstrahlung transparenten Bauteil (2) und einem für die Laserstrahlung absorbierenden Bauteil (3), verschweißt werden soll, wobei das absorbierende Bauteil (3) wenigstens eine Stirnfläche

(3.1) aufweist, die durch wenigstens eine mit wenigstens einer Wandfläche

(3.2) des absorbierenden Bauteils (3) gebildeten Kante (3.3) begrenzt ist und die Schweißkontur darstellt, und das transparente Bauteil (2) auf der Stirnfläche (3.1) aufliegt, mit einem Werkstückhalter (4), mit einem Aufnahmebereich (4.1) innerhalb dem die Baugruppe (1) fixiert wird, einer Kamera (5), mit einer Kameraachse (5.0), die auf den Aufnahmebereich (4.1) gerichtet angeordnet ist, wobei eine Objektebene (5.1) der Kamera (5) innerhalb des Aufnahmebereiches (4.1) liegt, indem die Schweißkontur einer aufgenommenen Baugruppe (1) zu liegen kommt, und einer Beleuchtungseinheit, die wenigstens eine einen Beleuchtungsstrahl aussendende Lichtquelle (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) an oder in dem Werkstückhalter (4) angeordnet und in den Aufnahmebereich (4.1) gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) unterhalb der Objektebene (5.1) und zur Kameraachse (5.0) geneigt ausgerichtet angeordnet ist, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl an einer aufgenommenen Baugruppe (1) wenigstens ein Teilstück der wenigstens einen Kante (3.3) streifend, direkt beleuchtet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) oberhalb der Objektebene (5.1) fluchtend, parallel oder geneigt zur Kameraachse (5.0) ausgerichtet angeordnet ist, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl in einer aufgenommenen Baugruppe (1) gestreut, wenigstens ein Teilstück der wenigstens einen Kante (3.3) streifend, indirekt beleuchtet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) innerhalb des Aufnahmebereiches (4.1) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) außerhalb des Aufnahmebereiches (4.1) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (6) oberhalb der Objektebene (5.1) und parallel zur Objektebene (5.1) ausgerichtet ist, womit der wenigstens eine Beleuchtungsstrahl in eine aufgenommene Baugruppe (1), in das transparente Bauteil (2) eingekoppelt wird, und auf die anliegende Stirnfläche (3.1) auftreffende Strahlungsanteile in Richtung zur Kamera (5) hin abgelenkt oder absorbiert werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der mindestens einen Lichtquelle (6) eine Öffnung in dem Werkstückhalter (4) vorhanden ist, durch die der Beleuchtungsstrahl in den Werkstückhalter (4) eingekoppelt wird.