DD266756A1 - Anordnung zur automatischen schweisskopffuehrung und schweissprozessregelung beim schmelzschweissen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung kann insbesondere beim WIG-Wurzelschweissen unterschiedlicher Bauteile angewendet werden. Kennzeichnend ist, dass einem visuellen Sensorsystem, das seine Empfindlichkeit selbstaendig an die optimalen Verhaeltnisse anpasst, eine Schweissfuge gezeigt wird, auf der durch die Zylinderlinse (4) eines anamorphotischen Systems ein Lichtstrich von einer oder mehreren Lichtquellen (1) erzeugt wird, der durch eben diese Zylinderlinse auf einer Detektorzeile (7) abgebildet wird, und dass das in der Lernphase gespeicherte Bild staendig mit dem aktuellen Bild verglichen wird. Bei Auftreten von Abweichungen bestimmter Bildmerkmale ausserhalb vorgegebener Toleranzgrenzen wird ueber den Mikrorechner eine Stoerung signalisiert oder durch eine Positionier- oder Prozesssteuerung eine Lage- oder Prozessparameterkorrektur herbeigefuehrt. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

DIo Erfindung betrifft oino Anordnung zur automatischen Schwoißkopfführun j und Schweißproznßregolung beim Schmelzschweißen, insbesondere beim WIG-Wurzelschweißen.

Charakteristik dos bekannton Standes der Technik Es ist bekannt, daß eino Schwoißkopfführung boim Lichtbogenschweißen durch optische Systeme realisiert worden kann

(DD-PS 147329; OD-PS 214780; DD-PS 213862). Diese Systeme minen die unterschiedlichen Roflaxionsoigenschaften von

Blochoborflächen und Nahtfugen aus. Als Lichtquellen dienen entweder Hnlogenlampen oder der Lichtbogen, Dio Justierung

von Lampe, Detektor und Schweißkopf ist zur sicheren Funktion eines solchen Systomos kritisch. Außnrdom worden hohe

Anforderungen an Stabilität der Lichtverhältnisso und Konstanz dor optischen Eigenschaften der Blechoberflache gestellt. Fernor werdon Abweichungen der optischen Boclin jungen in der Regel nicht erkannt, da koino Selbstdiagnose der Systeme

erfolgt.

Es ist auch bekannt, die Spaltbreite als Ausgangsgröße für eine Prozeßstouerung zu mocsen sowie Unregelmäßigkeiten, wie z. R. Hoftstollen, mit olnem Sinsorsystom zu orkonnon (DD-PS 214782). Dieses Sonsorsystom besitzt jedoch den Nachteil, daß

mechanisch bewogte Tolle vorwondot worden, die zu einer erhöhten Störanfälligkeit unter Praxisbodingungen führen. DIo

Justierung dor optischen Anordnung ist ebenfalls kritisch. Außerdem ist die Signalverarbeitung durch eino Hardwarelösung

nicht floxibol und daher nicht problemlos an veränderte Schweißbedingungen anzupassen.

Bei Systemen, die eino externe Szenenbeleuchtung verwenden, fordert die durch don Lichtbogen verursachte Störstrahlung

einen großen Abstand zwischen optischom Kopf und Schweißbrenner. Damit ist die Anwendung nur auf lange Schweißnähtebegronzt. Außerdem erfolgt bei separator Beleuchtung keine schattenfreie Abbildung, so daß Schatten von Spritzern oder

Blochunobonholten zu FohllntorprGtatlonbn durch das Signalverarbeitungssystem führen können. Aus der Kinematographie 's* 'igkannt, daß zur Streckung und Stauchung von Bildorn anamorphotisch^ Systeme oingosotzt

worden könnon.

Fornor ist bekannt, dalJ Mossungen von Spaltbroiton und Spaltpositionen mit hoher Genauigkeit durch CCD-Zeilonkamoras

orfolgen können.

Fs wordon dazu jedoch optische Anordnungen oingosotzt, die für Schwoißprozosso nicht geeignet sind. ZIoI der Erfindung

Es ist das Ziol der Erfindung, oino zuverlässigo Moßtechrikzu entwickeln, die sowohl oine automatische Schweißkopfführung als auch Prozeßrogelung helm Schmelzschweißen ermöglicht und auch unter rauhen Praxisbedingungen robust, wenig störanfällig sowie flexibel einsetzt>ar ist.

Darlegung des Wesen* der Erfindung

Dor Erfindung Mögt die Aufgabe zugrunde, auf dor Grundlage eines vlsuollenSonsorsystorm mit intelligenter Signalverarbeitung eine optischo Anordnung zu entwickeln, die oine sichore Erfassung der Schweißfuge und oin gonaues Mossen dor Fugenbreite boim Schmelzschweißen ermöglicht

Die Aufgabe wird gelöst durch eino Anordnung zur automatischen Schwoißkopfführung und Schwoißprozoßrogolung unter

Vorwondung oinos visuollon Sonsorsystems, eines Mikrorechners, oinor Positioniereinrichtung, einer Prozeßstouorung sowio woitoron Meß-, Steuer- und Regeleinrichtungen, wobei erfindungsgomäß ein oder mehrere Lichtquollen derart angeordnet sind, daß ihre Strahlung über die Zylinderlinse eines anamorphotischen Systems auf dem Werkstück einen l.ichtstrioh erzeugt, dor durch eben diese Zylinderlinse auf einer Detektorzoilo, die senkrecht zur Schweißrichtung angeordnet ist, abgebildet wird, welche sowohl über eine Ansteuereinheit als auch über eine Vorstelleinheit mit oinom Mikrorechner gekoppelt ist. Zur Störlichtunterdrückung werdon zur Szenenbeleuchtung intensive Lichtquellen, vorzugsweise mit Linienspektrum, in Vorbindung mit Schmalbandfiltern, dio im Bereich einer Spektrallinie durchlässig sind, eingesetzt.

Zur vollen Ausnutzung der Lichtintensität der Lichtquellen zur Beleuchtung dos Schweißspaltes wird erfindungsgemäß die Zylinderlinse eines anamorphotischen Systems sowohl zur Erzeugung eines intensivon Lichtstriches auf dem Werkstück als auch zur Abbildung dieses Striches auf oiner Detektorzeile, vorzugsweise einer CCD-Zeile, gonutzt. Durch diese Art der Abbildung wird erreicht, daß der Spalt zwar senkrecht zur Schweißrichtung scharf abgebildet wird und damit eine exakte Positions- und Spaltbröitenmessung möglich ist, daß aber in Schweißrichtung eine optische Integration übor ein bestimmtes Werkstück erfolgt.

Zu Beginn eines Schweißprozesses wird die Schweißfuge durch die erfindungsgemäße Anordnung aufgenommen. Dabei paßt das Sensorsystem selbständig seine Empfindlichkeit den gegebenen Lichtverhältnissen an und erfaßt die Fugenposition und/oder bestimmte geometrische Besonderheiten und vergleicht im folgenden während des Schweißprozesses die jeweils aktuell anliegende Biidinfoi motion mit den in der Lornphase gespeichorten Anfangsbedingungen. Treten Abweichungen außorhalb vorgegebener Toleranzbereiche auf, so wird entweder ein Fehler signalisiert oder über die Positionier- und/oder Prozeßsteuerung eine Lage- und/oder Prozeßparameterkorrektur herbeigeführt.

Wird vom optischen System kein auswertbares Bild geliefert, so wird sofort oder nach Ablauf oiner vorgegebenen Zeit der Schweißprozeß unterbrochen. Daboi wird eine Paramoterkorrektur unterdrückt. Letztores hat dan Vorteil, daß trotz kurzzeitiger optischer Störungen keine l'rozeßuntorbrochung erfolgt. Das mit der erfindungsgomäßen Anordnung vorgeschlagene visuelle Sensorsystem paßt sich in tochnisch vorteilhafter Woiso an unterschiedliche optische und geometrische Verhältnisse an, z. B. Unregelmäßigkeiten der Oberfläche von zu verschweißenden Blechen, Heftstellen, und ermöglicht weitgehend unbeeinflußt vom Schwoißlichtbogeri eine sichere Erfassung der Fuge sowie Messung der Fugenbreite. Dabei beeinträchtigen kleine Unregelmäßigkeiten dor Oberfläche wie Kratzer, Spritzer usw., kaum dio Bildentstohung, die infolge der übor dem Werkstück erfolgten optischen Integration nicht signalisiert werden, so daß Störungen durch Fehlerinterpretation vermieden werdon. Ein woitoror Vorteil ist dor Lichtintonsitätsgowinn, der durch die gleichmäßige Ausleuchtung des Flächenstücl es erzielt wird, der bei der Abbildung zur Bildentstohung beiträgt und eine bessere Beobachtung des Schweißprozesses gestattet. Außerdnm werden durch die gleichzeitige Verwendung der Zylinderlinse zur Workstückbeleuchtung und zur Signalverarbeitung eine schattenfroie Auflichtbeleuchtung sowie Unompfindlichkeit der Anordnung gegenüber Dojustierung zwischen Lichtquelle und Empfänger erreicht. Damit ist eine einfache, unproblematische Juslierung möglich.

Ausführungsbeispiel

Dio Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert.

Fig. 1: Darstellung einor erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 2: Darstellung des optischen Systems

Die Strahlung von zwei Lichtquollen 1, Halogen-oder Quecksilberdampflampen, wird über Sammellinse 2 und Spiegel 3 in ein Objektiv 18, einer Zylinderlinse 4, eingespiegelt, so daß den Astigmatismus ausnutzend, ein Lichtstrich 5 auf der Schweißfuge erzeugt wird. Die Spiegel sind so angeordnet, daß das Licht beider Lichtquellen 1 die gleiche Fläche auf dem Werkstück ausleuchten. Der beleuchtote Bereich wird auf dem CCD-Element 7 der CCD-Kamera 8 abgebildet.

Dabei wird wiederum, den Astigmatismus ausnutzend, ein Flächenbereich auf einer Zeile abgebildet. Diese Anordnung hat den Vorteil, d iß eine optischo Integration in Schweißrichtung erfolgt. Die Schweißfugo 6 wird scharf abgebildet und erscheint im Vergleicl 'τ Umgebung dunkel. Die Optik 18 ist so justiert, daß genau der Bereich ausgeleuchtet wird, der zur Abbildung gelangt. Das optische System arbeitet vorlaufend, der beleuchtete Bereich befindet sich etwa 50mm vor dem Schweißbrenner 17 und ist starr gekoppelt, Ein Schmalbandfilter 9 dient zur Unterdrückung von Fremdlicht. Das Videosignal der CCD-Kamera 8 wird in die Ansteuereinheit 10 in eine Minimalkonfiguration eines Mikrorechners 11 eingelesen. Durch RESET wird die Lernphase eingeleitet, in der die CCD-Kamera 8 durch Variieren der Integrationszeit die Empfindlichkeit do π optischen Bedingungen anpaßt. Danach wird Spaltenbreite und Spaltlage erkannt und gespeichert. Das Programm geht in die Arbeitsphase, in der Abweichungen zur gelernten Spaltbreito und Spaltlage erfaßt worden. Bei Überschreiten kritischer Abweichungen dor Spaltlage erfolgt über die Ansteuereinheit 10 und einen Loistungssteller 12 dio Korrektur von Schweißkopf 17 und CCD-Kamera 8 mittels der "'erstelleinhoit (x-Achse) 13. Abweichungen der Spaltbreite vom gelornton Wort worden

1. bei Spaltbreite „Null" Heftstollen erkannt

2. bei zu großer Spaltbroito der Prozeß unterbrochen und

3. über die Prozeßsteuerung 14 Schweißparametorkorrekturen ausgeführt.

Außerdem wird auf ausreichende Ausleuchtung bei Überstrahlung korrigiert. Ein Display 15, bestehend aus Leuchtdioden und Ziffernanzeige, zeigt aktuelle Spaltbreite durch Ziffern und erkannte Störung, zu viel, zu wenig Licht, durch LED's in der Lernphase an. Zu realisierende Korrekturen durch die Steuerung werdon ebenfalls durch LED-Anzeigen konntlich gemacht. Die Handsteuerung 16 dient zur manuellen Positionierung des Schweißkopfes 17 mit der starr gekoppjlten CCD-Kamera 8.

Claims (4)

1. Anordnung zur automatischen Schwuißkopfführung und Schwoißprozeßregelung beim Schmelzschweißen unter Verwendung eines visuellen Sensorsystems, eines Mikrorechners, einer Positioniereinrichtung, einer Prozeßsteuerung, Leistungsstellern sowio weiterer Meß-, Steuer- und Regeleinrichtungen, gekennzeichnet dadurch, daß ein oder mehrere Lichtquellen (1) derart angeordnet sind, daß ihre Strahlung über die Zylinderlinse (4) eines anamorphotisch^ Systems auf dem Werkstück einen Lichtstrich (5) erzeugt, der durch dieselbe Zylinderlinse (4) auf einer senkrecht zur Schweißrichtung angeordneten Detektorzeile (7) abgebildet wird, die sowohl über eine Ansteuereinheit (10) als auch über oine Verstelleinrichtung (13) mit einem Mikrorechner (11) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Lichtquellen (1) verwendet werden, deren Strahlung ein Linienspoktrum aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Schmalbandfilter (9) vor der Detektorzeile (7) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekonnzeichnet dadurch, daß als Detektor (7) eine CCD-Zeile angeordnet ist.