SE521787C2 - Anordning och förfarande för kontroll av ett svetsområde, inrättning och förfarande för styrning av en svetsoperation, datorprogram och datorprogramprodukt - Google Patents

Description

25 30 , _: . w -'- ~' f - ' ,, /m > - '*,, f » “', i 1 I l \ - ~ , >' . v f ,, . - ¿ 1 '.. f" , . \ , à: 2 Det är sedan tidigare känt att utnyttja miniatyrkameror, exempelvis en CCD-kamera, för att skapa en bild av svetsomrádet. Vidare utnyttjas en dator med realtids- bildbehandlingsprogram som är ansluten till kameran.

Detta möjliggör automatisk mätning i bilden. Med hjälp av den uppmätta informationen styrs en svetsrobot, varvid svetsprocessen kan regleras on-line.

Ljuset från ljusbàgen och svartkroppsstràlningen från smältan måste dämpas för att man skall kunna se eller detektera detaljer i smältan med kameran. Den bild som skapas av kameran blir annars ojämnt exponerad på grund av det starkt lysande området kring ljusbàgen och smältan. Enligt tidigare kända system föreligger problem med att åstadkomma en noggrann bild av svetsomrádet med stor detaljinformation. känd sådan kontroll av En tidigare anordning för svetsomrádet beskrivs i patentansökan JP 11187111. Man utnyttjar här ett stroboskop som sänder ultraviolett strålning för att belysa svetsomrádet. Vidare är en kamera inrättad för att avbilda svetsomrádet. Kamerans slutare är synkroniserad med stroboskopet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första syfte med uppfinningen är att åstadkomma en svetsomrádet som bild av anordning för kontroll av skapar förutsättningar för att åstadkomma en svetsomrádet med en i förhållande till tidigare känd teknik större detaljinformation och/eller noggranhet.

Detta syfte uppnås genom att filtret utgörs av ett bandpassfilter som är inrättat för filtrering kring en våglängd inom det ultravioletta våglängdsomràdet. En 10 15 20 25 30 521 787 3 sådan anordning kan exempelvis utnyttjas för att övervaka svetsprocessen och att studera smältan i detalj och eventuellt förekommande speciella fenomen i smältan, såsom cirkulationsströmning, fasövergång från smält till fast material, smältans geometriska form och upphöjning över materialet, förekomst av slaggbildning samt uppkomst av oxidation.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen ligger nämnda våglängd inom ett våglängdsintervall på 280-400 nm. Det har visat sig att mycket goda resultat kan uppnås med ett bandpassfilter för filtrering i detta övre ultravioletta våglängdsomràde. Speciellt gott resultat har uppnåtts med ett bandpassfilter inrättat för filtrering vid en våglängd av ungefär 320 nm.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är bandpassfiltret inrättat för smalbandsfiltrering.

Bandpassfiltret är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 50 nm FWHM kring nämnda och företrädesvis inom ett intervall som är Uttrycket FWMH är ett våglängd, ungefär 10 nm FWHM. allmänt vedertaget mått på bandfilterbredd och avser ”Full Width at Half Maximum”.

Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma en inrättning för styrning av en svetsoperation som skapar föremål med en i förutsättningar för ett svetsat förhållande till tidigare teknik högre svetskvalitet.

Detta syfte uppnås med en inrättning innefattande en kontrollanordning som innefattar medel för avbildning av eller hos åtminstone ett framför filter svetsområdet, avbildningsmedlet anordnat och medel för 10 15 20 25 30 .M b; 521 787 ;»M¿¿ 4 belysning av svetsområdet med. ultraviolett strålning, varvid filtret utgörs av ett bandpassfilter som är inrättat för filtrering kring en våglängd inom det ultravioletta våglängdsområdet. Inrättningen innefattar vidare medel för behandling av en bild framtagen. av avbildningsmedlet och. medel för styrning av en eller flera svetsparametrar och/eller positionen för svetsmedlets svetshuvud baserat på information från bilden.

Enligt en föredragen utföringsform är bildbehandlings- medlet inrättat att mäta svetsbredden från bilden.

Utifrån denna svetsbredd styrs därefter svetsparametrarna.

Ett tredje syfte med uppfinningen är att att åstadkomma ett förfarande för kontroll av svetsområdet som skapar bild av förhållande till tidigare känd förutsättningar för att åstadkomma en svetsområdet med en i teknik större detaljinformation och/eller noggranhet.

Detta syfte uppnås genom att svetsområdet belyses med ultraviolett strålning, varvid svetsområdet avbildas, varvid strålningen från svetsområdet i en riktning mot ett medel för nämnda avbildning filtreras och 'varvid med ett bandpassfilter kring en filtrering utförs våglängd inom det ultravioletta våglängdsomràdet.

Ett fjärde syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för styrning av en svetsoperation som skapar förutsättningar för ett svetsat föremål med en i förhållande till tidigare teknik högre svetskvalitet. 10 15 20 25 30 521 787 Égïr 5 Detta syfte uppnås genom att svetsområdet belyses med ultraviolett strålning, varvid svetsomràdet avbildas, varvid strålningen från svetsomràdet i en riktning mot ett medel för nämnda avbildning filtreras, varvid filtrering utförs med ett bandpassfilter kring en våglängd inom det ultravioletta våglängdsomràdet och varvid en bild framtagen av avbildningsmedlet behandlas och en eller flera svetsparametrar och/eller positionen för ett svetshuvud styrs baserat på information fràn bilden.

Ytterligare föredragna utföringsformer av och fördelar med uppfinningen framgår av övriga krav och den följande beskrivningen.

KORT BESKRIVNING AV FIGURER Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande, med hänvisning till den utföringsform som visas på de bifogade ritningarna, varvid FIG 1 visar schematiskt en inrättning för styrning av en svetsoperation, och FIG 2 visar en förstorad bild av den inbördes placeringen av svetshuvud, kamera och strålkälla i figur 1.

DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I Fig 1 och 2 visas en inrättning 1 för styrning av en svetsoperation. Styrningsinrättningen 1 innefattar en anordning 2 för kontroll av ett svetsomráde hos ett objekt 14, vilken anordning i sin tur innefattar medel 3 för avbildning av svetsområdet, vilket utgörs av en kamera, ett bandpassfilter 4 anordnat framför en lins 15 hos kameran, och medel 5 för belysning av svetsomràdet med ultraviolett strålning. 10 15 20 25 30 521 787 Filtret 4 är inrättat för bortskiljning av specifika våglängder härrörande från strålning och utstrålat ljus från svetsområdet och utgörs av ett smalbandigt interferensfilter för filtrering av specifika våglängder inom det ultravioletta området. Man belyser alltså svetsområdet med. ultraviolett strålning samtidigt som kameran endast registrerar strålning inom ett smalbandigt ultraviolett område.

Belysningsmedlet 5 innefattar en UV-stràlningskälla 12 och en till denna ansluten optisk ljusledare, såsom en fiberledare 13, som är inrättad för belysningen av svetsområdet.

Kontrollanordningen innefattar vidare medel 6 för visning av en av kameran framtagen bild av svetsområdet, vilket utgörs av en TV-monitor eller dataskärm. Med hjälp av TV-monitorn kan en detaljerad visualisering av svetsförloppet uppnås. Kameran 3 är alltså ansluten till TV-monitorn 6.

Kameran 6 utgörs lämpligtvis av en miniatyrkamera, såsom en CCD- eller CMOS-kamera (”Charge Metal Oxide Conductor”). Styrningsinrättningen IL innefattar vidare medel 7 för svetsning, vilket utgörs av en svetsrobot innefattande ett svetshuvud 11, se figur 2.

Styrningsinrättningen 1. innefattar vidare medel S9 för behandling av* en loild framtagen. av' kameran 3, vilket innefattar en centralenhet (CPU), eller dator.

Styrningsinrättningen 1 innefattar vidare medel 10 för styrning av en eller flera svetsparametrar och/eller baserat på information svetshuvudets 11 position 10 15 20 25 30 521 787 7 Centralenheten 9 är till från bilden. alltså till styrmedel 10. framtagen ansluten kameran 3 och svetsrobotens 8 Centralenheten 9 innefattar mjukvara för bildbehandling och närmare bestämt för mätning av svetsens bredd direkt från bilden. Detta benämns vanligtvis för ett realtidsbildbehandlingssystem. Exempelvis används en kantdetekteringsalgoritm eller någon annan typ av bildbehandlingsalgoritm som utnyttjar kontrastskillnader för mätning av svetsbredden. Materialegenskaperna och den under svetsningen på materialet uppkomna oxidationen fall till att Detta är särskilt uttalat inverkar i detta gynnsamt skapa kontrastskillnader i bilden. vid svetsning av rostfritt stål, såsom 3l6L.

Datorn 9 jämför närmare bestämt den uppmätta svetsbredden (Wi) med ett referensvärde på nominell svetsbredd (Wr) och beräknar en avvikelse (e) som en differens mellan den uppmätta svetsbredden och nämnda referensvärde (e=Wr-Wi). Värdet för avvikelsen sänds därefter till svetsrobotens 8 styrmedel 10. Baserat på uppmätt svetsbredd, eller närmare bestämt nämnda beräknade avvikelse (e), styrs därefter specifika svetsparametrar, såsom svetsström och/eller avstånd mellan svetshuvudet ll och det för svetsning avsedda objektet 14 etc. Man kan alltså ändra svetshuvudets ll fysiska läge i förhållande till svetsområdet/svetsen/- objektet baserat på nämnda mätning. Med andra ord mäts svetsbredden on-line och svetspenetrationen styrs direkt baserat på uppmätt svetsbredd.

Den föreliggande uppfinningen är framför allt inriktad mot kontroll och styrning av ljusbågesvetsning, 10 15 20 25 30 521 787 8 specifikt TIG (”Tungsten-Inert-Gas”), vilket även benämns GTAW (”Gas-Tungsten-Arc-Welding”), men kan även utnyttjas för andra svetsmetoder där energitillförseln sker på annat sätt eller i ett annat spektralomráde, till exempel vid lasersvetsning med infraröd strålning.

Uppfinningen kan tillämpas vid svetsning på olika material, exempelvis rostfritt stål, Inconel 718 och Greek-Ascoloy, men är inte på något sätt begränsad till dessa material.

Genom att tillföra ultraviolett strålning i kombination med smalbandig filtrering kan man få en homogen exponering av bilden med en i förhållande till tidigare teknik förbättrad bildkvalitet. En ytterligare effekt av kombinationen av ultraviolett belysning och samtidig filtrering är att den största delen av den ultravioletta strålningen från ljusbågen och smältan filtreras bort, vilket skapar förutsättningar för att titta rakt in i smältan vid svetselektroden utan att strålningen från smältan bottnar kameran. Detta möjliggör mätning av smältans geometriska utsträckning, och alltså av svetsbredden. En ytterligare effekt av bestrålningen med ultraviolett ljus är att kontrasten och detaljrikedomen i hos bilden av smältan och stelningsomràdet förstärks betydligt.

Kameran 3 utgörs här av en CCD-kamera med spektral känslighet för våglängder >280 nm. Kameran har inbyggd automatisk förstärkningskontroll (AGC) och det smalbandiga interferensfiltret 4 är anordnat framför mottagarlinsen 15. Som ett alternativ är filtret anordnat mellan linsen och kameradetektorn. Som ett ytterligare alternativ, eller komplement så innefattar kameran en apertur (iris) som ger lämplig exponering. 10 15 20 25 30 521 787 9 Kameran 3 är monterad på svetshuvudet 7 och tittar in mot svetssmältan bakifrån och uppifrån under en lämplig svetshuvudet, lämpligtvis 20-40°. vinkel mot Uppfinningen är emellertid inte på något sätt begränsad till detta utan kameran kan exempelvis vara anordnad att titta in i svetssmältan framifrån.

UV-strålningskällan 12 är inrättad för utsändning av strålning i området 280-400 nm och speciellt i området 320-400 nm. UV-strålningskällan 12 utgörs här av en kvicksilverlampa. Strålningskällan 12 är vidare inrättad fyller ut kamerans så att UV-ljuset väl betraktningsfält.

Det har visat sig att mycket goda resultat uppnåtts med filtrering i den nedre delen av spektralområdet, dvs vid våglängder som är mindre än 350 nm. I detta område reduceras inverkan av ett av ljusbågen och smältan alstrat starkt lysande område i bilden. Speciellt goda resultat har uppnåtts vid våglängder som är mindre än 330 nm. Filtreringen utförs företrädesvis vid våglängder som är större än eller ungefär 300 nm. En föredragen våglängd för nämnda filtrering ligger inom 300-320 nm.

Bandpassfiltret är vidare inrättat för smalbands- filtrering och närmare bestämt inom ett intervall som är mindre än 50 nm FWHM kring nämnda våglängd.

Bandpassfiltret är företrädesvis inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 30 nm FWHM kring nämnda våglängd. Bandpassfiltret är speciellt inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 20 nm FWHM och i synnerhet inom ett intervall som är ungefär 10 nm FWHM, men filtrering inom ett mindre intervall är också möjligt, såsom 5 nm FWHM. 10 15 20 25 30 521 787 10 Ett flertal olika kombinationer av våglängd och bandpass är alltså möjliga. Enligt ett första exempel utnyttjas ett bandpassfilter med våglängden 320 nm och 10 nm FWHM.

Enligt ett andra exempel utnyttjas ett bandpassfilter med våglängden 320 nm och 5 nm FWHM. Enligt ett tredje exempel utnyttjas ett bandpassfilter med våglängden 300 nm och 10 nm FWHM.

Filtret. 4 är 'vidare inrättat för filtrering inonl ett visst våglängdsband som är anpassat efter det våglängdsområde som belysningsmedlet är inrättat att belysa med. Omvänt så skulle man kunna kompensera med den tillförda strålningen för ett specifikt valt filter.

Man kan därför tänka sig ett flertal olika kombinationer av våglängdsområden för utstrålat ljus och filter.

Centralenheten 9 innefattar* ett minne, som :i sin. tur innefattar ett datorprogram med dataprogramsegment, eller en programkod, för att utföra mätningsförfarandet då programmet körs. Detta datorprogram kan överföras till fortplantningssignal, exempelvis via nedladdning från en centralenheten 9 på olika sätt via en annan dator, via tråd och/eller trådlöst, eller genom montering i en minneskrets. Speciellt kan fortplantningssignalen överföras via internet.

Uppfinningen avser vidare en datorprogramprodukt innefattande dataprogramsegment lagrade på ett datorläsbart medel för att utföra mätningsförfarandet när programmet körs. Detta datorläsbara medel kan exempelvis utgöras av en diskett. 10 15 20 25 30 35 521 787 ll UV-strålningskällan är inrättad att ge en kontinuerlig belysning.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till det ovan. beskrivna utföringsexemplet, utan en rad. ytter- ligare varianter och xmodifikationer' är tänkbara inom ramen för efterföljande patentkrav.

Nämnda medel 9 för behandling av en bild framtagen av kameran 3 och nämnda medel 10 för styrning av en eller flera svetsparametrar skulle kunna utgöras av en och samma enhet, såsom en dator.

UV-strålningskälla skulle tYP strålare, kunna utnyttjas för strålningen.

Som en alternativ laserstrålning, eller annan av potentiell UV- Svetsmedlet '7 behöver inte nödvändigtvis innefatta en svetsrobot, utan enligt ett alternativ utnyttjas ett traditionellt svetsaggregat utan självstyrande funktion.

Den ovan beskrivna tekniken skulle också kunna användas som ett eget för fogföljning, eller i med det system kombination här föreslagna systemet för styrning av svetspenetration. Kameran för fogföljning skulle i denna tillämpning exempelvis sitta monterad framför svetshuvudet och titta in mot svetsomràdet, varvid man i en och samma bild skulle kunna detektera fogen och smältan. Genom att mäta fogens läge i sidled i bilden och jämföra denna med smältans läge skulle man i realtid med ett bildbehandlingssystem kunna styra svetsen så att denna följer fogen. Metoden skulle också kunna användas för att mäta upp gapet mellan plåtarna som skall svetsas i omedelbar närhet till smältan.

Claims (28)

10 15 20 25 30 521 787 12 PATENTKRAV

1. l. Anordning (2) för kontroll av ett svetsområde hos ett objekt (14) i samband med svetsning, vilken anordning innefattar medel (3) för avbildning av svetsområdet, åtminstone ett framför eller hos avbildningsmedlet (3) anordnat filter (4) och medel (5) för belysning av svetsområdet med ultraviolett strålning k ä n n e t e c k n a d av, att filtret (4) utgörs av ett bandpassfilter som är inrättat för filtrering kring en våglängd inom det ultravioletta våglängdsomràdet.

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av, att nämnda våglängd ligger inom ett våglängdsintervall på 280-400 nm.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av, att nämnda våglängd är mindre än 350 nm.

4. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av, att nämnda våglängd är mindre än 330 nm.

5. Anordning enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e C k n a d av, att nämnda våglängd är större än 290 nm.

6. Anordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d av, att nämnda våglängd är ungefär 320 nm. 10 15 20 25 30 521 787 13

7. Anordning enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 50 nm FWHM kring nämnda våglängd.

8. Anordning enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 30 nm FWHM kring nämnda våglängd.

9. Anordning enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 20 nm FWHM.

10. Anordning enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är ungefär 10 nm FWHM.

11. Anordning enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att avbildningsmedlet (3) innefattar en kamera.

12. Inrättning (1) för styrning av en svetsoperation innefattande medel (7,8,11) för svetsning, en kontrollanordning (2) enligt något av de ovanstående för behandling av en bild framtagen av (10) kraven, medel (9) avbildningsmedlet (3) och medel för styrning av en eller flera svetsparametrar och/eller positionen för 10 15 20 25 30 521 787: 14 svetsmedlets (7) svetshuvud (11) baserat på information från bilden.

13. Inrättning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d av, att bildbehandlingsmedlet (9) är inrättat att mäta svetsbredden från bilden.

14. Förfarande för kontroll av ett svetsområde hos ett objekt (14) i samband med svetsning, varvid svetsområdet belyses med ultraviolett strålning, varvid svetsområdet och varvid strålningen från svetsområdet i en medel (3) för avbildas, riktning mot ett nämnda avbildning filtreras k ä n n e t e c k n a t av, att filtrering utförs med ett bandpassfilter (4) kring en våglängd inom det ultravioletta våglängdsområdet.

15. Förfarande enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av, att nämnda våglängd ligger inom ett vàglängdsintervall på 280-400 nm.

16. Förfarande enligt krav 14 eller 15, k ä n n e t e c k n a t av, att nämnda våglängd är mindre än 350 nm.

17. Förfarande enligt krav 14 eller 15, k ä n n e t e c k n a t av, att nämnda våglängd är mindre än 330 nm.

18. Förfarande enligt något av kraven 14-17, k ä n n e t e c k n a t av, att nämnda våglängd är större än 290 nm. 10 15 20 25 30 521 787 15

19. Förfarande enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av, att nämnda våglängd är ungefär 320 nm.

20. Förfarande enligt något av kraven 14-19, k ä n n e t e c k n a t av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 50 nm FWHM kring nämnda våglängd.

21. Förfarande enligt något av kraven 14-19, k ä n n e t e c k n a t av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 30 nm FWHM kring nämnda våglängd.

22. Förfarande enligt något av kraven 14-19, k ä n n e t e c k n a t av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är mindre än 20 nm FWHM kring nämnda våglängd.

23. Förfarande enligt något av kraven 14-19, k ä n n e t e c k n a t av, att bandpassfiltret (4) är inrättat för filtrering inom ett intervall som är ungefär 10 nm FWHM.

24. Förfarande för styrning av en svetsoperation innefattande stegen enligt något av kraven 14-23, varvid en bild framtagen av avbildningsmedlet (3) behandlas och en eller flera svetsparametrar och/eller positionen för ett svetshuvud (11) bilden. styrs baserat på information från 10 15 20 s21 vsvïityi 16

25. Förfarande enligt krav 24, k ä n n e t e c k n a t av, att bredden på den avbildade svetsfogen mäts och nämnda (11) svetsparametrer och/eller svetshuvudets position styrs baserat på uppmätt svetsbredd.

26. Förfarande enligt krav 25, k ä n n e t e c k n a t av, att den uppmätta svetsbredden jämförs med ett eller flera referensvärden och vid en detekterad avvikelse från ett intervall så nämnda godkänt regleras svetsparameter och/eller svetshuvudets (11) position.

27. Datorprogram innefattande dataprogramsegment för att utföra förfarandet enligt något av kraven 14-26 när programmet körs pà en dator.

28. Datorprogramprodukt innefattande dataprogramsegment lagrade på ett datorläsbart medel för att utföra förfarandet enligt något av kraven 14-26 när programmet körs på en dator.