DE102017102762B4

DE102017102762B4 - Verfahren zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken und Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102017102762B4
Application number: DE102017102762.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schwarz; Rüdiger Moser; David Blázques-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: CN110382159B; WO2018146303A1; EP3580008A1; CN110382159A; US20200038993A1; DE102017102762A1; US11534860B2

Abstract

Verfahren zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken, bei dem:- mittels einer Kamera (16) Bilder einer Fügestelle aufgenommen werden,- aus den Bildern der Fügestelle (6) Messdaten für die Fügepositionen ermittelt werden, die dem Verlauf der Fügestelle (6) zugeordnet sind, und- aus einem Teil der Messdaten ein an die Originalmessdaten angepasstes Modell des Fügestellenverlaufs bestimmt wird, das als Messkurve zur Steuerung eines Fügeprozesses und/oder zur Bestimmung weiterer Qualitätsmerkmale ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken und einen Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei Fügeprozessen, insbesondere bei Laserschweißprozessen, bei denen die Fügeposition exakt bestimmt werden muss, um beispielsweise einen Schweißlaser auf die Fügeposition zu positionieren, tritt oft das Problem auf, dass die Visualisierung des Fügespalts über eine abbildende Optik und das etablierte Triangulationsverfahren eine sicheren Detektion der Fügeposition nicht erlaubt. An der Fügeposition hat der Fügespalt oft keine geometrische Form, welche sich in einer Triangulationslinie abbilden würde. Eine zusätzliche externe Beleuchtung kann aufgrund der Platzverhältnisse und der Verschmutzung durch den Schweißprozess, oft nicht angebracht werden.
Oftmals muss die Lage der Fügepositionen vor dem Schweißen ermittelt werden, um, z.B. bei einer Falschpositionierung, das Bauteil vor dem Schweißen aus zu schleusen. In vielen Fällen erlauben die Schwankungen der Bauteile, also deren Toleranzen in Verbindung mit der Spannvorrichtung es nicht, die Bauteile ohne eine Regelung auf die Fügeposition zu schweißen. Sind die Bauteilkosten hoch, wird die Fügeposition über die gesamte Länge also beispielsweise über einen vollständigen Umlauf gemessen, um dann den Schweißlaser so anzusteuern, dass er entlang dieser gespeicherten Kurve geführt wird. Sowohl für die Qualitätsbeurteilung der Fügepositionen oder der Fügenaht als auch für die Ansteuerung des Schweißlasers sind Ausreißer unbedingt zu vermeiden. Jedoch ergibt die unsichere Detektion der Fügespaltposition im Einzelbild häufig eine Messkurve mit vielen Ausreißern und groben Fehlern.
Stark mit sogenannten Ausreißern behaftete Messkurven erlauben es nicht, nach dem Vermessen eines Bauteils den Schweißlaser mit den gespeicherten Positionen anzusteuern.
Wie in 1a schematisch dargestellt ist, wird bei einem herkömmlichen Verfahren zur Erkennung von Fügepositionen von Werkstücken mittels Triangulationsverfahren eine Triangulationslinie 2 auf einen Fügespalt 3 zwischen zwei Werkstücken 4 und 5 mittels eines Lasers projiziert und von einem entsprechend geeigneten Sensor, beispielsweise einer Kamera, aufgenommen, um die Fügeposition 6 als Unterbrechung der Triangulationslinie 2 zu detektieren.
In 1b ist ein Bild dargestellt, wie es von einer Triangulationslinie aufgenommen wird, die über einen Fügespalt 3 projiziert wurde. Insbesondere, wenn die beiden Werkstücke unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen, ist es praktisch unmöglich, den eigentlichen Fügespalt zu erkennen. In 1b erhält man für das Bauteil auf der rechten Seite im Bild praktisch kein auswertbares Signal, so dass der Fügespalt selbst, also die Fügeposition, die in 1b durch einen Kreis markiert ist, auf den der Pfeil F zeigt, praktisch nicht zu erkennen ist.
Wird anstelle eines Triangulationsverfahrens mit Laserlinie über den Fügespalt eine Graubildaufnahme der Werkstücke mit dem Fügespalt 3 verwendet, wobei die Kamera, wie in 2a angedeutet, den Interessenbereich (ROI) 7 aufnimmt, um den Fügespalt 6 zu erkennen, so ergibt sich ein Graubild, wie es in 2b dargestellt ist.
Der Fügespalt 3 ist hier zu erkennen. Allerdings können auch mit einer Auflichtbeleuchtung bei der Detektion Ausreißer, also fehlerhafte Messwerte entstehen, die der Lage des Fügespalts, also der Fügeposition in keiner Weise entsprechen, wenn sich der Fügespalt schließt oder wenn sich die Reflexionseigenschaften der Werkstücke ändern.
Wird aus einem Grauwertbild, wie es in 2b dargestellt ist, die Fügeposition des Fügespalts über seine gesamte Länge, also im dargestellten Beispiel über 360 Grad erfasst, so weisen die erfassten Messdaten, wie in 3 dargestellt, nicht nur Ausreißer 8 auf, sondem auch Bereiche 9, in denen die Position nicht erkannt worden ist. Somit ist es schwierig, aus den Messdaten, wie sie in 3 dargestellt sind, zuverlässig und sicher den Verlauf der Fügestelle zu ermitteln.
Beim Schweißkopf YW52 der Firma Precitec GmbH & Co. KG sind Triangulationslaser zur Detektion des Fügespalts und zur Vermessung der Nahtraupe vorgesehen. Falls der Fügespalt ein signifikantes geometrisches Merkmal aufweist, z.B. eine ausreichend große Fase, kann der Fügespalt in der Triangulationslinie detektiert werden. Ausreißer in den Messdaten werden mit Glättungsfiltern und einfachen Grenzen reduziert.
Bei dem Nahtinspektionssystem SOUVIS® 5000 der Firma Precitec GmbH & Co. KG werden zur Detektion der Fügepositionen und der Nahtraupe zwei Triangulationslinien quer zum Fügespalt zur Naht schräg auf diese projiziert und von einer Kamera beobachtet. Außerdem wird gleichzeitig ein hoch aufgelöstes Graubild der Naht aufgenommen. Über geometrische Änderungen entlang der Triangulationslinien, über Helligkeitsänderungen der Triangulationslinien und über Helligkeitsunterschiede im Graubild werden die Fügepositionen bestimmt. Ferner wird auch das Graubild ausgewertet. Dabei werden die Messwerte geglättet und Ausreißer über zu definierende Grenzen eliminiert.
Die WO 03/041902 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung von Fügestellen und Werkstücken. Zur Bewertung der Lage und Qualität von Fügestellen wird ein kombiniertes Bild der Fügestelle mit einem Graubild und einer Laserlinie aufgenommen, die auf die Fügestelle projiziert wird. Dabei wird die Lage einer Schweißnaht erfasst und die darauf folgende Inspektion der Naht durchgeführt.
Die WO 2008 /028580 A1 beschreibt Verfahren und Vorrichtung zur optischen Beurteilung der Schweißqualität beim Schweißen. Mittels Kamera werden hier Bilder vom Prozess und einer nachgelagerten Triangulationslinie aufgenommen und zur Beurteilung der Qualität herangezogen.
Die WO002007 053973 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung von Fügestellen. Dabei werden mittels Kameratechnik mit asynchroner ROI (Region of Interest) Technik vor und hinter dem Schweißprozess Triangulationslinien- und Grauwertbilder mit einem Sensor aufgenommen und ausgewertet.
Die DE 10 2011 104550 betrifft eine Messvorrichtung zur Überwachung einer Fügenaht, einen Fügekopf und einen Laserschweißkopf mit derselben. Hier wird eine optische Messvorrichtung beschrieben, welche gleichzeitig eine schnelle 3D Vermessung der Fügenaht und das Erkennen von kleinen lokalen Fehlstellen erlaubt.
Die WO2005 095043 A1 betrifft einen Laserbearbeitungskopf und ein Fügeverfahren. Dabei erfolgt die Vermessung der Fügestelle und die Vermessung der Nahtraupe mittels zweier Sensoren, die im Laserbearbeitungskopf vorgesehen sind und die auf das Werkstück projizierte Laserlinien erfassen.
Die DE10 2011 078 276 B3 betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern während eines Laserbearbeitungsprozesses sowie Laserbearbeitungsvorrichtung. Hier wird ein Laserschweißkopf mit Fügestellen Tracking (Nahtführung) und der ortsaufgelösten Auswertung von emittiertem Laserlicht in spezifischen Wellenlängen
Die DE 2011 012 729 A1 betrifft ein optisches Prüfverfahren mittels Intensitätsverlauf und beschreibt ein offline Prüfverfahren, bei dem Aufnahmen von Lasertriangulationslinien ausgewertet werden.
Aus der EP 2 062 647 B1 ist ein Verfahren zum Vorbereiten und zum Durchführen eines Laserschweißprozesses bekannt, bei dem mittels einer Kamera einer Sensoreinrichtung Bilder von der Oberfläche eines Werkstücks im Bereich einer Fügestelle aufgenommen werden. Auf der Sensorfläche der Kamera sind drei Messbereiche ausgebildet, von denen der erste Bereich eine Lichtlinie im Bereich vor dem Schweißprozess, der zweite Bereich den Bereich des Schweißprozesses selbst und der dritte Bereich eine Lichtlinie im Nachlauf erfasst. Die Sensoreinrichtung erfasst die genaue Position der Fügestelle und regelt die Position des Laserbearbeitungskopfes nach. Hierzu wird die aktuell im zweiten Messbereich erfasste Laserstrahlposition mit der zuvor im ersten Messbereich erfassten Position der Fügestelle verglichen. Ändert sich die Laserstrahlposition im zweiten Messbereich wird die Position des Laserbearbeitungskopfes nachgeregelt.
Die DE 103 35 501 A1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf mit einem optischen Erfassungssystem mit einer Kamera, die zweidimensionale Bilder vom Prozessort und seiner Umgebung liefert, die von einer Bildauswertereinrichtung ausgewertet werden können. Die Auswertung umfasst Vermessungs- und Vergleichsoperationen der aufgenommenen und gegebenenfalls in der Einrichtung gespeicherten aktuellen 2D-Bilder mit zuvor aufgenommenen und gespeicherten 2D-Bildern. Hierbei können auch an unterschiedlichen Stellen im Gesichtsfeld unterschiedliche Bildbestandteile erfasst und ausgewertet werden. Hier kann mit dem optischen Erfassungssystem die tatsächliche Lage der zur verfolgenden Bahn aufgenommen und vermessen werden. Durch die Bildauswertung und die Vermessung kann die Position jedes Punktes der Bahn genau erfasst und bestimmt werden. Die so ermittelten Daten können zur Steuerung des Fügeprozesses und/oder zur Bestimmung weiterer Qualitätsmerkmale verwendet werden.
Die DE 10 2013 017 795 B3 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Kameravorrichtung, der Beleuchtungsquellen zum Beleuchten der Bearbeitungsstelle zugeordnet sind. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei ebenso wie der Beobachtungsstrahlengang in den Arbeitslaserstrahlengang eingekoppelt.
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Die DE 10 2013 022 085 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung der Bearbeitungsbahn bei einem Laserfügeprozess, bei der der Strahlengang einer Beleuchtungseinheit koaxial um den Strahlengang eines Bearbeitungslasers herumgeführt wird, sodass der Bearbeitungslaserstrahl und der Beleuchtungsstrahl durch unterschiedliche Flächen in der Bearbeitungsoptik treten. Somit kann in Verbindung mit einer geeigneten Blende vermieden werden, dass unerwünschte Reflexe des Bearbeitungslaserstrahls von den Grenzflächen der optischen Elemente auf den Bildsensor gelangen. Die Anordnung der Blende ist jedoch nicht gezeigt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken und einen Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen, so dass eine sichere Detektion von Fügespaltpositionen ohne Ausreißer und grobe Fehler ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 und den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß werden zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken aus Kamerabildern, also beispielsweise Graubildern einer Fügestelle Messdaten für die Position für die Fügestelle ermittelt, die den Verlauf der Fügestelle wiedergeben. Aus einem Teil dieser Messdaten wird ein Modell des Fügestellenverlaufs bestimmt, das dann eine Messkurve liefert, die zur Steuerung eines Fügeprozesses und/oder zur Bestimmung weiterer Qualitätsmerkmale ausgegeben wird. Erfindungsgemäß werden also nicht die Originalmessdaten genutzt, um die Fügeposition und daraus Qualitätsmerkmale, wie beispielsweise maximale Abweichung oder Rundlauf zu ermitteln, sondern die Daten aus einem Modell, das an die Originalmessdaten angepasst wurde, so dass keine Ausreißer in den Originalmessdaten die Bewertung der Fügepositionen beeinträchtigen.
Um möglichst kontrastreiche Bilder der Fügestelle und eine möglichst kleine mechanische Störkontur zu erhalten, ist vorgesehen, dass die Werkstücke koaxial zum Beobachtungsstrahlengang der Kamera beleuchtet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Beobachtungsstrahlengang der Kamera zur Aufnahme der Bilder der Fügestelle koaxial in einen Arbeitslaserstrahlengang eingekoppelt wird. Auf diese Weise kann die Fügestelle direkt von oben beobachtet werden, um die Fügepositionen zu ermitteln.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus den dem Verlauf der Fügestelle zugeordneten Messdaten bauteilabhängig inkrementell Messdaten entfernt werden, und dass das Modell des Fügestellenverlaufs aus den verbleibenden Messdaten bestimmt wird, wobei die bauteilabhängige Entfernung von Messdaten aus den dem Verlauf der Fügestelle zugeordneten Messdaten entsprechend einem Kammprofil erfolgt, bei dem die Breite der Fenster und deren Abstände entsprechend den Werkstücken gewählt wird.
Da der Fügestellenverlauf bekannt ist, ist es durch die Bauteil abhängige Reduktion der Messdaten möglich, die Bestimmung des Modells für den Fügestellenverlauf zu vereinfachen.
Um für den gesamten Verlauf der Fügestelle Messdaten zur Verfügung zu haben, ist nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass nicht erkannte Fügepositionen im Verlauf der Fügestelle durch lineare Interpolation ergänzt werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Modell des Fügestellenverlaufs durch wiederholtes Entfernen von Daten aus den Messdaten, beispielsweise mittels Verschieben eines Kammprofils mit fester Breite und Anpassen des Modells, an diese verbliebenen Messdaten bestimmt wird.
Durch das wiederholte Ermitteln eines Modells und die jeweilige Bestimmung der Anzahl von Ausreißern zu diesem Modell ist es möglich, das beste Modell und die daraus abgeleitete Messkurve mit hoher Genauigkeit an den tatsächlichen Fügestellenverlauf anzupassen.
Ferner ist ein Laserbearbeitungskopf, der ein Gehäuse aufweist, durch das ein Arbeitslaserstrahlengang mit einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik geführt ist, mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet, die eine Kamera zur Aufnahme von Bildern einer Fügestelle von Werkstücken, deren Beobachtungsstrahlengang koaxial in den Arbeitslaserstrahlengang eingekoppelt ist, und eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, deren Beleuchtungsstrahlengang koaxial in den Beobachtungsstrahlengang und in den Arbeitslaserstrahlengang eingekoppelt ist.
Durch die zum Beobachtungsstrahlengang koaxiale Beleuchtung des Werkstücks oder der Werkstücke lassen sich kontrastreiche Bilder der Fügestelle aufnehmen, aus denen Messdaten der Fügestelle bereits mit einer reduzierten Anzahl von Ausreißern ermittelt werden können.
Zweckmäßigerweise sind der Beobachtungsstrahlengang der Kamera und der Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungsvorrichtung in einen Abschnitt des Arbeitslaserstrahlengangs zwischen der Kollimationsoptik und der Fokussieroptik eingekoppelt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine LED Lichtquelle und eine Kollimieroptik aufweist, wobei die LED Lichtquelle eine LED Platine mit einem LED-Chip mit integrierter Linse und eine Linse mit hoher numerischer Apertur aufweist.
Um einen hohen Kontrast in den aufgenommenen Bildern von der Fügestelle zu erhalten, ist vorgesehen, dass die LED Lichtquelle eine Hochleistungs-LED aufweist, und dass in Strahlrichtung hinter einem teildurchlässigen Spiegel zum Einkoppeln des Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungsvorrichtung in den Beobachtungsstrahlengang der Kamera ein Absorber angeordnet ist.
Um störende Reflexe im Beobachtungsstrahlengang der Kamera zu minimieren, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass im Beobachtungsstrahlengang der Kamera eine Blende zur Aperturanpassung vorgesehen ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

1a eine vereinfachte schematische Draufsicht auf zwei Werkstücke zur Veranschaulichung einer Fügepositionsbestimmung mittels Triangulationsverfahren,
1b eine Aufnahme einer Laserlinie, die über einen Fügespalt zwischen den Werkstücken projiziert wurde,
2a eine vereinfachte schematische Draufsicht auf zwei Werkstücke zur Veranschaulichung der Fügespalterkennung mittels einer Graubildaufnahme,
2b eine Graubildaufnahme eines Fügespalts zwischen zwei Werkstücken,
3 ein Diagramm zur Darstellung der im Graubild detektierten Fügespaltpositionen über den gesamten Verlauf des Fügespalts,
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit integrierter Vorrichtung zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken,
5 eine detailliertere Darstellung der in 4 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung,
6 ein Ablaufdiagramm der Bestimmung eines Modells eines Fügestellenverlaufes,
7a ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung von dem Verlauf einer Fügestelle zugeordneten Messdaten und eines Kammprofils zum Entfernen eines Teils dieser Messdaten,
7b ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Messdatensatzes nach dem Entfernen eines Teils davon gemäß 7a,
8a ein Diagramm zur Veranschaulichung von dem Verlauf einer Fügestellen darstellenden Messdaten nach Ergänzung fehlender Fügepositionen durch lineare Interpolation,
8b ein Diagramm zur Veranschaulichung eines an diese Messdaten angepassten Modells,
8c ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Modells, das nach dem Entfernen von Ausreißern aus Messdaten an diese Messdaten angepasst wurde,
9 ein Graubild eines Fügespalts mit geringem Kontrast, und
10 ein kontrastreiches Graubild der Fügeposition, das unter Verwendung einer erfindungsgemäßen LED-Auflichtbeleuchtung aufgenommen wurde.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
4 zeigt den schematischen Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes, wobei dessen Gehäuse der Einfachheit halber weggelassen ist. Durch den Laserbearbeitungskopf ist ein Arbeitslaserstrahlengang 10 mit einer Kollimationsoptik 11 und einer Fokussieroptik 12 geführt. Die Fokussieroptik 12 fokussiert den Arbeitslaserstrahl in nicht näher dargestellter Weise durch ein Schutzglas 13 hindurch in den Wechselwirkungsbereich zwischen Laserstrahlung und einem Werkstück 14 zu dessen Bearbeitung. Im Arbeitslaserstrahlengang 10 ist ferner ein teildurchlässiger Umlenkspiegel 15 angeordnet, der für die Arbeitslaserstrahlung undurchlässig ist, aber andere Wellenlängen, die für die Beobachtung für die Werkstückoberfläche genutzt werden, durchlässig ist.
Zur Abbildung der Werkstückoberfläche zum Erkennen von Fügepositionen ist eine Kamera 16 mit Objektiv vorgesehen, deren Beobachtungsstrahlengang 17 über einen Umlenkspiegel 18 und durch den teildurchlässigen Umlenkspiegel 15 koaxial in den Arbeitslaserstrahlengang 10 eingekoppelt wird. Zur kontrastreichen Visualisierung oder Abbildung von Fügepositionen ist eine Beleuchtungsvorrichtung 19 mit einer Kollimieroptik 20 vorgesehen, deren Beleuchtungsstrahlengang 21 über einen Teilerspiegel 22 koaxial in den Beobachtungsstrahlengang 17 der Kamera 16 und den Arbeitslaserstrahlengang 10 eingekoppelt wird.
Da der Teilerspiegel 22 für das von der Beleuchtungsvorrichtung 19 aus gesendete Licht teildurchlässig sein muss, also gleiche Wellenlänge z. B. 660 nm, sowohl transmittieren, als auch reflektieren muss, ist in Strahlrichtung hinter dem teildurchlässigen Spiegel 22 ein Absorber 23 angeordnet, um störende Reflexe innerhalb des Laserbearbeitungskopfes zu vermeiden, die sonst von dem nicht für die Beleuchtung nutzbaren Beleuchtungslicht erzeugt werden und teilweise auf die Kamera 16 gelenkt werden. Ferner ist im Beobachtungsstrahlengang 17 der Kamera 16 eine Blende 27 zur Aperturanpassung und/oder -begrenzung angeordnet, durch die Rückreflexe sowie Reflexe aus dem Bereich des Schutzglases 13 und der Fokussieroptik 12 zumindest teilweise ausgeblendet werden.
Für ein helles kontrastreiches Bild müssen ausreichend Intensität von der Beleuchtungsvorrichtung 19 zur Verfügung stehen und Rückreflexe minimiert werden.
Als LED-Lichtquelle werden daher vorzugsweise High-Power-LEDs eingesetzt, diese weisen eine große Chipfläche (typ. 1×1mm²) und einen großen Öffnungswinkel (bis zu 160°) auf. Um möglichst viel des abgestrahlten Lichts zu kollimieren ist eine Kombination von Linsen erforderlich, die teilweise eine hohe NA aufweisen müssen. Außerdem müssen die Verluste an den optischen Elementen gering gehalten werden.
Eine Linsenkombination, die möglichst viel Licht kollimiert und durch den Laserbearbeitungskopf lenkt, ist in 5 gezeigt. Hier, weist die Beleuchtungsvorrichtung 19 ferner eine LED-Lichtquelle mit einer LED-Platine 24, auf der ein LED-Chip 25 mit integrierter Linse, z. B. eine High-Power oder Hochleistungs-LED angeordnet ist und eine Linse 26 mit hoher numerischer Apertur auf. Die Linse 26 mit hoher numerischer Apertur dient dazu, das von dem LED-Chip 25 mit einem großen Öffnungswinkel abgestrahlte Beleuchtungslicht möglichst vollständig in die Kollimieroptik 20 einzustrahlen.
Durch die koaxiale Anordnung der Beleuchtungs-LED verlaufen der Beleuchtungsstrahlengang 21 und der Beobachtungsstrahlengang 17 größtenteils im gleichen Pfad, sind also koaxial. Jedes Element im gemeinsamen Strahlengang, das einen Rückreflex erzeugt, der auf den Sensor der Kamera 16 reflektiert wird, reduziert den Kontrast des Bildes. Ein schwarzes Bild erscheint dann nicht mehr schwarz, sondern grau.
Zweckmäßig wäre es, jedes optische Element mit einer optimalen Antireflexschicht zu versehen, die eine Transmission nahe 100% für die Beleuchtungswellenlänge, z. B. 660 nm ermöglichen würde. In vielen Fällen ist das jedoch nicht möglich, da das optische Element neben der Beleuchtungswellenlänge auch für den Bearbeitungslaser und evtl. weitere Sensorik antireflexbeschichtet sein muss. Je mehr Anforderungen an eine Beschichtung gestellt werden, desto dicker und komplexer wird in der Regel der Schichtstapel, so dass eine Verwendung im Bearbeitungsstrahlengang aufgrund der hohen Laserleistung oft nicht mehr möglich ist.
Ohne Optimierung der Optiken und deren Beschichtung bzw. Lage und Position im Strahlengang wird das Bild sehr kontrastarm, wie z. B. 9 zeigt. Da die Bestimmung der Fügepositionen im Bild oft über eine Kantendetektion geschieht, ist ausreichender Kontrast zwingend notwendig.
Aufgrund des erforderlichen Kontrastes im Bild und aufgrund von Verlusten von Beleuchtungsintensität durch schlechte Reflexionseigenschaften des Objektfeldes, also der Werkstückoberflächen und Verlusten im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes werden bevorzugt Hochleistungs- LEDs verwendet, welche gepulst betrieben werden. Das Pulsen geschieht synchronisiert zur Bildaufnahme im Zeitfenster der Sensorbelichtungsphase der Kamera 16.
Folgende Maßnahmen liefern einen optimalen Kontrast der Abbildung:

LED Beleuchtung mittels High-Power LED mit einer Linsenkombination, um möglichst viel abgestrahltes Licht zu kollimieren, wie sie anhand 5 dargestellt ist. Beschichtung Fokussieroptik: Bestmögliche Antireflex-Beschichtung für Arbeitslaserstrahlung hat dabei Vorrang, während eine Antireflex Beschichtung für Beleuchtungslicht so gut wie möglich auszulegen ist, ohne die Arbeitslaserwellenlänge negativ zu beeinflussen.

Form der Fokussieroptik 12: Krümmungsradien der verwendeten Linse sollten so angepasst sein, dass die Rückreflexe, die trotzt Antireflex-Beschichtung an Vorder- und Rückseite bei 660 nm vorhanden sind, so zurückreflektiert werden, dass die Kamera 16 nicht signifikant belichtet wird. Hierzu eignen sich bikonvexe Linsenformen. Trotz angepasster Krümmungsradien muss jedoch die Brennweite der Fokussieroptik 12 erhalten bleiben.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, das Schutzglas 13 mit einer Antireflex-Beschichtung für die Beleuchtungswellenlänge und den Arbeitslaser zu versehen, damit keine Rückreflexe entstehen, ist es bevorzugt, Schutzglas ohne spezielle Antireflex-Beschichtung für 660 nm vorzusehen und das Schutzglas um wenige Grad z.B. ca. 4 Grad) schräg zu stellen, damit die Rückreflexion nicht direkt in die Kamera 16 trifft und den Kontrast mindert. Der Rückreflex verläuft dann nicht mehr koaxial und wird durch die Blende 27 zur Aperturanpassung blockiert. Die Blende 27 weist dabei einen Öffnungsdurchmesser auf, der kleiner als der des Gehäuses ist.
Eine kontrastreiche Abbildung der Fügeposition mit der beschriebenen koaxialen Auflicht LED Beleuchtung ist in 10 gezeigt.
6 zeigt ein Ablaufschema des Verfahrens, mit dem aus den Messdaten für die Fügepositionen, die dem Verlauf der Fügestelle zugeordnet sind, eine Messkurve ermittelt wird, die dann zur Steuerung eines Fügeprozesses und zur Bestimmung weiterer Qualitätsmerkmale genutzt wird. Hierzu werden N Iterationen durchgeführt, wobei zunächst aus den dem Verlauf der Fügestelle zugeordneten Messdaten in einem Schritt S1 Messdaten entfernt werden. An diesen reduzierten Messdatensatz wird dann in einem Schritt S2 das Modell angepasst, um dann in einem Schritt S3 die Anzahl der Ausreißer zu diesem angepassten Modell zu bestimmen. Es wird also festgestellt, welche der einzelnen Messdaten eines Messdatensatzes weiter von dem berechneten Modell abweichen als eine vorgegebene Fehlerschranke. Solange die Anzahl n der durchgeführten Iterationen kleiner ist als die vorgegebene Anzahl N, wird jeweils die nächste Iteration in gleicher Weise durchgeführt.
Nachdem alle N Iterationen durchgeführt wurden, wird das Modell mit den wenigsten Ausreißern in einem letzten Schritt S4 ausgewählt. Aus den Messdaten zu diesem Modell werden die Ausreißer entfernt und das Modell wird schließlich erneut berechnet. Das so entstandene Modell liefert dann die Messkurve, aus der weitere Qualitätsmerkmale bestimmt werden können und die auch zur Steuerung des Fügeprozesses heran gezogen werden kann.
Das Verfahren verwendet die iterative Anpassung eines Models auf Teilen der gesamten originalen Messdaten, die eine Messkurve darstellt, die dem Verlauf der Fügestelle entspricht, insbesondere wird ein modifiziertes Ransac Verfahren zur Bestimmung von Fügepositionen eingesetzt.
Dabei soll ein mathematisches Modell durch den Messdatensatz gelegt und Ausreißer möglichst nicht berücksichtigt werden. Den zu bestimmenden Merkmalen, z.B. der Fügeposition und daraus bestimmten Qualitätsmerkmalen, wie maximale Abweichung oder Rundlauf, sollen also nicht die Originaldaten zugrunde gelegt werden, sondern die Daten aus dem mathematischen Modell.
Als mathematisches Modell dient z.B. ein Polynom 4. Grades. Der Messdatensatz soll also mit dem Modell Y = A + Bx + Cx² + Dx³ + Ex⁴ approximiert werden. Als Ergebnis liefert der Algorithmus ein Ausreißer bereinigtes Polynom mit den Koeffizienten A, B, C, D und E.
Nach einer genügenden Anzahl N von Iterationen kann so ein optimales Modell gefunden werden.
Das Entfernen eines Teils der Messdaten in jeder Iteration geschieht nicht zufällig, da Störungen im Bild, welche zu Ausreißern führen, meist eine bauteilabhängige Länge haben. Das zufällige Entfernen von Daten würde eine hohe Anzahl von Iterationen bedeuten.
7a zeigt ein beispielhaftes Muster (Kammprofil K), mit dem ein Teil der Messdaten aus dem Messdatensatz, der die originale Messkurve M darstellt, entfernt werden kann. Die Distanz und der Abstand der gefensterten Datenentfernung aus dem Originalmessdatensatz kann bauteilabhängig parametriert werden. Die Methode mit der Daten entfernt werden ist bauteilabhängig.
Ein Messdatensatz, der durch Entfernen von Daten gemäß dem in 7a gezeigten Kammprofil K erhalten wird, würde etwa die in 7b gezeigte Messkurve M` repräsentieren.
Auf diesem Messdatensatz wird das Model berechnet und die Anzahl der Ausreißer bestimmt. Mit jeder Iteration wird ein Modell mit, im Fall eines Polynoms, anderen Koeffizienten entstehen. Zu jedem an den Messdatensatz angepassten Model, also dem berechneten Polynom können Ausreißer ermittelt werden. Die Gestalt des Modells kann eingeschränkt werden, da in den meisten Fällen Vorwissen über die Messkurve besteht. Bei einem Bauteil mit axialer Fügespaltanordnung wird der Verlauf der Fügeposition entlang eines Kreises sein. Fehler durch nicht konzentrisches Spannen der Bauteile kann durch ein trigonometrisches Modell beschrieben werden.
8a zeigt die Messkurve M'' eines Messdatensatze nach dem linearen Interpolieren von nicht detektierten Positionen entlang eines axialen Fügespaltverlaufs (siehe die Bereiche 9 in 3). Nicht detektierte Positionen können nicht plausible Messdaten, wie etwa Werte auf linkem oder rechtem ROI Rand sein.
8b zeigt ein berechnetes Modell P, zum Beispiel eines Polynoms 4. Grades auf obigem Messdatensatz gemäß 8a. Das Maximum beträgt 17.57 mm.
Nach 10 Iterationen und Bereinigung des Messdatensatzes beträgt das Maximum 16.97 mm. Ein auf der in 8c gezeigten Messkurve M''' berechneter Rundlauf eines axialen Fügespaltverlaufs entspricht so zuverlässig dem tatsächlichen Verlauf des Fügespalts zwischen den Werkstücken.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf die Erkennung der Schweißnaht im Graubild angewendet werden. Auch hier besteht das Problem, das die Kontur der Schweißnaht im Graubild abhängig vom Detektionsverfahren, Ausreißer behaftet ist. Das angepasste beschriebene Verfahren kann auch hier sicher die Nahtränder im Graubild detektieren. Das jeweilige mathematische Model wird dazu auf den zu erwartenden Verlauf der Naht angepasst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also zuverlässig die Ausreißer und groben Fehler eliminiert und eine Messkurve der Fügespaltpositionen entlang dem Fügepfad generiert werden. Mit dieser generierten Kurve kann zuverlässig die Qualität, z.B. der Rundlauf, des Fügespaltverlaufs beurteilt werden. Diese Kurve kann verwendet werden um beim Schweißen den Schweißlaser entlang dieser Kurve zu positionieren.
Die Visualisierung oder Abbildung der Fügeposition wird erfindungsgemäß mit einer koaxialen Kamera 16 und einer koaxialen LED Beleuchtung erreicht. Die verwendeten optischen Filter, die Umlenkspiegel, das Schutzglas und die Fokussieroptik des Schweißkopfs sind dabei so auf die Wellenlänge der LED angepasst, dass Reflexionen an den Optiken im gemeisamen Strahlengang von LED-Beleuchtung 21 und Beobachtungsstrahlengang 17 in die Kamera 16 minimiert werden. Dies wird entweder durch angepasste Beschichtungen oder durch geschickte Positionierung der Komponenten und geeignete Blenden erreicht. Durch Vermeidung störender Reflexionen entsteht ein kontrastreiches Bild.

Claims

Verfahren zum Erkennen von Fügepositionen von Werkstücken, bei dem: - mittels einer Kamera (16) Bilder einer Fügestelle aufgenommen werden, - aus den Bildern der Fügestelle (6) Messdaten für die Fügepositionen ermittelt werden, die dem Verlauf der Fügestelle (6) zugeordnet sind, und - aus einem Teil der Messdaten ein an die Originalmessdaten angepasstes Modell des Fügestellenverlaufs bestimmt wird, das als Messkurve zur Steuerung eines Fügeprozesses und/oder zur Bestimmung weiterer Qualitätsmerkmale ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke koaxial zum Beobachtungsstrahlengang (17) der Kamera (16) beleuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsstrahlengang (17) der Kamera (16) zur Aufnahme der Bilder der Fügestelle koaxial in einen Arbeitslaserstrahlengang (10) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den dem Verlauf der Fügestelle (6) zugeordneten Messdaten bauteilabhängig Messdaten entfernt werden, und dass das Modell des Fügestellenverlaufs aus den verbleibenden Messdaten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bauteilabhängige Entfernung von Messdaten aus den dem Verlauf der Fügestelle (6) zugeordneten Messdaten entsprechend einem Kammprofil erfolgt, bei dem die Breite der Fenster und deren Abstände entsprechend den Werkstücken gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht erkannte Fügepositionen im Verlauf der Fügestelle (6) durch lineare Interpolation ergänzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Fügestellenverlaufs aus einem Teil der Messdaten durch wiederholtes Anpassen des Modells an die Messdaten und Ermitteln von Ausreißern (8) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messdaten die Ausreißer (8) entfernt werden, die zu dem an die Messdaten angepassten Modell mit den wenigsten Ausreißern (8) ermittelt wurden, und dass das Modell mit dem so erhaltenen Messdatensatz erneut bestimmt wird.
Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, durch das ein Arbeitslaserstrahlengang (10) mit einer Kollimationsoptik (11) und einer Fokussieroptik (12) geführt ist, und mit einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche angepasst ist, die eine Kamera (16) zur Aufnahme von Bildern einer Fügestelle (6) von Werkstücken, deren Beobachtungsstrahlengang (17) koaxial in den Arbeitslaserstrahlengang (10) eingekoppelt ist, und eine Beleuchtungsvorrichtung (19) aufweist, deren Beleuchtungsstrahlengang (21) koaxial in den Beobachtungsstrahlengang (17) und in den Arbeitslaserstrahlengang (10) eingekoppelt ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsstrahlengang (17) der Kamera (16) und der Beleuchtungsstrahlengang (21) der Beleuchtungsvorrichtung (19) in einen Abschnitt des Arbeitslaserstrahlengangs (10) zwischen der Kollimationsoptik (11) und der Fokussieroptik (12) eingekoppelt sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (19) eine LED Lichtquelle (24, 25, 26) und eine Kollimieroptik (20) aufweist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die LED Lichtquelle (24, 25, 26) eine LED Platine (24) mit einem LED-Chip (25) mit integrierter Linse und eine Linse (26) mit hoher numerischer Apertur aufweist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die LED Lichtquelle eine Hochleistungs-LED aufweist, und dass in Strahlrichtung hinter einem teildurchlässigen Spiegel (22) zum Einkoppeln des Beleuchtungsstrahlengang (21) der Beleuchtungsvorrichtung (19) in den Beobachtungsstrahlengang (17) der Kamera (16) ein Absorber (23) angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Beobachtungsstrahlengang (17) der Kamera (16) eine Blende zur Aperturanpassung vorgesehen ist.