DE29707777U1 - Optische Schweißnaht-Prüfeinrichtung - Google Patents

Optische Schweißnaht-Prüfeinrichtung

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Description

&EEgr;.,;!·; J;;v:-Y:":: IPP
Beschreibung "Optische Schwei&nark-Prufemnchturig"* Seite 1 I &Lgr; &Igr;
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen, berührungslosen, optischen Prüfung von vorzugsweise Schweißnähten oder ähnlichen Strukturen, wobei die Prüfstelle je nach Ausformung erfindungsgemäß mit einer oder mehreren Leuchtquellen mit gerichtetem Licht, hier Strahler genannt, kurzzeitig angeleuchtet wird und das reflektierte Licht von einem oder mehreren positionsempfindlichen optischen Sensoren, vorzugsweise Flächen-CCD-Kameras, aufgenommen wird. Durch definierte Anordnung der Leuchtquellen und optischen Sensoren in einem Gestell und deren Anschluß an einen geeigneten Steuer- und Bildverarbeitungsrechner entsteht eine automatisch arbeitende, leistungsfähige optische Prüfeinrichtung für Schweißnähte.
Der Stand der Technik zur Prüfung von Schweißnähten weist vielerlei bekannte und gebräuchliche Methoden auf, wobei bevorzugt Röntgenstrahlung, Ultraschall oder Magnetpulver zum Einsatz kommen. Hierbei steht die Prüfung der Schweißnaht auf Inhomogenitäten (Risse, Einschlüsse, Materialveränderungen) im Vordergrund, was im allgemeinen einen großen technischen Aufwand zur Realisierung der Prüfung, insbesondere hinsichtlich Strahlenschutz bei Röntgenuntersuchungen, erfordert und deshalb nur bei hohen Sicherheitsanforderungen durchgeführt wird. Bei weniger hohen Anforderungen wird die Schweißnaht-Prüfung im aligemeinen durch einfache menschliche Sichtkontrolle durchgeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei der Serienproduktion wie z.B. im Automobilbau mit automatisierten Schweißstraßen zwar eine gleichmäßige Schweißnahtqualität erreicht wird, durch seltene Störfälle aber eine einzelne Schweißnaht nicht vollständig oder gar nicht ausgeführt ist. Trotz üblicher Sichtkontrolle kann bei der Vielzahl der Einzeinähte und menschlicher Unzulänglichkeit ein derartiger Fehler übersehen werden, was zu fatalen Sicherheitsmängeln an der Schweißkonstruktion führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die menschliche Sichtkontrolle durch eine automatische Prüfeinrichtung zu ersetzen und gleichzeitig den hohen gerätetechnischen Aufwand bekannter Prüfsysteme zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu prüfende Schweißnaht je nach Ausformung erfindungsgemäß mit einer oder mehreren Leuchtquellen mit gerichtetem Licht, hier Strahler genannt, kurzzeitig angeleuchtet wird und das reflektierte Licht von einem oder mehreren positionsempfindlichen optischen Sensoren, vorzugsweise Flächen-CCD-Kameras, aufgenommen wird. Durch definierte Anordnung der Leuchtquellen und optischen Sensoren in einem Gestell und deren Anschluß an einen geeigneten Steuer- und Bildverarbeitungsrechner entsteht eine automatisch arbeitende, leistungsfähige optische Prüfeinrichtung für Schweißnähte (Anspruch 1),
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Leuchtquellen mit gerichtetem Licht, hier Strahler genannt, so geschickt angeordnet werden, daß abhängig von Schweißnahtform und -lage im zugehörigen optischen Sensor, vorzugsweise einer CCD-Kamera, nur ein helles Bild der Schweißnaht durch das reflektierte Licht entsteht, jedoch das unmittelbare Umfeld unsichtbar bleibt, ähnlich der sogenannten Dunkelfeldbeleuchtung in der Mikroskopie.
UO^vQ^ IPP
Beschreibung "Optische SchweiSnaiit-Prüfemnchtiftig"* Seite 2 ill
In besonderen Fällen kann vorteilhaft auch mit sog. Hellfeld gearbeitet werden, wobei das Umfeld hell in die Kamera reflektiert, die Schweißnaht aber dunkel erscheint (Anspruch 2). Hierzu bedarf es keiner aufwendigen Strahler, im Gegenteil können diese sehr einfach und preiswert gestaltet sein (Anspruch 3), so können z.B. Halogenstrahler, aber auch LED-Strahler vorteilhaft zum Einsatz kommen. Außerdem wird durch die nur kurzzeitige Betätigung beim Prüfvorgang eine sehr hohe Lebensdauer erreicht (Anspruch 9).
Ebenso können die optischen Sensoren, vorzugsweise CCD-Kameras, sehr einfach und preiswert gestaltet sein, z.B. mit geringer Auflösung und geringer Dynamik, da sich das helle Bild der Schweißnaht vom dunklen Umfeld sehr deutlich abhebt (Anspruch 4).
Durch diesen Effekt ist auch die anschließende Bildverarbeitung und Prüfentscheidung einfacher und schneller als bei üblichen optischen Verfahren (Anspruch 11).
ist die Schweißnaht unvollständig oder fehlt gänzlich, so fehlt die entsprechende Reflexion im Sensorbild, und es erfolgt eine entsprechende Prüfmeldung. Damit ist bei jedem Prüfvorgang auch die Selbsdiagnose möglich (Anspruch 12).
Die Strahler und Sensoren werden in einem den Prüfling umgebenden Gestell variabel angeordnet (Anspruch 6) und nach außen gegen störendes Fremdlicht abgeschirmt (Anspruch 5). Durch angepaßte Optik an Strahler und Sensoren entfallen besondere Anforderungen an bestimmte Abstände zum Prüfling (Anspruch 7), dadurch kann der Aufbau und die Bedienung sehr einfach gestaltet und die Anpassung an verschiedene Prüflinge sehr einfach gehandhabt werden. Dabei wird die Leuchtdichte der Strahler und die Empfindlichkeit der Kameras auf die jeweilige Prüfsituation so eingestellt, daß ein deutlicher Kontrast entsteht (Anspruch 8). Dazu können die Strahler und Kameras an geeigneten Stellen in die Ringleitung für Stromversorgung, Steuerung und Signalleitung auf einfache Weise eingekuppelt bzw. wieder getrennt werden (Anspruch 10).
Die Einrichtung läßt sich außer für Schweißnähte auch für die Prüfung anderer Strukturen einsetzen (Anspruch 13).
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Beschreibung "Optische Schweifenafit-Prüfeitffichtifflg"· Seite 3 III
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 bis 10 erläutert:
Figur 1 zeigt schematisch das Prüfobjekt (0), das durch passende Stützarme im Gestell (G) gelagert wird.
Schweißnaht 1 wird durch Strahler S1 kurz beleuchtet und das reflektierende Bild mit Kamera C1 aufgefangen, ebenso wird bei Schweißnaht 2 und 4 verfahren. Bei der umlaufenden Schweißnaht 3 kommen zur vollständigen Erfassung mehrere Strahler (S3, S5.1, S5.2, S6.1, S6.2) und Kameras (C3, C5, C6) zum Einsatz.
Sämtliche Strahier und Kameras werden am Gesteil an geeigneter Stelle montiert, ausgerichtet und fixiert und über die Ringleitung (R) mit dem Steuerrechner (ST) verbunden. Im Rechner für die Bildverarbeitung (BV) werden die aufgenommenen Bilder der Schweißnähte interpretiert und das Prüfergebnis auf dem Monitor (M) angezeigt sowie über die Vernetzung (V) an den übergeordneten Leitrechner übergeben.
Figur 2 bis 5 zeigt verschieden ausgeformte Schweißnähte aus einer automatischen Serienfertigung, aufgenommen mit einer CCD-Flächenkamera bei üblicher Beleuchtung. Hiermit wird deutlich sichtbar, daß die automatische Prüfung der Schweißnähte mit Methoden der Bildverarbeitung so nicht möglich ist, da sich die Schweißnähte nicht eindeutig von ihrer Umgebung unterscheiden lassen.
Figur 2 zeigt eine gewölbte Naht, die erst durch die erfindungsgemäße Beleuchtung in voller Breite und Ausdehnung deutlich sichtbar wird (Figur 6).
Figur 3 zeigt eine typische Kehlnaht, die erst mit der Spezialbeleuchtung deutlich sichtbar (Figur 7).
Figur 4 zeigt eine umlaufende Naht, die erst durch mehrere Strahler vollständig sichtbar gemacht wird (Figur 8).
Figur 5 zeigt eine größere, vollständig umlaufende Ringnaht und daneben eine kleinere, unvollständig umlaufende Ringnaht. Beide Nähte werden in Figur 9 mit 4 Strahlern vollständig hell im Dunkelfeld dargestellt, in Figur 10 mit einem Strahler vollständig im Hellfeid dargestellt.
Beschreibung "Optische Schweißnaht-Prüfeinrichtung" Seite 3
IPP
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 erläutert:
Figur 1 zeigt schematisch das Prüfobjekt (P), das durch passende Stützarme im Gesteli (G) gelagert wird.
Schweißnaht 1 wird durch Strahler S1 kurz beleuchtet und das reflektierende Bild mit Kamera C1 aufgefangen, ebenso wird bei Schweißnaht 2 und 4 verfahren. Bei der umlaufenden Schweißnaht 3 kommen zur vollständigen Erfassung mehrere Strahler (S3, S5.1, S5.2, S6.1, S6.2) und Kameras (C3, C5, C6) zum Einsatz.
Sämtliche Strahier und Kameras werden am Gesteil an geeigneter Stelle montiert, ausgerichtet und fixiert und über die RingSeitung (R) mit dem Steuerrechner (ST) verbunden. Im Rechner für die Bildverarbeitung (BV) werden die aufgenommenen Bilder der Schweißnähte interpretiert und das Prüfergebnis auf dem Monitor (M) angezeigt sowie über die Vernetzung (V) an den übergeordneten Leitrechner übergeben.

Claims (13)

i i. &ngr;! rv:··! :* IPP Schutzanspruch "Optische Schweißnaht-PKifeinricrttung" Seite 1 III
1. Einrichtung zur automatischen, berührungslosen, optischen Prüfung von Schweißnähten, wobei der Prüfling auf geeigneten Haltern in der Prüfstation fixiert wird und dabei die Schweißnähte aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und mit positionsempfindlichen optischen Sensoren, vorzugsweise Flächen-CCD-Kameras beobachtet werden und diese Beobachtungen an eine automatische Auswertstation übergeben werden,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung eine oder mehrere Leuchtqueilen mit eng gebündeltem, gerichteten Licht, hier Strahler genannt, so auf die jeweils zu prüfenden Schweißnaht ausgerichtet werden, daß das reflektierte Licht von der Schweißnahtoberfläche direkt in eine jeweils beobachtende Kamera fällt, jedoch die unmittelbare Schweißnahtumgebung nicht in die Kamera reflektiert, so daß nur die vorhandene Schweißnaht als helles Bild in dunkler Umgebung deutlich erkannt wird, eine teilweise oder gänzlich fehlende Schweißnaht dagegen dunkel bleibt (sog. Dunkelfeldbeleuchtung).
2. Einrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß im Bedarfsfalle die Strahler so ausgerichtet werden, daß die Umgebung der jeweiligen Schweißnaht direkt in die Kamera reflektiert und hell erscheint, während die Schweißnahtoberfläche an der beobachtenden Kamera vorbei reflektiert und dadurch dunkel erscheint (sog. Hellfeldeleuchtung).
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß als Strahler einfache Leuchtmittel wie Halogenstrahler oder LED-Strahler zum Einsatz kommen, die einzeln oder in Reihen entsprechend der Schweißnahtform angeordnet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren einfache Flächen-CCD-Kameras mit geringer Auflösung und geringer Dynamik zum Einsatz kommen.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfstation als einfaches Gestell ausgeführt ist, das nach außen gegen störendes Fremdlicht abgeschirmt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfstation als einfaches Gestell ausgeführt ist, das auf den Innenseiten mit geeigneten, variablen Befestigungspunkten für die Strahler und Kameras ausgestattet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, daß Strahler und Sensoren durch angepaßte Optik in jedem gewünschten bzw. vom Gestell her vorgegebenen Abstand zum Prüfling angeordnet werden können.
Schutzanspruch "Optische SchweiGTniaht-PVüffeinrichtun^" Seite
IPP
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichte der Strahler und die Empfindlichkeit der Kameras auf die jeweilige Prüfsituation einstellbar sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer der Strahler auf den Moment der Kamera-Belichtung beschränkt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler und Kameras an geeigneten Steilen in die Ringleitung für Stromversorgung, Steuerung und SignalJeitung auf einfache Weise eingekuppelt bzw. wieder getrennt werden können.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10
dadurch gekennzeichnet, daß die deutlichen Kamerasignale durch einfache Bildinterpretation sicher aufbereitet werden können.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Prüfvorgang eine Selbstdiagnose stattfindet.
13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 12
dadurch gekennzeichnet, daß diese außer für Schweißnähte auch für andere Strukturen als Prüfeinrichtung eingesetzt werden kann.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102010036508A1 (de) 2010-07-20 2012-01-26 Koki Technik Transmission Systems Gmbh Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweissnaht

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