DE102009050784B4

DE102009050784B4 - Verfahren zur bildgestützten Kontrolle von Bearbeitungsprozessen und Verfahren zur Reparatur von Defekten an Werkstücken

Info

Publication number: DE102009050784B4
Application number: DE102009050784A
Authority: DE
Inventors: Christian Truckenbrodt; Eckhard Lessmüller
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: DE102009050784A1

Abstract

Verfahren zur bildgestützten Kontrolle von Bearbeitungsprozessen mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (2) unter Einsatz wenigstens eines ortsauflösenden Detektors (9) und mindestens einer vom Bearbeitungsstrahl (2) unabhängigen Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) zur Beleuchtung einer Wirkzone des Bearbeitungsstrahls (2) auf einer Oberfläche eines Werkstücks (6) und deren Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Detektor (9) nacheinander Bilder unterschiedlicher Lichtverhältnisse aufnimmt, die gemeinsam zur Beurteilung von Prozessmerkmalen ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bildgestützten Kontrolle und insbesondere Regelung von Bearbeitungsprozessen, vorzugsweise Schmelzfügeprozessen, mit einem hochenergetischen Bearbeitungs-, insbesondere einem Laserstrahl, unter Einsatz von ortsauflösenden Detektoren und mindestens einer vom Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung der Wirkzone des Bearbeitungsstrahls und deren Umgebung.
Beim Bearbeiten oder Fügen von Bauteilen mit Hilfe von Bearbeitungsstrahlen ist es von Vorteil, die Qualität des Prozesses schon während der Bearbeitung anhand eines Prozessmerkmals zu beurteilen. Neben der Beurteilung kann auch eine Regelung ausgewählter Parameter des Prozesses von Vorteil sein.
Stand der Technik
Zur automatisierten Kontrolle oder Regelung von Bearbeitungsprozessen mit Hochenergiestrahlung ist es bekannt, die räumliche Verteilung der Sekundärstrahlung, die vom Bearbeitungsprozess ausgeht, als ein Prozessmerkmal auszuwerten. Zur Erfassung der Sekundärstrahlung werden üblicherweise ortsauflösende Sensoren und zur Auswertung Bildverarbeitungsalgorithmen auf datenverarbeitenden Anlagen verwendet. Die Beobachtung der Sekundärstrahlung erfolgt entweder durch koaxiale Beobachtung der Sekundärstrahlung über einen wellenlängen-selektiven Umlenkspiegel oder durch Beobachtungsbohrungen in einem Umlenkelement.
Eine Beobachtung des Bearbeitungsprozesses ist auch über so genannte Scraperspiegel möglich.
So betrifft beispielsweise die DE 19716293 A1 eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen, bei der mit einer CCD-Kamera Bilder der Sekundärstrahlung des Schmelzbereiches aufgenommen werden, die von einer Datenverarbeitungseinheit ausgewertet werden.
Die DE 101 03 255 B4 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen, wobei die Sekundärstrahlung mittels einer hochdynamischen Kamera mit großer Aufnahmegeschwindigkeit erfasst wird.
Aus der DE 10 2005 024 085 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs bekannt, die zur Erfassung von Sekundärstrahlung aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück aus mindestens einem nicht ortsauflösendem Empfänger, sowie einer ortsauflösenden Kamera besteht. Die Signale beider Emfangseinheiten werden zur Charakterisierung des Verlaufs des Laserbearbeitungsvorgangs zeitgleich einer Auswerteschaltung zugeführt.
Zur Kontrolle und Regelung von Fügeprozessen mit Bearbeitungsstrahl ist ein anderes Verfahren bekannt, bei dem die Fügezone mit einer äußeren, schmalbandigen Lichtquelle beleuchtet wird. Ein Bandpassfilter vor dem Bildsensor unterdrückt die Sekundärstrahlung und lässt das Licht der äußeren Lichtquelle passieren. Mit Hilfe einer solchen Anordnung lassen sich Merkmale des Fügeprozesses im Wellenlängenbereich einer äusseren Lichtquelle beobachten, ohne dass es zu einer Überstrahlung durch das Prozesslicht kommt.
Eine bekannte Ausführung dieses Verfahrens verwendet als äußere Lichtquelle einen schmalbandigen Linienprojektor. Die Linie wird unter einem Triangulationswinkel auf das zu prüfende Objekt projiziert. Die Beobachtung der geometrischen Verzerrung der Linie auf dem Werkstück und der Naht mit einem ortsempfindlichen Sensor erfasst die Nahtgeometrie und ermöglicht so eine Kontrolle der Fügung.
In der EP 0 262 363 B1 ist ein Verfahren zur bildgestützten Kontrolle bei einem Laserschweißprozess beschrieben, bei dem ein ortsauflösender Detektor nacheinander mit Bildern unterschiedlicher Lichtverhältnisse bestrahlt wird, die mittels von einem Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquellen erzeugt werden. Dabei dienen die Beleuchtungsquellen der Beleuchtung eines Bereichs vor einer Wirkzone zur Bestimmung eines Versatzes zwischen Fügekante und Bearbeitungsposition nach dem Triangulationsprinzip.
Der DE 102 22 786 A1 ist ein Verfahren zur bildgestützten Kontrolle eines Bearbeitungsprozesses entnehmbar, bei dem eine Wirkzone eines Bearbeitungsstrahls und deren Umgebung zusätzlich mit einer von dem Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquelle bestrahlt wird, welche eine geometrische Figur auf die Oberfläche projiziert. Die von der Wirkzone und deren Umgebung emittierte Strahlung wird mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst.
Die US 2005/0150878 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur ablativen Bearbeitung einer Oberfläche, bei dem zu Kontrollzwecken die Wirkzone eines Bearbeitungsstrahls und deren Umgebung mit von dem Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquellen bestrahlt werden. Die Beleuchtungsquellen beleuchten dabei die Wirkzone des Bearbeitungsstrahls und deren Umgebung nacheinander mit Licht unterschiedlicherer Wellenlänge, welches an der Oberfläche reflektiert und mit einem nicht ortsauflösenden Detektor erfasst wird.
Aus der DE 33 39 182 C1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißvorgangs bekannt, welche die Bearbeitungszone lateral zum Bearbeitungsstrahl mit äußeren Strahlquellen hoher Leistungsdichte beleuchtet und lateral zum Bearbeitungsstrahl mit einer Kamera beobachtet. Auf diese Weise lässt sich der Schweißprozess auf einem Monitor in Echtzeit verfolgen.
Die JP 2001-287064 A beschreibt ein Verfahren zur bildgestützten Visualisierung eines Bearbeitungsprozesses mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl unter Einsatz eines ortsaufgelösten Detektors und zwei von dem Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquellen zur Beleuchtung der Wirkzone des Bearbeitungsstrahls und deren Umgebung. Dabei erfasst der Detektor nacheinander Bilder, die unter gleichen Lichtverhältnissen erzeugt werden. Das erhaltene Bild wird zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses auf einem Monitor in Echtzeit dargestellt.
DE 10 2005 010 381 B4 beschreibt ein Verfahren zur Vermessung von Phasengrenzen eines Werkstoffes bei der Bearbeitung mit einem Bearbeitungsstrahl. Hierbei wird die Bearbeitungszone mit nahezu koaxial zum Bearbeitungsstrahl verlaufender optischer Strahlung beleuchtet. Die von der Bearbeitungszone reflektierte Beleuchtungsstrahlung wird mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, um ein optisches Reflexionsmuster der Bearbeitungszone zu erhalten. Ein Bildverarbeitungsalgorithmus ermittelt automatisiert den Verlauf einer oder mehrerer Phasengrenzen flüssig/fest in der Bearbeitungszone anhand eines Übergangs von einem Bereich mit großflächig homogenem Gebiet in einen Bereich mit kleinflächig homogenem Gebiet. Die Intensität der äußeren Lichtquelle, sowie die Eigenschaften des optischen Filters können so gewählt werden, dass auch die Sekundärstrahlung vom Detektor mit erfasst wird.
DE 10 2005 022 095 B4 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer lateralen Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück mit Hilfe einer mit Fremdbeleuchtung ausgerüsteten Bearbeitungsoptik, wobei durch die an die Schweißoptik angeschlossene Kamera unmittelbar hintereinander zwei Bilder der Werkstückoberfläche aufgenommen werden. Über eine mathematische Korrelationsfunktion wird anschließend die laterale Verschiebung in x- und y-Richtung zwischen den beiden Aufnahmen bestimmt. Daraus kann die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ermittelt werden.
Bekannt ist es auch, mehrere Messverfahren nebeneinander durchzuführen. So ist es möglich, Prozesslicht und Lichtschnitt gleichzeitig in einer Aufnahme zu beobachten. Denkbar ist auch eine Beobachtung des Prozesses und dessen Umgebung im Sekundärlicht und gleichzeitig im Auflicht. Die gleichzeitige Aufnahme in einem Bild führt zu einer Überdeckung der zu beobachtenden Merkmale, womit eine Separierung nur teilweise möglich ist.
Aus WO 2008/028 580 A1 ist ein Verfahren zur kamerabasierten Beurteilung der Schweißnahtqualität mit vom Bearbeitungsstrahl unabhängigen Beleuchtungsquellen bekannt, das Aufnahmeparameter für die Aufnahme unterschiedlicher Bildbereiche zwischen den Aufnahmen verändert.
Ein anderer Weg mehrere Messverfahren nebeneinander durchzuführen besteht darin, kurz nacheinander Teilbilder von unterschiedlichen Orten mit einer Kamera aufzunehmen. Die Einstellungen der Kamera zu Verstärkung und Belichtungszeit können von Teilbild zu Teilbild verschieden sein. Hierzu werden spezielle, aufwendige Kameras verwendet, die eine schnelle Einzelkonfiguration von Größe, Aufnahmeposition und Belichtungszeit für jede Aufnahme zulassen. Dieses Verfahren ermöglicht es, in jeder Aufnahme ein Teilbild zu erzeugen, das dem jeweiligen Messverfahren angepasst ist und so die Extraktion der jeweiligen Messgröße im entsprechenden Teilbild erleichtert.
[Q1: Müller-Borhanian, J.: Integration optischer Messmethoden zur Prozesskontrolle beim Laserstrahlschweißen (INESS). Abschlussbericht zum Verbundprojekt, ISBN 3-8316-0531-9]
Nach dem Stand der Technik ist es bei der bildgebenden Prozesskontrolle nicht möglich, mehrere Beobachtungsmethoden simultan zu verwenden, ohne eine gegenseitige Störung durch Überlagerung von Strahlung aus den anderen Beobachtungsmethoden, die zu einem Informationsverlust führt. Eine Abstimmung von Beleuchtungsintensität und Filtern ist nur als Kompromiss möglich. Auch eine schnelle Umschaltung der Kameraeinstellung kann die prinzipielle Überlagerung von Strahlung aus den verschiedenen Beobachtungsmethoden nicht beseitigen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf einfache Weise einander zugehörige Bilder mit deutlich unterscheidbaren Prozessmerkmalen erzeugt werden. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem zeitsparend Defekte erkannt und repariert werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden nacheinander Bilder vom momentanen Wirkort des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück und dessen Umgebung mit unterschiedlichen Einstellungen einer Beleuchtungsquelle beleuchtet. Das heißt, es wird nacheinander von der Werkstückoberfläche emittierte oder reflektierte optische Strahlung mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, um so ein optisches Emissionsmuster (Rückreflex- oder Sekundärstrahlung) und ein Reflexionsmuster (Fremdlicht) der Bearbeitungszone zu erhalten. Durch die Trennung von Aufnahmen mit äußerer Beleuchtung und ohne äußere Beleuchtung wird eine Überlagerung von Strahlung der jeweils anderen Beobachtungsmethode verhindert. Bei abgeschalteter äußerer Lichtquelle stört kein Fremdlicht die Aufnahme des Emissionsmusters. Die Fremdlichtquelle kann so hell ausgelegt werden, dass bei einer entsprechenden Filterung die Aufnahmen des Reflexionsmusters durch Emissionsstrahlung vom Schmelzbad oder Metalldampf nicht gestört werden.
Durch Ein- und Ausschalten der Beleuchtungsquelle mittels einer Steuereinheit werden unmittelbar nacheinander Aufnahmen ohne äußere Beleuchtung oder mit äußerer Beleuchtung gewonnen. Wenn die äußere Beleuchtung aus mehreren Quellen besteht, können die Beleuchtungsintensität und die Beleuchtungsrichtung in aufeinander folgenden Aufnahmen variieren. Es ergeben sich unmittelbar aufeinander folgende Bilder mit optimaler Darstellung der Sekundärstrahlung und optimaler Darstellung der Bearbeitungszone. In jedem dieser Bilder ist ein Prozessmerkmal besonders hervorgehoben und einfach separierbar. Beim Schweißen, zum Beispiel, lässt sich sehr einfach der Wirkort des Lasers vom flüssigen Schmelzbad und der Erstarrungszone unterscheiden.
Auch ist die Möglichkeit, von einem Bearbeitungsort Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen zu erzeugen, vorteilhaft für die Erkennung von Löchern und Poren in der Fügezone durch einen veränderten Schattenwurf der Ränder.
Die einzelnen Aufnahmen werden nach der Aufnahme zusammen mit der Beleuchtungsinformation automatisiert einem Bildverarbeitungsalgorithmus zugeführt. Die Genauigkeit und der Rechenaufwand des Bildverarbeitungsalgorithmus werden durch die Separierung der Merkmale in einzelne Aufnahmen deutlich verbessert, da der grundsätzliche Inhalt der jeweiligen Aufnahme durch die Beleuchtungseinstellung vorausgesetzt ist. Des Weiteren enthalten die Aufnahmen weniger Störkonturen.
Das vorliegende Verfahren verwendet zum Ein- und Ausschalten der Beleuchtungsquellen eine Steuereinheit, die für jede Aufnahme die Beleuchtungsszene einstellt. Die unterschiedlichen Szenen wiederholen sich in einem rhythmischen Ablauf. Von der Aufnahmekamera oder dem optischen Sensor wird ein Signal zum Umschalten der Beleuchtungsszene nach Beendigung jeder vorhergehenden Aufnahme an die Steuereinheit gegeben.
Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich während der Bearbeitung die zur Erfassung des jeweiligen Prozessmerkmals optimale Beleuchtung einschalten. Dadurch werden Störeinflüsse minimiert, die die Auswertung durch einen automatischen Bildverarbeitungsalgorithmus erschweren. Das Verfahren ist vor allem für die Lasermaterialbearbeitung vorteilhaft einsetzbar, wobei alle Arten von Laserstrahlquellen, beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Diodenlaser oder Faserlaser, als Strahlquellen für den Bearbeitungsstrahl eingesetzt werden können. Durch gezieltes Ausschalten aller Beleuchtungsquellen wird eine Aufnahme erzeugt, die lediglich die vom Prozess emittierte Sekundärstrahlung enthält. Das Einschalten aller Beleuchtungsquellen gleichzeitig führt zu einer sehr intensiven Beleuchtung, die auch die Erfassung von Merkmalen, wie die Position der Fügekante oder der Nahtgeometrie, in Randgebieten außerhalb der Wirkstelle ermöglicht. Wird lediglich eine oder ein Teil der Beleuchtungsquellen eingeschaltet, so erscheinen die Randgebiete deutlich dunkler. Stellen des sehr glatten und gerichtet reflektierenden Schmelzbads, die einen optimalen Winkel zwischen Beleuchtungsrichtung und Beobachtungsrichtung aufweisen, erscheinen trotz der reduzierten Beleuchtungsintensität weiterhin als sehr helle Flächen in der Aufnahme. Durch diese Schaltung der Beleuchtungsintensität können Merkmale aus dem Bereich des Schmelzbads erfasst werden, ohne auf eine Analyse der Randbereiche verzichten zu müssen, bzw. Störungen der Randbereiche mit aufzunehmen. Die Schaltung einer einseitigen Beleuchtung lässt Rückschlüsse auf die Geometrie der reflektierenden Oberfläche zu. Durch Vergleich zweier Aufnahmen mit jeweils gegenüberliegender Beleuchtung werden Störungen in der Nahtkontur, wie beispielsweise Poren, sichtbar.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung kann der Steuerrhythmus durch die Ergebnisse des Bildverarbeitungsalgorithmus beeinflusst werden. Eine Ausführung sieht dabei eine vollständige Steuerung der Beleuchtungsszenen durch die Auswerteinheit vor. Die Auswerteinheit stellt sich die Beleuchtung ein, die für eine sichere Bestimmung eines aktuell bearbeiteten Merkmals am besten geeignet ist. Hat beispielsweise ein Auswertalgorithmus eine mögliche Pore entdeckt, so ist es möglich einen Standardrhythmus zu unterbrechen, um eine Folge von Bildern mit wechselnder Beleuchtungsrichtung aufzunehmen und damit die Beurteilung abzusichern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens wird die Schaltung der äußeren Beleuchtung mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl synchronisiert. Während der aktiven Pulse des Bearbeitungsstrahls werden Aufnahmen der Sekundärstrahlung ohne äußeres Licht erfasst. In den Strahlpausen wird die Beleuchtung eingeschaltet und weitere Bilder aufgenommen. Ein Bildverarbeitungsalgorithmus kann aus den unterschiedlichen Aufnahmen die Lage der Wirkstelle zur Fügekante, sowie die Qualität der vorhergegangenen Bearbeitung ermitteln und gegebenenfalls regeln.
In einer Ausführung der Erfindung ist ein Filter vorgesehen, dessen Transmissionsverhalten elektrisch steuerbar ist. Die Steuerung dieses Filters erfolgt erfindungsgemäß durch eine Steuereinheit. Durch die Veränderung der Filtereigenschaft ist die Ausprägung der unterschiedlichen Beleuchtungsszenen weiter verbesserbar. In einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung wird eine äußere Lichtquelle nicht geschaltet, sondern nur das Transmissionsverhalten des Filters gesteuert, um nacheinander folgende Aufnahmen von der Sekundärstrahlung des Prozesses und von der Fügezone im Fremdlicht zu erzeugen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens projiziert mindestens eine der zuschaltbaren Beleuchtungsquellen ein Muster, welches unter Berücksichtigung des Beleuchtungswinkels Informationen über die dreidimensionale Geometrie des beleuchteten Bereiches wiedergibt. Die daraus gewonnene Information über die Nahtgeometrie eines Nahtabschnitts lässt sich mit Merkmalen aus vorher bestimmten Bildern mit anderer Beleuchtungseinstellung desselben Nahtabschnitts kombinieren. Die Kombination erlaubt eine sichere Unterscheidung von fehlerhaften Nahtabschnitten.
Die Erzeugung von Projektionsmustern kann, statt durch eine starre Beleuchtungsoptik, auch durch einen schnell steuerbaren Spiegel erzeugt werden. Darüber hinaus ist eine Positionierung des beleuchteten Bereichs über einen steuerbaren Spiegel möglich. In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist eine der Lichtquellen als Punktlichtquelle ausgeführt. Diese Punktlichtquelle wird über einen Spiegel auf verschiedene Bereiche der Fügezone gelenkt.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens zur Prozesskontrolle mit wechselnder Beleuchtungseinstellung nutzt die Möglichkeit, lichtemittierende Halbleiter auch als Empfänger von Strahlung zu nutzen. Es ist somit möglich, einen Schaltzustand der Beleuchtungssteuerung so zu gestalten, dass eine oder mehrere Lichtquellen vorübergehend an eine Verstärkerschaltung statt an eine Stromquelle angeschlossen werden. So kann eine Beleuchtungsquelle auch zur Messung von Prozessgrößen, beispielsweise reflektierter Primärstrahlung, sekundärer Prozesslichtstrahlung oder Temperaturstrahlung genutzt werden. Diese Messung kann regelmäßig oder von bestimmten Algorithmen des Bildverarbeitungsprogramms eingeschaltet werden.
Durch die erfindungsgemäße Wahl verschiedener Beleuchtungseinstellungen ist es in einer Weiterbildung des Verfahrens möglich, den Einschaltzeitpunkt einer sehr starken Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserpulslichtquelle, festzulegen. In Verbindung mit einem Sensor, der Informationen über die Laufzeiten des Reflexionsmusters speichert, ist es möglich die Topographie der Wirkzone und deren Umgebung zu berechnen. Aus der Topographie am Wirkort eines Schweißlaserstrahls lässt sich zum Beispiel die Tiefe eines Keyholes bestimmen und daraus wiederum Rückschlüsse auf die momentane Einschweißtiefe treffen. Die Topographie einer Schweißraupe eignet sich für die Beurteilung der Anbindung zwischen zwei Werkstücken.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 eine Skizze einer Laserbearbeitungsvorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Zeitdiagramm der Schaltlichtsteuerung,
3 eine Aufnahme ohne Fremdbeleuchtung,
4 eine Aufnahme mit einer Beleuchtungsquelle,
5 eine Aufnahme mit zwei Beleuchtungsquellen und
6 eine Skizze eines weiteren Ausführungsbeispiels mit bewegter Projektionslinie und Spiegel.
Das vorliegende Verfahren wird anhand einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Laserbearbeitungsvorrichtung 1 erläutert.
Der Bearbeitungsstrahl 2 wird von einem Laser 1 in eine Schweißoptik 3 geführt und dort über einem dichroitischen Umlenkspiegel 4 und eine Fokussieroptik 5 auf das Werkstück 6 gelenkt. An der Schweißoptik befinden sich zwei Beleuchtungsquellen 7.1 und 7.2, die unter einem Winkel gegenüber der optischen Achse geneigt sind und die Bearbeitungszone und dessen Umfeld auf dem Werkstück überlappend beleuchten 8.1 und 8.2.
Oberhalb des Umlenkspiegels 4 befindet sich eine Kamera 9. Ein Filter 11, der zur Wellenlänge der Beleuchtungsquellen 7.1 und 7.2 abgestimmt ist, reduziert das vom Schweißprozess ausgehende Prozesslicht. Eine Optik 10 dient der Anpassung von Abbildungsmaßstab und Bildschärfe des Kamerabilds. Eine Auswerteinheit 12 empfängt von der Kamera 9 Bilder der Werkstückoberfläche und vom Prozesslicht. Eine Steuereinheit für Schaltlicht 13 steuert die Beleuchtungsquellen 7.1 und 7.2 in der Folge 7.1 – 7.2 – 7.1 und 7.2 – keine. Die Taktung der Steuereinheit erfolgt mit dem Taktsignal 14 der Bildaufnahme durch die Kamera 9. So ergibt sich eine regelmäßige Abfolge von verschiedenen Beleuchtungsszenen.
Der größte Vorteil regelmäßig wechselnder Beleuchtungsszenen liegt in der Nutzung optimaler Beleuchtungen ohne gegenseitige Überlagerungen für die automatische Vermessung verschiedener relevanter Prozessmerkmale, wie sie bei einer statischen Beleuchtungseinstellung sich nicht erzielen lässt.
Bei komplett ausgeschalteter Beleuchtung zum Zeitpunkt t = 22 gemäß 2, lässt sich das Prozesslicht sicher vermessen und damit, zum Beispiel, die eingebrachte Prozessleistung bestimmen. Außerdem ist es möglich, mit einem einfachen und sicheren Bildverarbeitungsalgorithmus den Ort und die Größe des mit 24 in 3 bezeichneten Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche zu vermessen.
Bei eingeschalteten Beleuchtungsquellen t = 21 gemäß 2 ist es möglich, eine Fügekante 26, wie in 5 gezeigt, der zu verschweißenden Werkstücke mittels Bildverarbeitungsalgorithmen sicher zu bestimmen. Aus einem schnellen Wechsel zwischen den Beleuchtungsszenen t = 21 und t = 22 lässt sich die Lage des Bearbeitungsstrahls zur Bearbeitungslinie kontrollieren und regeln.
Ein schneller Wechsel zwischen Beleuchtungsszenen mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen hebt Poren in der Schweißnaht durch einen unterschiedlichen Schattenwurf deutlich gegenüber oberflächlichen Schattierungen hervor. Ein Wechsel der Beleuchtungsrichtung wird erfindungsgemäß realisiert durch getrenntes Einschalten der Beleuchtungsquelle 7.1 und 7.2, wie im Zeitdiagramm 2 durch die Zeiten t = 19 und t = 20 dargestellt.
In einer weiteren, erfindungsgemäßen Ausführung, wirkt die Auswerteinheit 12 über eine Steuerleitung 15 auf die Steuereinheit 13. Dadurch ist es möglich, die Helligkeit jeder einzelnen Beleuchtungsszene durch Bildverarbeitungsalgorithmen direkt zu regeln. Außerdem kann durch Bildverarbeitungsalgorithmen in die Abfolge der Beleuchtungsszenen eingegriffen werden oder in einer Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Beleuchtungsszenen von der Bildverarbeitungseinheit selbständig ausgewählt werden. Das Ausgangssignal der Auswerteinheit 12 wird einem Regler 16 zugeführt, der über einen Motor 20 die Lage des Werkstücks und/oder die Intensität des Bearbeitungsstrahls auf vorgegebene Sollwerte nachführt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung kann die Auswerteinheit eine energiereiche Beleuchtungsquelle als Strahlquelle auf einen erkannten Defekt lenken, um diesen Defekt in situ zu reparieren.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens ist in 6 dargestellt. Hier ist eine Lichtquelle 7.3 so ausgebildet, dass sie eine Linie auf die Werkstückoberfläche projiziert. Der Projektionsstrahl 8.3 wird dabei über einen elektrisch positionierbaren Kippspiegel 18 gelenkt. Der Kippspiegel 18 kann selbstständig oder von der Auswerteinheit 12 gesteuert werden. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, eine Linie unter verschiedenen Winkeln auf einen Abschnitt der Fügung projizieren zu können. Somit lassen sich Reflexionen vermeiden und die Nahttopologie sicherer bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Quelle Bearbeitungsstrahl
2: Bearbeitungsstrahl
3: Schweißoptik
4: Dichroitischer Umlenkspiegel
5: Fokussieroptik
6: Werkstück
7.1: Beleuchtungsquelle 1
7.2: Beleuchtungsquelle 2
7.3: Beleuchtungsquelle 3
8.1: Beleuchtungsstrahl 1
8.2: Beleuchtungsstrahl 2
8.3: Beleuchtungsstrahl 3
9: Kamera/ortsauflösender Detektor
10: Kameraoptik
11: Interferenzfilter
12: Auswerteinheit mit Bildverarbeitung
13: Steuereinheit für Schaltlicht
14: Bildaufnahmetakt
15: Steuerleitung
16: Regler für Werkstückpositionierung und Strahlquelle
17: Motor
18: Kippspiegel
19: Zeitpunkt Beleuchtung 7.1
20: Zeitpunkt Beleuchtung 7.2
21: Zeitpunkt Beleuchtung 7.1 + 7.2
22: Zeitpunkt keine Beleuchtung
23: Zeitpunkt Wiederholung
24: Sekundäre Prozesslichtstrahlung
25: Schmelze
26: Erkaltete Naht
27: Randgebiet
28: Fügekante

Claims

Verfahren zur bildgestützten Kontrolle von Bearbeitungsprozessen mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (2) unter Einsatz wenigstens eines ortsauflösenden Detektors (9) und mindestens einer vom Bearbeitungsstrahl (2) unabhängigen Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) zur Beleuchtung einer Wirkzone des Bearbeitungsstrahls (2) auf einer Oberfläche eines Werkstücks (6) und deren Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Detektor (9) nacheinander Bilder unterschiedlicher Lichtverhältnisse aufnimmt, die gemeinsam zur Beurteilung von Prozessmerkmalen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Lichtverhältnisse durch selbsttätiges Schalten der mindestens einen Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2) in einem festen Rhythmus erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Lichtverhältnisse durch einen die mindestens eine Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) steuernden Bildverarbeitungsalgorithmus erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beleuchtungsquellen (7.1, 7.2) vorgesehen sind, die die Bearbeitungszone jeweils aus einer anderen Richtung beleuchten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Beleuchtungsquellen (7.1, 7.2, 7.3) ein Streifenlicht auf die Werkstückoberfäche projiziert, deren Verzerrungsanalyse Rückschlüsse auf die Topographie erlaubt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) eine regelmäßige Figur auf die Oberfläche des Werkstücks (6) projiziert, deren Verzerrungsanalyse Rückschlüsse auf die Topographie erlaubt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Lichtverhältnisse durch eine Bewegung eines Beleuchtungsstrahls (8.3) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahl (8.3) über einen Kippspiegel (18) an beliebige Stellen innerhalb der Wirkzone und an deren Umgebung bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine der Beleuchtungsquellen (7.1, 7.2, 7.3) die Oberfläche des Werkstücks (6) auch vor der Bearbeitungszone beleuchtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Bearbeitungsstrahl (2) verwendet wird und die unterschiedlichen Lichtverhältnisse nach Maßgabe von Strahlpulsen gesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) so geregelt wird, daß sie ein von der Wirkzone emittiertes Prozesslicht nicht überstrahlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Bearbeitungsstrahls (2) bezüglich einer Bearbeitungslinie erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Bearbeitungsstrahls (2) bezüglich der Bearbeitungslinie geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Beleuchtungsquellen (7.1, 7.2, 7.3) im ausgeschalteten Zustand als Messaufnehmer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer eine von der Wirkzone rückreflektierte Strahlung des Bearbeitungsstrahls (2) misst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeit zwischen dem Einschalten mindestens einer Beleuchtungsquelle (7.1, 7.2, 7.3) und der Aufnahme des von der Oberfläche des Werkstücks (6) reflektierten Lichts für einzelne Bildpunkte des ortsauflösenden Detektors (9) gemessen wird, woraus eine dreidimensionale Information der Oberfläche des Werkstücks (6) gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bearbeitungsstrahl (2) um einen Laserstrahl handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsprozess geregelt wird.
Verfahren zur Reparatur von Defekten am Werkstück (6) unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Bilder ein Defekt erkannt und mittels des Bearbeitungsstrahls (2) oder eines zusätzlichen Strahls repariert wird.