DE102011081668A1

DE102011081668A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Form des Endes einer Schweißnaht

Info

Publication number: DE102011081668A1
Application number: DE102011081668A
Authority: DE
Inventors: Hidenobu Ishida; Naoki Ozawa; Tsukasa HAGIHARA; Shuichi Usui
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2031-08-27
Also published as: US8946595B2; JP2012045610A; JP5672480B2; US20120048838A1; DE102011081668B4; CN102441737B; CN102441737A

Abstract

Eine Vorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung umfasst eine Laserstrahl-Abstrahleinheit 2, eine Überwachungseinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Bildextraktionseinheit 5, eine Nahterkennungseinheit 6 und eine Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform. Die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform ist so konfiguriert, dass die Position des Endes eines Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit 6 erkannten Nahtbereichs berechnet und bestimmt wird, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht (Schweißteil), die durch das Bestrahlen eines Schweißmaterials mit einem Schweißlaserstrahl gebildet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Algorithmus, mit dem beim Laser-Überlappschweißen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ein Bild eines Endes einer Schweißnaht erfasst und auf der Grundlage des erfassten Bildes innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums unmittelbar nach dem Schweißen und vor dem Verschwinden der Thermolumineszenz aus den Metallenden bestimmt wird, ob am Ende der Schweißnaht ein Lochfehler vorhanden ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bisher ist ein Verfahren zur Erkennung eines Schweißfehlers bei einem Schweißverfahren wie dem Laserstrahlschweißen durch den Erhalt eines Signals von einem Nahtbereich (Schweißbereich) mittels einer Kamera, einer Fotozelle und dergleichen und das Analysieren des erfassten Signals vorgeschlagen worden (z. B. JP 2007-326134 A (hiernach als Patentdokument 1 bezeichnet) und JP 2005-230913 A (hiernach als Patentdokument 2 bezeichnet)).
In Patentdokument 1 wird bei einem Schweißverfahren ein Signal von einem Schweißpunkt mittels eines Temperaturstrahlungssensors und eines Reflexionssensors erfasst, und dann wird bestimmt, oh ein fehlerfreies Schweißen möglich ist oder nicht, indem die Änderung des erfassten Signals im Zeitverlauf mit einer Tabelle von Bezugsdaten, die mit den Schweißbedingungen in Zusammenhang stehen, verglichen wird. Somit verhindert das in Patentdokument 1 offenbarte Verfahren Schweißrisse oder Schweißfehler nach dem Schweißen.
Darüber hinaus wird in Patentdokument 2 ein Schweißbereich mit einem Messstrahl bestrahlt, und ein unmittelbar nach dem Schweißen erhaltenes Temperatursignal wird mit einer oberen und einer unteren Temperaturgrenze verglichen, die experimentell bestimmt wurden. In Patentdokument 2 wird ein Schweißfehler dann bestimmt, indem gezählt wird, wie oft das Temperatursignal die obere und die untere Temperaturgrenze überschreitet.
11 zeigt ein Beispiel eines Falls, in dem beim Laserstrahlschweißen ein Signal vom Nahtbereich mittels einer Kamera, einer Fotozelle und dergleichen kontinuierlich erfasst wird.
Von dem Bestimmungsverfahren, bei dem wie in Patentdokument 1 das erfasste Signal verwendet wird, ist bekannt, das es ein Phänomen einschließt, bei dem sich das erfasste Signal am Ende der Naht außerordentlich stark ändert, wenn die Bestrahlung mit dem Schweißlaserstrahl und die Überwachung des Nahtbereichs am Ende des Nahtbereichs gestoppt werden, wie in 11 veranschaulicht ist. Deswegen besteht dahingehend ein Problem, das ein Schweißfehler am Ende des Nahtbereichs mit demselben Bestimmungsverfahren, dass während des Schweißverfahrens verwendet wurde, nicht bestimmt werden kann.
Darüber hinaus basiert die Bestimmung des Schweißfehlers mit dem in Patentdokument 2 offenbarten Verfahren darauf, wie oft das unmittelbar nach dem Schweißen erhaltene Temperatursignal die Grenzwerte übersteigt. Bei diesem Verfahren wird die Form selbst am Ende des Nahtbereichs überhaupt nicht beobachtet. Aus diesem Grund wird ein Schweißfehler am Ende des Nahtbereichs möglicherweise nicht genau bestimmt. Darüber hinaus wird bei dem in Patentdokument 2 offenbarten Verfahren auch eine Vorrichtung für das Abstrahlen eines Messlaserstrahls zusätzlich zum Schweißlaserstrahl benötigt, was ein Problem hinsichtlich einer Erhöhung der Kosten der Vorrichtung verursacht.
Die 12A und 12B zeigen Bilder des Endes des Nahtbereichs, die mit einer Kamera erfasst wurden. 12A zeigt das Bild mit einem Lochfehler am Ende des Nahtbereichs, während 12B das Bild eines Falls zeigt, in dem die Schweißung normal abgeschlossen ist. Wie in 12A veranschaulicht ist, wird beim Auftreten eines Lochfehlers am Ende des Nahtbereichs das Ende des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung der Naht konkav. Wenn die Schweißung andererseits, wie in 12B dargestellt, normal abgeschlossen wird, wird das Ende des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung der Naht konvex.
Unterdessen ist bisher ein Verfahren zur Untersuchung eines Lochfehlers am Ende des Nahtbereichs nach dem vollständigen Abschluss eines Schweißvorgangs vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird bei dem Verfahren, das als Untersuchungsverfahren vom Typ der Rückseitenbelichtung bezeichnet wird, in einem getrennten Schritt nach vollständigem Abschluss des Laser-Schweißvorgangs Licht zur Beleuchtung von der Rückseite auf eine Schweißfläche abgestrahlt, und das Vorhandensein eines Lochfehlers wird bestimmt, in dem das an der Vorderseite austretende Licht erfasst wird. Dieses Verfahren weist jedoch das Problem einer Verminderung der Produktivität auf, weil das Untersuchungsverfahren als zusätzlicher Schritt nach Abschluss des Schweißens hinzugefügt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Bestimmung der Form des Endes einer Schweißnaht, die es ermöglichen, ein Bild eines Schweißnahtbereichs während des Schweißvorgangs zu erfassen und einen Lochfehler am Ende der Naht mit hoher Genauigkeit innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums unmittelbar nach dem Schweißvorgang zu bestimmen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei einem Schweißmaterial eine bestimmte Menge an metallischer Thermolumineszenz beobachtet werden kann, wobei die niedrige Transmission der Schweißlaserstrahl-Abstrahlvorrichtung unmittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs überwunden wird. Als Ergebnis haben die Erfinder ein Verfahren zur Erfassung des Bildes mit einer Kamera und dergleichen und zur Verwendung der Bilder zur Bestimmung eines Lochfehlers gefunden. Beim herkömmlichen Verfahren, das in Patentdokument 1 offenbart ist, wird dieses Bild als unnötig betrachtet, weil es dasjenige ist, das nach dem Schweißvorgang erhalten wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, die zur Durchführung einer Untersuchung eines Lochfehlers innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach dem Schweißvorgang (im Wesentlichen während eines Schweißvorgangs) geeignet sind, wobei sie sich dem Bild unmittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs und der Durchführung der Bestimmung von charakteristischen Formen gewidmet haben, was zuvor nicht bekannt war.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung der Probleme der oben beschriebenen herkömmlichen Technik eine Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht zur Verfügung gestellt, die durch das Bestrahlen eines Schweißmaterials mit einem Schweißlaserstrahl gebildet wird, umfassend: eine Laserstrahl-Abstrahleinheit für das Abstrahlen des Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; eine Überwachungseinheit für das kontinuierliche Erfassen von Bildern eines Teils des mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Schweißmaterials; eine Speichereinheit für das Speichern der mit der Überwachungseinheit erfassten Bilder; eine Bildextraktionseinheit für das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; eine Nahterkennungseinheit für das Erkennen eines Schweißnahtbereichs in dem durch die Bildextraktionseinheit extrahierten Bild und eine Einheit zur Bestimmung der Nahtform für die Berechnung der Position eines Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit erkannten Nahtbereichs und zur Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus umfasst die Überwachungseinheit gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung: eine erste Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs; eine zweite Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs und eine Strahlenteilungsvorrichtung zum Aufspalten von Licht aus dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Bereich in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung der ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung der zweiten Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls kleiner als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist.
Darüber hinaus umfasst die Nahterkennungseinheit gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung: ein Bereichserkennungsmodul zur Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten innerhalb des Bildes, die jeweils eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist; und ein Bestimmungsmodul, mit dem bestimmt wird, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist.
Darüber hinaus umfasst die Einheit zur Bestimmung der Nahtform gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung: ein Modul zur Berechnung von repräsentativen Punkten zur Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von mittleren Positionen zur Berechnung einer Mittelposition des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von Zwischenpunkten zur Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von geraden Linien zur Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel zueinander auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und ein Modul zur Berechnung von Krümmungen für die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, das einen Krümmungsgrad auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position berechnet und dann anhand des Krümmungsgrads bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus ist gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung der Krümmungsgrad der Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position.
Darüber hinaus bestimmt gemäß einem anderen Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung, wenn die Bildextraktionseinheit eine Mehrzahl von Bildern extrahiert, das Modul zur Berechnung von Krümmungen, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, indem es den Mittelwert der Krümmungsgrade verwendet, die aus der Mehrzahl von Bildern erhalten wurden.
Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Form des Endes einer Schweißnaht, die durch das Bestrahlen eines Schweißmaterials mit einem Schweißlaserstrahl gebildet wird, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: das Abstrahlen eines Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; das Erfassen von Bildern eines mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teils auf dem Schweißmaterial im Zeitablauf; das Speichern der Bilder in einer Speichereinheit; das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; das Erkennen eines Schweißnahtbereichs in dem aus der Speichereinheit extrahierten Bild und die Berechnung der Position des Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des erkannten Nahtbereichs und die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Erstreckungsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus umfasst gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens in der vorliegenden Erfindung das Verfahren zur Erfassung der Bilder: das Aufspalten von Licht von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung einer ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung einer zweiten Überwachungsvorrichtung; das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs durch die erste Überwachungsvorrichtung und die Erfassung eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs durch die zweite Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls kleiner als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist.
Darüber hinaus umfasst gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens in der vorliegenden Erfindung das Verfahren zur Erkennung des Nahtbereichs: die Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten, die eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle innerhalb des Bildes ist; und die Bestimmung, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist.
Darüber hinaus umfasst gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens in der vorliegenden Erfindung das Verfahren, mit dem bestimmt wird, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist: die Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; die Berechnung einer mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, die Berechnung eines Krümmungsgrads auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position und dann anhand des Krümmungsgrads die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus ist gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens in der vorliegenden Erfindung der Krümmungsgrad der Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position.
Darüber hinaus wird gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens in der vorliegenden Erfindung, wenn eine Mehrzahl von Bildern aus der Speichereinheit extrahiert wird, durch Verwendung des Mittelwerts der Krümmungsgrade, die aus der Mehrzahl von Bildern im Schritt, in dem bestimmt wird, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist, bestimmt, oh die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Laserstrahl-Abstrahleinheit für das Abstrahlen des Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; eine Überwachungseinheit für das kontinuierliche Erfassen von Bildern eines Teils des mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Schweißmaterials; eine Speichereinheit für das Speichern der mit der Überwachungseinheit erfassten Bilder; eine Bildextraktionseinheit für das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; eine Nahterkennungseinheit für das Erkennen eines Schweißnahtbereichs in dem durch die Bildextraktionseinheit extrahierten Bild und eine Einheit zur Bestimmung der Nahtform für die Berechnung der Position eines Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit erkannten Nahtbereichs und zur Bestimmung, oh die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Mit dieser Konfiguration kann ein Lochfehler am Ende der Naht mit höherer Genauigkeit als bei der herkömmlichen Konfiguration bestimmt werden, bei der die zeitliche Änderung des während des Schweißvorgangs erhaltenen Signals verwendet wird, weil das unmittelbar nach dem Schweißen erhaltene Bild verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Form des Endes des Nahtbereichs selbst konvex oder konkav ist oder nicht. Darüber hinaus kann der Lochfehler am Ende der Naht innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach dem Schweißvorgang (im Wesentlichen innerhalb der Dauer des Schweißvorgangs) bestimmt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen Untersuchungsvorgang als zusätzlichen Vorgang nach Abschluss des Schweißens hinzuzufügen, wodurch die Produktivität verbessert wird. Weiterhin braucht die Vorrichtung bei dieser Konfiguration nur eine Laserstrahl-Abstrahleinheit für das Abstrahlen des Schweißlaserstrahls einzuschließen. Dadurch entfällt im Gegensatz zum herkömmlichen Fall die Notwendigkeit, eine Strahlungseinheit für einen Messlaserstrahl zusätzlich zu derjenigen für den Schweißlaserstrahl bereitzustellen. Somit können die Kosten für die Vorrichtung reduziert werden.
Darüber hinaus umfasst die Überwachungseinheit gemäß der Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung: eine erste Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs; eine zweite Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs und eine Strahlenteilungsvorrichtung zum Aufspalten von Licht aus dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Bereich in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung der ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung der zweiten Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls kleiner als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist. Demgemäß können sogar im Fall der Verwendung von Überwachungsvorrichtungen mit kleinem dynamischem Bereich sowohl die Bilder während des Schweißens als auch diejenigen unmittelbar nach dem Schweißen erfasst werden, indem zwei Überwachungsvorrichtungen während des Schweißens und unmittelbar nach dem Schweißen getrennt verwendet werden. Daher kann ein Lochfehler am Ende des Nahtbereichs sogar im Fall der Verwendung von Überwachungsvorrichtungen mit kleinem dynamischem Bereich mittels des Bildes unmittelbar nach dem Schweißen nachgewiesen werden.
Darüber hinaus umfasst die Nahterkennungseinheit gemäß der Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung: ein Bereichserkennungsmodul zur Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten innerhalb des Bildes, die jeweils eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist; und ein Bestimmungsmodul, mit dem bestimmt wird, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist. Demgemäß wird der Nahtbereich durch einen einfachen Vorgang wie den Erhalt des Aspektverhältnisses erkannt. Dies ermöglicht ein Hochgeschwindigkeits-Erkennungsverfahren, wobei die Verarbeitungslast der Vorrichtung reduziert wird.
Darüber hinaus umfasst gemäß der Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung die Einheit zur Bestimmung der Nahtform: ein Modul zur Berechnung von repräsentativen Punkten zur Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von mittleren Positionen zur Berechnung einer Mittelposition des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von Zwischenpunkten zur Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von geraden Linien zur Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel zueinander auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und ein Modul zur Berechnung von Krümmungen für die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, das einen Krümmungsgrad auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position berechnet und dann anband des Krümmungsgrads bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Demgemäß wird die Bestimmung der Form unter Verwendung des Vektors für das Ende des Nahtbereichs im Bild durchgeführt. Dadurch wird es möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus ist gemäß der Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung der Krümmungsgrad der Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position. Demgemäß kann der Krümmungsgrad mittels eines einfachen Verfahrens berechnet werden. Dies ermöglicht ein Hochgeschwindigkeits-Bestimmungsverfahren, wobei die Verarbeitungslast der Vorrichtung reduziert wird.
Darüber hinaus bestimmt gemäß der Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung, wenn die Bildextraktionseinheit eine Mehrzahl von Bildern extrahiert, das Modul zur Berechnung von Krümmungen, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, indem es den Mittelwert der Krümmungsgrade verwendet, die aus den mehreren Bildern erhalten wurden. Weil das Ergebnis für die Krümmungsgrade der mehreren Bilder wiedergegeben ist, ist es demgemäß möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist.
Das Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung umfasst: das Abstrahlen eines Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; das Erfassen von Bildern eines mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teils auf dem Schweißmaterial im Zeitablauf; das Speichern der Bilder in einer Speichereinheit; das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; das Erkennen eines Schweißnahtbereichs in dem aus der Speichereinheit extrahierten Bild und die Berechnung der Position des Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des erkannten Nahtbereichs und die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Mit diesem Verfahren kann ein Lochfehler am Ende der Naht mit höherer Genauigkeit als beim herkömmlichen Verfahren bestimmt werden, bei der die zeitliche Änderung des während des Schweißvorgangs erhaltenen Signals verwendet wird, weil das unmittelbar nach dem Schweißen erhaltene Bild verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Form selbst des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist oder nicht. Darüber hinaus kann das Vorhandensein eines Lochfehlers am Ende der Schweißnaht innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach dem Schweißvorgang (im Wesentlichen innerhalb der Dauer des Schweißvorgangs) bestimmt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen Untersuchungsvorgang als zusätzlichen Vorgang nach Abschluss des Schweißens hinzuzufügen, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Darüber hinaus umfasst das Verfahren zur Erfassung der Bilder gemäß dem Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung: das Aufspalten von Licht von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung einer ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung einer zweiten Überwachungsvorrichtung; das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs durch die erste Überwachungsvorrichtung und die Erfassung eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs durch die zweite Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls kleiner als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist. Demgemäß können sogar im Fall der Verwendung von Überwachungsvorrichtungen mit kleinem dynamischem Bereich sowohl die Bilder während des Schweißens als auch diejenigen unmittelbar nach dem Schweißen erfasst werden, indem zwei Überwachungsvorrichtungen während des Schweißens und unmittelbar nach dem Schweißen getrennt verwendet werden. Daher kann das Vorhandensein eines Lochfehlers am Ende des Nahtbereichs sogar im Fall der Verwendung von Überwachungsvorrichtungen mit kleinem dynamischem Bereich mittels des Bildes unmittelbar nach dem Schweißen bestimmt werden.
Darüber hinaus umfasst das Verfahren zur Erkennung des Nahtbereichs gemäß dem Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung: die Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten, die eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle innerhalb des Bildes ist; und die Bestimmung, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist. Demgemäß wird der Nahtbereich durch einen einfachen Vorgang wie den Erhalt des Aspektverhältnisses erkannt, wodurch eine Verarbeitung mit Hochgeschwindigkeits-Erkennung ermöglicht wird.
Darüber hinaus umfasst das Verfahren, mit dem bestimmt wird, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, gemäß dem Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung: die Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; die Berechnung einer mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, die Berechnung eines Krümmungsgrads auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position und dann anhand des Krümmungsgrads die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Demgemäß wird die Bestimmung der Form unter Verwendung des Vektors für das Ende des Nahtbereichs im Bild durchgeführt. Dadurch wird es möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist.
Darüber hinaus ist gemäß dem Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung der Krümmungsgrad der Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position. Demgemäß kann der Krümmungsgrad mittels eines einfachen Verfahrens berechnet werden, wodurch eine Verarbeitung mit Hochgeschwindigkeits-Bestimmung ermöglicht wird.
Darüber hinaus wird gemäß dem Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht in der vorliegenden Erfindung, wenn mehrere Bilder aus der Speichereinheit extrahiert werden, durch Verwendung des Mittelwerts der Krümmungsgrade, die aus den mehreren Bildern im Schritt, in dem bestimmt wird, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist, bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Weil das Ergebnis für die Krümmungsgrade der mehreren Bilder wiedergegeben ist, ist es demgemäß möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, in dem eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
2 ist ein Diagramm, in dem der Inhalt der Verarbeitung dargestellt wird, die von der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, d. h. ein Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes eines Schweißnahtbereichs.
3 ist ein Diagramm, in dem eine Konfiguration einer Überwachungseinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein mittels einer Bildextraktionseinheit ausgeführter Bildextraktionsvorgang dargestellt sind.
4 ist ein Diagramm, in dem die von einer Nahterkennungseinheit und einem Modul zur Berechnung von repräsentativen Punkten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführte Verarbeitung dargestellt sind.
5 zeigt ein experimentelles Beispiel, in dem ein Krümmungsgrad mittels der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnet wird.
6 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
7 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise der Nahterkennungseinheit in der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
8 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise einer Einheit zur Bestimmung der Nahtform in der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
9 ist ein Diagramm, in dem eine Konfiguration einer Überwachungseinheit gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein mittels einer Bildextraktionseinheit ausgeführter Bildextraktionsvorgang gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
10 ist ein Diagramm, in dem die Verarbeitung dargestellt ist, die von einer Einheit zur Bestimmung der Nahtform gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
11 ist ein Diagramm, in dem ein herkömmliches Verfahren zur Bestimmung eines Schweißfehlers in einem Schweißnahtbereich dargestellt ist, d. h. ein Beispiel, bei dem Signale mittels einer Kamera, einer Fotozelle oder dergleichen vom Nahtbereich kontinuierlich erfasst werden, während ein Laserstrahlschweißvorgang durchgeführt wird.
Die 12A und 12B zeigen Bilder des Endes des Nahtbereichs, die mit einer Kamera erfasst wurden, wobei 12A das Bild mit einem Lochfehler zeigt und 12B das Bild mit normalem Abschluss des Schweißvorgangs zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist nachfolgend eine Beschreibung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Bestimmung der Form eines Endes eines Schweißnahtteils (hiernach als ”Naht” bezeichnet) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgeführt.
1 ist ein Blockschaltbild, in dem eine Konfiguration einer Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, und 2 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zur Bestimmung der Form des Endes eines Schweißnahtbereichs dargestellt ist. 3 ist ein Diagramm, in dem eine Konfiguration einer Überwachungseinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein mittels einer Bildextraktionseinheit ausgeführter Bildextraktionsvorgang dargestellt sind.
Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Form des Endes der Naht nach dieser Ausführungsform eine Vorrichtung, die für das Überlappschweißen von Schweißgütern 10 verwendet wird. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Laserstrahl-Abstrahleinheit 2, eine Überwachungseinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Bildextraktionseinheit 5, eine Nahterkennungseinheit 6, eine Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform und eine Alarmausgangseinheit 8. Die jeweiligen Einheiten werden nachfolgend ausführlich beschrieben.
Die Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 strahlt einen Schweißlaserstrahl ab und verfügt über einen (nicht dargestellten) Kopf für das Abstrahlen eines Laserstrahls, der durch eine optische Faser oder dergleichen auf die überlappten Schweißgüter 10 geleitet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform die Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 so konfiguriert ist, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 1064 nm erzeugt wird.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Überwachungseinheit 3 nahe an der Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 bereitgestellt und so konfiguriert, dass sie Bilder eines mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teile kontinuierlich erfasst. Die Überwachungseinheit 3 besteht aus einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildwechselfrequenz von beispielsweise etwa 500 Hz. Darüber hinaus besteht in dieser Ausführungsform, wie in 3A dargestellt ist, die Überwachungseinheit 3 aus einer Kamera mit hohem dynamischen Bereich. Diese Kamera mit hohem dynamischen Bereich hat einen weiten dynamischen Bereich für die Signalerfassung (d. h. einen weiten Bereich an messbarer Leuchtdichte) und kann daher Bilder sowohl während des Schweißens als auch unmittelbar nach dem Schweißen aufnehmen.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Speichereinheit 4 mit der Überwachungseinheit 3 verbunden und so konfiguriert, dass die von der Überwachungseinheit 3 erfassten Bilder im Zeitablauf gespeichert werden.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Bildextraktionseinheit 5 mit der Speichereinheit 4 verbunden und so konfiguriert, dass das Bild unmittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs von den in der Speichereinheit 4 gespeicherten Bildern extrahiert wird.
Weil die Transmission des Kopfes der Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 für eine Laserstrahl-Wellenlänge von etwa 1060 nm optimiert ist, ist die Transmission im allgemein sichtbaren bis zum nahen Infrarotlicht nicht hoch. Aus diesem Grund kann das Phänomen, bei dem das Schweißmaterial 10 aufgrund seiner Hitze unmittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs schwaches Licht abstrahlt, nur in einem kurzen Zeitraum etwa im zweistelligen Millisekunden-Bereich beobachtet werden. Danach erhöht sich die Abschwächung der Lichtemission aus dem Schweißmaterial 10, wodurch die Beobachtung des Lichts erschwert wird. Als Ergebnis des Experiments beträgt die Zeit, in der eine Lichtemission beobachtet werden kann, typischerweise 20 ms. Daher kann in dieser Ausführungsform eine Bildextraktionseinheit 5 etwa 10 Bilder (20 ms ÷ 2 ms) extrahieren, weil die Überwachungseinheit 3 eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildwechselfrequenz von etwa 500 Hz umfasst.
Darüber hinaus bestimmt die Bildextraktionseinheit 5, ob der Schweißvorgang abgeschlossen ist oder nicht, indem sie die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes verwendet, sodass die Einheit 5 bestimmen kann, ob das Bild dasjenige während des Schweißvorgangs oder dasjenige unmittelbar nach dem Schweißvorgang ist. Das Experiment zeigt, dass die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes während des Schweißvorgangs um drei bis vier Zehnerpotenzen höher als unmittelbar nach dem Schweißvorgang ist. Daher muss eine vorbestimmte erste Schwelle (Bildextraktionsschwelle) zwischen den mittleren Leuchtdichtewerten während und unmittelbar nach dem Schweißvorgang eingestellt werden. Wie in Schritt A in 2 und 3B dargestellt ist, ist die Bildextraktionseinheit 5 so konfiguriert, dass ein Bild aus der Speichereinheit 4 extrahiert wird, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich der oder kleiner als die vorbestimmte erste Schwelle (Bildextraktionsschwelle) ist. Es sei darauf hingewiesen, dass, weil die mittlere Leuchtdichte während des Schweißvorgangs und unmittelbar danach signifikant unterschiedlich ist, die erste Schwelle für das Extrahieren des Bildes unmittelbar nach dem Schweißvorgang leicht eingestellt werden kann.
Nach Ablauf der Zeit, in der die Emission von Licht beobachtbar ist, wird das von der Überwachungseinheit 3 erfasste Bild dunkel und kann nicht mehr für die Bestimmung des Endes der Naht verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird auch eine zweite Schwelle eingestellt, die niedriger als die erste Schwelle ist, und die Bildextraktionseinheit 5 bestimmt, dass das Leuchtphänomen beendet ist, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich der oder kleiner als die zweite Schwelle ist, wie in 3B dargestellt ist, und beendet dann den Bildextraktionsvorgang.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Nahterkennungseinheit 6 mit der Bildextraktionseinheit 5 verbunden und verarbeitet das von der Bildextraktionseinheit 5 extrahierte Bild. Die Nahterkennungseinheit 6 schließt ein Bereichserkennungsmodul 6a und ein Bestimmungsmodul 6b ein. Das Bereichserkennungsmodul 6a ist so konfiguriert, dass Bereiche mit einer Leuchtdichte, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle innerhalb eines Bildes ist, als Nahtbereichskandidaten bestimmt werden. Darüber hinaus ist das Bestimmungsmodul 6b so konfiguriert, dass es bestimmt, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines jeden Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist. Als Nächstes wird die von jedem Modul in der Nahterkennungseinheit 6 ausgefürte Verarbeitung ausführlich beschrieben.
Die 4A und 4B sind Diagramme, in denen die Bildverarbeitung durch die Nahterkennungseinheit 6 dargestellt ist.
Wie in 4A dargestellt ist, bestimmt das Bereichserkennungsmodul 6a in der Nahterkennungsseinheit 6 als Nahtbereichskandidaten Bereiche innerhalb des Bildes, die jeweils kontinuierlich eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist. Hier sind ein Nahtbereich C₁ und ein Bereich C₂ mit zerstreuten, aufgespritzten Partikeln die Nahtbereichskandidaten.
Als Nächstes zieht das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6, wie in 4B dargestellt ist, gerade Linien in regelmäßigen Abständen in der vertikalen und der horizontalen Richtung des Bildes und berechnet dann die Mittelpunkte Q_i der Linien, welche die Nahtbereichskandidaten C₁ und C₂ kreuzen. Danach berechnet das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6, wie in Schritt B in 2 dargestellt ist, ein Aspektverhältnis (Horizontal-Vertikal-Verhältnis) l₁/l₂ eines jeden der Nahtbereichskandidaten C₁ und C₂ und bestimmt auf der Grundlage des Aspektverhältnisses l₁/l₂, ob die Nahtbereichskandidaten C₁ und C₂ die Nahtbereiche sind oder nicht. Weil der Nahtbereich C₁ insbesondere breiter (horizontal länger) als der Bereich C₂ der aufgespritzten Partikel ist, ist das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6 so konfiguriert, dass es bestimmt, dass die Bereiche Nahtbereiche sind, wenn das Aspektverhältnis l₁/l₂ gleich dem oder höher als der vorbestimmte Wert ist.
Wenn jedoch mit einer Kamera der Überwachungseinheit 3 ein Bild der aufgespritzten Partikel, die mit hoher Geschwindigkeit verspritzt werden, aufgenommen wird, erscheint der Bereich C₂ der aufgespritzten Partikel aufgrund der begrenzten Belichtungszeit der Kamera manchmal als horizontal lang. In diesem Fall ist das Aspektverhältnis l₁/l₂ auch für den Bereich C₂ der aufgespritzten Partikel erhöht, wodurch die Bestimmung des Bereichs als Nahtbereich auf der Grundlage des Aspektverhältnisses l₁/l₂ erschwert wird.
Um diesem Problem zu begegnen, bestimmt in dieser Ausführungsform das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6, ob der Bereich der Nahtbereich ist, indem es weiterhin bestimmt, ob jeder der Nahtbereichskandidaten C₁ und C₂ sich zwischen den Bildern des Zeitfensters vor und nach dem Schweißvorgang bewegt oder nicht. Insbesondere nutzt die Bestimmung die Tatsache, dass ummittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs der Nahtbereich C₁ an derselben Stelle im Bild bleibt, während der Bereich C₂ der aufgespritzten Partikel gestreut wird und sich bewegt. Wenn es mehr als einen Nahtbereichskandidaten gibt, bestimmt das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6 den Bereich, der in den Zeitfenstern vor dem Schweißvorgang und nach dem Schweißvorgang unverändert bleibt, sogar dann als Nahtbereich, wenn das Aspektverhältnis l₁/l₂ für die Schwelle eingestellt ist.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform mit der Nahterkennungseinheit 6 verbunden und verarbeitet das Bild, nachdem der Nahtbereich von der Nahterkennungseinheit 6 erkannt wurde. Die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform berechnet die Position des Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit 6 erkannten Nahtbereichs und bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Erstreckungsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Insbesondere umfasst, wie in 1 dargestellt ist, die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform ein Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten, ein Modul 7b zur Berechnung von mittleren Positionen, ein Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten, ein Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien und ein Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen. Als Nächstes wird jedes Modul in der Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform ausführlich beschrieben.
4C ist ein Diagramm, in dem die Bildverarbeitung durch das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten dargestellt ist. Wie in Schritt C in 2 und 4C dargestellt ist, berechnet das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten einen repräsentativen Punkt Q_s des Nahtbereichs unter Verwendung des Satzes von Mittelpunkten Q_i, der von der Nahterkennungseinheit 6 berechnet wird. Insbesondere berechnet das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten als repräsentativen Punkt Q_s eine mittlere Position des Satzes von Mittelpunkten Q_i (einen Mittelwert von Ordinaten der Mittelpunkte Q_i und einen Mittelwert der Abszissen der Mittelpunkte Q_i).
Weiterhin passt das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten den Satz von Mittelpunkten Q_i des Nahtbereichs an die quadratische Funktion Yc = aX₂ + bX + c an. Das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten führt ein mathematisches Verfahren (Methode der kleinsten Quadrate) durch, wodurch die Koeffizienten a, b und c so bestimmt werden, dass die Summe der Quadrate des Abstands zwischen der Quadratfunktion und den Mittelpunkten Q_i des Nahtbereichs minimiert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anpassungsfunktion in Wirklichkeit nicht die quadratische Funktion Yc = aX² + bX + c, sondern die quadratische Funktion Xc = aY² + bY + c sein kann. In diesem Fall erfolgt die Anpassungsverarbeitung für beide Funktionen, und dann wird diejenige mit dem kleineren Anpassungsfehler ausgewählt.
Wie in Schritt D in 2 dargestellt ist, berechnet das Modul 7b zur Berechnung von mittleren Positionen eine mittlere Position T in Richtung der Breite des Endes des Nahtbereichs, indem ein Schnittpunkt erhalten wird, in dem die quadratische Funktion Yc, die mit dem Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten erhalten wird, den Rand des Nahtbereichs schneidet. Das Modul 7b zur Berechnung von mittleren Positionen wertet die Leuchtdichte für jeden Pixel des Bildes entlang der quadratischen Funktion Yc aus, wobei der repräsentative Punkt Q_s als Ausgangspunkt verwendet wird, und wenn ein Bereich erreicht wird, in dem die Leuchtdichte niedriger als die Erkennungsschwelle für den Bereich ist, bestimmt es die Position des Bildpixels als mittlere Position T des Endes des Nahtbereichs. Bei der Durchführung eines solchen Vorgangs werden Pixel, deren Leuchtdichte niedriger als die Erkennungsschwelle für den Bereich ist, sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung erkannt. In einer Richtung, die nicht zum Ende hin verläuft, erhöht sich der Mittelwert der Leuchtdichte (Mittelwert der Leuchtdichte ab dem repräsentativen Punkt Q_s bis zum Rand) im Vergleich zum Ende durch die Emission von Licht im Nahtbereich. Daher wird eine Richtung, in der die mittlere Leuchtdichte klein ist, als Ende des Nahtbereichs bestimmt.
Wie in Schritt E in 2 dargestellt ist, ist in dieser Konfiguration das Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten so konfiguriert, dass es einen Zwischenpunkt W zwischen dem repräsentativen Punkt Q_s des Nahtbereichs und der mittleren Position T des Endes des Nahtbereichs berechnet. Weil der Nahtbereich manchmal in einer gekrümmten Form ausgebildet ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass ein gekrümmter Teil des Nahtbereichs die Bestimmung des Endes beeinflusst, wenn der Zwischenpunkt W verwendet wird, der dem Ende näher ist als der Bezugspunkt für die Bestimmung des Endes. Der Zwischenpunkt W kann wie unten aufgeführt erhalten werden, indem eine mittlere Position W von zwei Positionsvektoren T und Q_s berechnet wird. W = 1 / 2{T + Q _s)
Weiterhin ist, wie in Schritt E in 23 dargestellt ist, das Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien so konfiguriert, dass zwei gerade Linien L₁ und L₂ auf der Grundlage des mit dem Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten berechneten Zwischenpunkts W berechnet werden. Die beiden geraden Linien L₁ und L₂ sind diejenigen, die erhalten werden, indem eine Linie TW um einen bestimmten Abstand in vertikaler Richtung verschoben wird, wobei die Linie TW die mittlere Position T und den Zwischenpunkt W verbindet. Die beiden geraden Linien L₁ und L₂ erstrecken sich parallel auf beiden Seiten der Linie TW. Der Verschiebungsabstand ist so eingestellt, dass die beiden geraden Linien L₁ und L₂ den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden. Es sei darauf hingewiesen, dass, weil die Breite des Nahtbereichs sich nicht signifikant ändert, sofern nicht eine Änderung der Schweißbedingungen eintritt, der Verschiebungsabstand zuvor auf eine Konstante eingestellt werden kann.
Wie in Schritt E in 2 dargestellt ist, bestimmt das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen die Leuchtdichte für jeden Pixel des Bildes entlang der geraden Linien L₁ und L₂ in Richtung der mittleren Position T, und wenn ein Bereich erreicht wird, in dem die Leuchtdichte kleiner als die Erkennungsschwelle für den Bereich ist, bestimmt sie die Positionen der Bildpixel als Randpunkte U bzw. V.
Danach berechnet das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen, wie in Schritt F in 2 dargestellt ist, einen Abstand d zwischen der die Randpunkte U und V miteinander verbindenden Linie U-V und der mittleren Position T als Krümmungsgrad. Hier nimmt der Krümmungsgrad d einen negativen Wert an, wenn die mittlere Position T sich auf der Seite des Zwischenpunkts W in Bezug auf die Linie U-V befindet, und er nimmt einen positiven Wert an, wenn die mittlere Position T sich auf der Seite befindet, die dem Zwischenpunkt W in Bezug auf die Linie U-V gegenüber liegt.
Schließlich bestimmt, wie in Schritt G in 2 dargestellt ist, das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen unter Verwendung des Krümmungsgrads d, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Im Experiment wird die Schwelle des Krümmungsgrads d auf 0 eingestellt, weil es einen Fall gibt, in dem ein Loch sogar dann gebildet wird, wenn das Ende eine flache Form hat, von der nur schwierig bestimmt werden kann, ob sie konvex oder konkav ist. Somit legt das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen fest, dass die Form des Endes konkav ist, wenn der Krümmungsgrad d 0 oder kleiner ist.
5 zeigt ein experimentelles Beispiel, in dem ein Krümmungsgrad d mittels der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform berechnet wird. Wie in 5A dargestellt ist, wird der Krümmungsgrad als –0,9 berechnet, wenn die Form des Endes des Nahtbereichs konkav ist. Andererseits wird, wie in 5B dargestellt ist, der Krümmungsgrad als 1,5 berechnet, wenn die Form des Endes des Nahtbereichs konvex ist.
Darüber hinaus extrahiert die Bildextraktionseinheit 5 manchmal möglicherweise mehr als ein Bild. Wie in Schritt G in 2 dargestellt ist, berechnet das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen, wenn die Bildextraktionseinheit 5 mehr als ein Bild extrahiert, den Krümmungsgrad aus jedem der Bilder. Danach bestimmt das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen unter Verwendung des Mittelwerts der Krümmungsgrade, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen ist mit einer Alarmausgangseinheit 8 verbunden (siehe 1) und gibt schließlich ein Signal an die Alarmausgangseinheit 8 ab, wenn die Form des Endes des Nahtbereichs konkav ist. Die Alarmausgangseinheit 8 löst dann einen Alarm aus, um einer Bedienungsperson einen Schweißfehler zu melden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung die Funktionsweise der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. 6 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform dargestellt ist.
Zuerst erfasst die Überwachungseinheit 3 in Schritt S1 kontinuierlich Bilder eines mit einem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teils. Es sei darauf hingewiesen, dass die von der Überwachungseinheit 3 erfassten Bilder in der Speichereinheit 4 gespeichert werden.
Als Nächstes bestimmt die Bildextraktionseinheit 5 in Schritt S2, ob jedes der Bilder während des Schweißvorgangs oder unmittelbar nach dem Schweißvorgang erfasst wurde.
Wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine erste Schwelle (NEIN in Schritt S2) ist, extrahiert die Bildextraktionseinheit 5 das Bild aus der Speichereinheit 4 in Schritt S3 Andererseits fährt die Überwachungseinheit 3 mit der Erfassung von Bildern fort, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes höher als die erste Schwelle ist (JA in Schritt S2).
Danach bestimmt die Bildextraktionseinheit 5 in Schritt 54, ob das Leuchtphänomen des Schweißmaterials 10 beendet ist oder nicht.
Wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine zweite Schwelle (NEIN in Schritt S4) ist, legt die Bildextraktionseinheit 5 fest, dass das Leuchtphänomen beendet ist, und fährt dann mit Schritt S5 fort. Andererseits fährt die Bildextraktionseinheit 5 mit der Extraktion von Bildern fort, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes höher als die zweite Schwelle ist (JA in Schritt S4).
Weiterhin erkennt in Schritt S5 die Nahterkennungseinheit 6 die Nahtform in dem von der Bildextraktionseinheit 5 extrahierten Bild. Insbesondere erkennt die Nahterkennungseinheit 6, ob der Bereich mit einer vorbestimmten Leuchtdichte im Bild der Nahtbereich oder ein vom Nahtbereich verschiedener Bereich ist.
Als Nächstes berechnet die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform in Schritt S6 die Position des Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit 6 erkannten Nahtbereichs und bestimmt dann, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Danach stellt die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform in Schritt S7 fest, dass kein Fehler vorliegt, wenn die Form des Endes des Nahtbereichs konvex ist (NEIN in Schritt S7). Wenn die Form des Endes des Nahtbereichs andererseits konkav ist (JA in Schritt S7), fährt die Verarbeitung mit Schritt S8 fort, in dem die Alarmausgangseinheit 8 einen Alarm auslöst, um einer Bedienungsperson einen Schweißfehler zu melden.
Durch die Ausführung der obigen Schritte kann die Form des Endes der Naht dahingehend bestimmt werden, dass ein Schweißfehler bestimmt wird.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Erkennung der Nahtform (Schritt S5) unter Bezugnahme auf die Zeichnung in 6 ausführlich beschrieben. 7 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise der Nahterkennungseinheit 6 gemäß dieser Ausführungsform dargestellt ist.
In Schritt S51 bestimmt zunächst das Bereichserkennungsmodul 6a in der Nahterkennungseinheit 6 als Nahtbereichskandidaten Bereiche innerhalb des Bildes, die jeweils kontinuierlich eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist. Danach berechnet das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6 ein Aspektverhältnis (Horizontal-Vertikal-Verhältnis) eines jeden der Nahtbereichskandidaten.
Als nächstes, in Schritt S52, führt die Verarbeitung mit Schritt S54 fort, wenn das Aspektverhältnis größer als die vorbestimmte Schwelle ist (JA in Schritt S52). Wenn das Aspektverhältnis andererseits gleich der oder kleiner als die vorbestimmte Schwelle ist (NEIN in Schritt S52), bestimmt das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6 in Schritt S53 den Zielbereich als eine vom Nahtbereich verschiedenen Bereich (z. B. einen ”Sputter”-Bereich).
Danach, wenn es in Schritt S54 zwei oder mehr Nahtbereiche gibt (JA in Schritt S54), führt die Verarbeitung mit Schritt S56 fort. Wenn es andererseits nur einen Nahtbereichskandidaten gibt (NEIN in Schritt S54), legt das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6 in Schritt S55 den Nahtbereichskandidaten als Nahtbereich fest.
In Schritt S56 bestimmt das Bestimmungsmodul 6b in der Nahterkennungseinheit 6, dass derjenige Bereich unter den mehreren Nahtbereichskandidaten, der in den Zeitfenstern vor und nach dem Schweißvorgang unverändert bleibt, der Nahtbereich ist.
Durch die Durchführung der obigen Schritte kann die Nahtform im Bild erkannt werden.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Analyse der Form des Nahtendes (Schritt S6) unter Bezugnahme auf die Zeichnung in 6 ausführlich beschrieben. 8 ist ein Ablaufdiagramm, in dem die Funktionsweise einer Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform gemäß dieser Ausführungsform dargestellt ist.
Zuerst, in Schritt S61, berechnet das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten einen repräsentativen Punkt Q_s des Nahtbereichs unter Verwendung des Satzes von Mittelpunkten Q_i im Nahtbereich.
Als Nächstes, in Schritt S62, passt das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten den Satz von Mittelpunkten Q_i des Nahtbereichs an die quadratische Funktion Yc = aX² + bX + c an. In diesem Fall führt das Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten ein mathematisches Verfahren (Methode der kleinsten Quadrate) durch, wodurch die Koeffizienten a, b und c so bestimmt werden, dass die Summe der Quadrate des Abstands zwischen der Quadratfunktion und den Mittelpunkten Q_i des Nahtbereichs minimiert wird.
Danach, in Schritt S63, berechnet das Modul 7b zur Berechnung von mittleren Positionen eine mittlere Position T des Endes des Nahtbereichs, indem ein Schnittpunkt erhalten wird, in dem die quadratische Funktion Yc, die mit dem Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten erhalten wird, den Rand des Nahtbereichs schneidet.
Dann, in Schritt S64, berechnet das Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten einen Zwischenpunkt W zwischen dem repräsentativen Punkt Q_s des Nahtbereichs und der mittleren Position T des Endes des Nahtbereichs.
Als Nächstes, in Schritt S65, berechnet das Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien zwei gerade Linien L₁ und L₂ auf der Grundlage des mit dem Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten berechneten Zwischenpunkts W. Die beiden geraden Linien L₁ und L₂ sind diejenigen, die erhalten werden, indem eine Linie TW um einen bestimmten Abstand in vertikaler Richtung versehoben wird, wobei die Linie TW die mittlere Position T und den Zwischenpunkt W verbindet. Die beiden geraden Linien L₁ und L₂ erstrecken sich parallel auf beiden Seiten der Linie TW.
Danach, in Schritt S66, berechnet das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen die Randpunkte U und V zwischen den beiden geraden Linien L₁ und L₂ und berechnet dann den Abstand d zwischen der die Randpunkte U und V miteinander verbindenden Linie U-V und der mittleren Position T als Krümmungsgrad.
Anschließend, in Schritt S67, berechnet das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen, wenn mehr als ein Bild extrahiert wird, den Krümmungsgrad d aus jedem der Bilder und berechnet dann den Mittelwert der Krümmungsgrade.
Dann, in Schritt S68, wenn der Mittelwert der Krümmungsgrade größer als 0 ist (NEIN in Schritt S68), fährt die Verarbeitung mit Schritt S69 fort, in dem das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen feststellt, dass kein Fehler vorliegt. Wenn der Mittelwert der Krümmungsgrade andererseits 0 oder kleiner ist (JA in Schritt S68), fährt die Verarbeitung mit Schritt S70 fort, in dem das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen feststellt, dass ein Fehler vorliegt.
Durch die Ausführung der obigen Schritte kann die Form des Endes des Nahtbereichs analysiert werden.
Die Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst: eine Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 für das Abstrahlen eines Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial 10; eine Überwachungseinheit 3 für das kontinuierliche Erfassen von Bildern eines Teils des mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Schweißmaterials 10; eine Speichereinheit 4 für das Speichern der von der Überwachungseinheit 3 erfassten Bilder; eine Bildextraktionseinheit 5 für das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit 4, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; eine Nahterkennungseinheit 6 für das Erkennen eines Schweißnahtbereichs in dem durch die Bildextraktionseinheit 5 extrahierten Bild und eine Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform für die Berechnung der Position eines Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit 6 erkannten Nahtbereichs und zur Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
In dieser Ausführungsform ist, wenn die Überwachungseinheit 3, die aus einer Hochgeschwindigkeitskamera mit etwa mehreren 100 Hz besteht, ein Bild unmittelbar nach dem Schweißvorgang erfasst, das Ende des Nahtbereichs des Bildes ein konkaver Leuchtbereich, wenn ein Lochfehler vorhanden ist, und ein konvexer Leuchtbereich, wenn kein Lochfehler vorhanden ist (wenn eine Einfallstelle vorhanden ist oder wenn der Bereich flach und ohne Schwindungs-Einfallstelle ist). Weil die Vorrichtung 1 damit das Vorhandensein oder Fehlen eines Lochfehlers bestimmt, kann ein Lochfehler am Ende der Naht mit höherer Genauigkeit als bei einer herkömmlichen Konfiguration unter Verwendung der zeitlichen Änderung des während des Schweißvorgangs erhaltenen Signals erhalten werden. Darüber hinaus kann das Vorhandensein eines Lochfehlers am Ende der Naht innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach dem Schweißvorgang (im Wesentlichen innerhalb der Dauer des Schweißvorgangs) bestimmt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen Untersuchungsvorgang als zusätzlichen Vorgang nach Abschluss des Schweißens hinzuzufügen, wodurch die Produktivität verbessert wird. Weiterhin braucht die Vorrichtung 1 bei dieser Konfiguration nur eine Laserstrahl-Abstrahleinheit 2 für das Abstrahlen des Schweißlaserstrahls einzuschließen. Dadurch entfällt im Gegensatz zum herkömmlichen Fall die Notwendigkeit, eine Strahlungseinheit für einen Messlaserstrahl zusätzlich zu derjenigen für den Schweißlaserstrahl bereitzustellen. Somit können die Kosten für die Vorrichtung 1 reduziert werden.
Darüber hinaus umfasst in der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Nahterkennungseinheit 6: ein Bereichserkennungsmodul 6a zur Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten innerhalb des Bildes, die jeweils eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist; und ein Bestimmungsmodul ob, mit dem bestimmt wird, oh jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist. Demgemäß wird der Nahtbereich durch einen einfachen Vorgang wie den Erhalt des Aspektverhältnisses erkannt. Dies ermöglicht eine Hochgeschwindigkeits-Erkennungsverarbeitung, wobei die Verarbeitungslast der Vorrichtung 1 reduziert wird.
Darüber hinaus umfasst in der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform: ein Modul 7a zur Berechnung von repräsentativen Punkten zur Berechnung eines repräsentativen Punkts Q_s des Nahtbereichs; ein Modul 7b zur Berechnung von mittleren Positionen zur Berechnung einer Mittelposition T des Endes des Nahtbereichs; ein Modul 7c zur Berechnung von Zwischenpunkten zur Berechnung eines Zwischenpunkts W zwischen dem repräsentativen Punkt Q_s des Nahtbereichs und der mittleren Position T des Endes des Nahtbereichs; ein Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien zur Berechnung von zwei geraden Linien L₁ und L₂, die sich parallel zueinander auf beiden Seiten der Linie TW, die die mittlere Position T und den Zwischenpunkt W verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und ein Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen für die Berechnung von Schnittpunkten U und V zwischen den beiden geraden Linien L₁ und L₂ und dem Rand des Endes, das einen Krümmungsgrad d auf der Grundlage der Schnittpunkte U und V und der mittleren Position T berechnet und dann anhand des Krümmungsgrads d bestimmt, oh die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist. Demgemäß wird die Bestimmung der Form unter Verwendung des Vektors für das Ende des Nahtbereichs im Bild durchgeführt. Dadurch wird es möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, oh die Form des Endes konvex oder konkav ist. Darüber hinaus kann eine quantitative Auswertung vorgenommen werden, indem die konvexe oder konkave Form des Endes mit dem Krümmungsgrad d untersucht wird, wodurch die Erfassung eines Lochfehlers am Ende der Naht erleichtert wird.
Darüber hinaus ist in der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform der Krümmungsgrad d der Abstand zwischen der die Schnittpunkte U und V miteinander verbindenden Linie UV und der mittleren Position T. Demgemäß kann der Krümmungsgrad mittels eines einfachen Verfahrens berechnet werden, wodurch eine Verarbeitung mit Hochgeschwindigkeits-Bestimmung ermöglicht wird, wobei die Verarbeitungslast der Vorrichtung 1 reduziert wird.
Darüber hinaus ist das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen, wenn die Bildextraktionseinheit 5 mehrere Bilder extrahiert, so konfiguriert, dass es bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, indem es den Mittelwert der aus den mehreren Bildern erhaltenen Krümmungsgrade verwendet. Weil das Ergebnis für die Krümmungsgrade der mehreren Bilder wiedergegeben ist, ist es dadurch möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird unten eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Bestimmung der Form des Endes der Naht beschrieben. 9 ist ein Diagramm, in dem eine Konfiguration einer Überwachungseinheit 3 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein mittels einer Bildextraktionseinheit 5 ausgeführter Bildextraktionsvorgang dargestellt sind.
In der oben beschriebenen Ausführungsform besteht die Überwachungseinheit 3 aus einer in 3 dargestellten Kamera mit hohem dynamischen Bereich, die Bilder sowohl während des Schweißvorgangs als auch unmittelbar nach dem Schweißvorgang aufnehmen kann. Die Verwendung einer Kamera mit kleinem dynamischen Bereich macht es dagegen unmöglich, Bilder sowohl während des Schweißvorgangs als auch unmittelbar nach dem Schweißvorgang aufzunehmen. Der Grund dafür besteht darin, dass die Zeit, die für das Umschalten der Einstellung eines Erfassungs-Stellfaktors der Kamera erforderlich ist, nicht auf denjenigen Zeitraum verkürzt werden kann, in dem eine Emission von Licht unmittelbar nach dem Schweißvorgang beobachtet werden kann, und dies sogar dann, wenn versucht wird, die Einstellung des Erfassungs-Stellfaktors zwischen dem Zeitpunkt des Schweißvorgangs und dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schweißvorgang mit einer Kamera zu ändern. Aus diesem Grund kann das Bild unmittelbar nach dem Schweißvorgang nicht erfasst werden.
Um diesem Problem zu begegnen, umfasst in dieser Ausführungsform, wie in 9A dargestellt ist, eine Überwachungseinheit 3 zwei Kameras 3A und 3B. Insbesondere umfasst die Überwachungseinheit 3: eine Kamera 3A für die Beobachtung des Vorgangs (erste Überwachungsvorrichtung) für das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs und eine Kamera 3B für die Beobachtung nach dem Schweißen (zweite Überwachungsvorrichtung) für das Erfassen eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs.
Weiterhin umfasst die Überwachungseinheit 3, wie in 9A dargestellt ist, auch einen Strahlenteiler (Lichtaufspaltungsvorrichtung) 3C zum Aufspalten des Lichts von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil in zwei Richtungen, und zwar in Richtung der Kamera 3A für die Beobachtung des Vorgangs und in Richtung der Kamera 3B für die Beobachtung nach dem Schweißen. Hier ist während des Schweißvorgangs die Menge des Lichts von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil signifikant erhöht. Somit wird die Menge des auf die beiden Kameras 3A und 3B aufgeteilten Lichtstrahls, der zur Kamera 3A für die Beobachtung des Vorgangs geleitet wird, so eingestellt, dass er kleiner als die Menge des Lichtstrahls ist, der zur Kamera 3B für die Beobachtung nach dem Schweißen geleitet wird. Insbesondere kann die Menge des Lichtstrahls, der zur Kamera 3A für die Beobachtung des Vorgangs geleitet wird, mehrere % der ursprünglichen Lichtmenge von dem Teil, der mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlt wurde, betragen, und das meiste Licht kann zur Kamera 3B für die Beobachtung nach dem Schweißen geleitet werden.
Daher wird in dieser Ausführungsform, wie in 9B dargestellt ist, die Kamera 3A für die Beobachtung des Vorgangs so eingestellt, dass das Bild mit hoher Leuchtdichte während des Schweißvorgangs so eingestellt wird, dass es in den Messbereich fällt. Aus diesem Grund wird das Bild unmittelbar nach dem Schweißvorgang schwarz, und die Beobachtung kann nicht mehr durchgeführt werden. Unterdessen ermöglicht, wie in 9C dargestellt ist, Kamera 3B für die Beobachtung nach dem Schweißen die Beobachtung des Bildes unmittelbar nach dem Schweißvorgang, wobei das Bild während des Schweißvorgangs nicht beobachtet werden kann, weil es zu hell ist und weil die Leuchtdichte gesättigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform die von den beiden Kameras 3A und 3B erfassten Bilder wie bei der obigen Ausführungsform in der Speichereinheit 4 gespeichert werden und die anschließende Verarbeitung (wie die Verarbeitung des Erhalts einer mittleren Leuchtdichte und deren Vergleich mit der Bildextraktionsschwelle) dieselbe wie bei der obigen Ausführungsform ist.
Wie oben beschrieben ist, können in dieser Ausführungsform sowohl die Bilder während des Schweißvorgangs als auch nach dem Schweißvorgang sogar dann erfasst werden, wenn Kameras mit kleinem dynamischem Bereich verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird unten eine weitere Ausführungsform der Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform beschrieben. 10 ist ein Diagramm, in dem die Verarbeitung dargestellt ist, die von einer Einheit 7 zur Bestimmung der Nahtform gemäß einer weiteren Ausführungsform ausgeführt wird.
In dieser Ausführungsform berechnet ein Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien, wie in 10 dargestellt ist, zuerst eine gerade Linie L₃ in der Richtung senkrecht zu einer Linie TW, die eine mittlere Position T und einen Zwischenpunkt W verbindet. Dann berechnet das Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien die Mittelpunkte W₃ und W₄ der Linien WW₁ und WW₂, indem es die Punkte, an denen die gerade Linie L₃ den Rand des Endes des Nahtbereichs schneidet, als Schnittpunkte W₁ und W₂ einstellt. Das Modul 7d zur Berechnung von geraden Linien berechnet auch eine Linie TW₃ (Vektor m in 10), welche die mittlere Position T und den Mittelpunkt W₃ verbindet, und eine Linie TW₄ (Vektor n in 10), welche die mittlere Position T und den Mittelpunkt W₄ verbindet.
Danach verschiebt das Modul 7e zur Berechnung von Krümmungen die Vektoren m bzw. n parallel und bestimmt Berührungspunkte zwischen den parallel verschobenen Vektoren m bzw. n und dem Rand am Ende des Nahtbereichs als Randpunkte U bzw. V. Es sei darauf hingewiesen, dass die Berechnung des Krümmungsgrads d nach der Bestimmung der Randpunkte U und V in dieser Ausführungsform dieselbe Verarbeitung wie bei der obigen Ausführungsform ist.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können zahlreiche Änderungen und Modifikationen auf der Grundlage der technischen Idee der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
Obwohl in den obigen Ausführungsformen das Überlappschweißen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch auf Schweißverfahren anwendbar, bei denen eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten isolierter Lochfehler besteht, wie beim Schrittschweißen und beim Stumpfschweißen, weil mit ihr eine geometrische Situation bestimmt werden soll, bei der ein Lochfehler an einer Schweißstelle in einem Schweißmaterial vorhanden ist oder nicht.
Obwohl es sich bei den obigen Ausführungsformen um die Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung eines Lochfehlers am Ende des Nahtbereichs handelt, kann mit der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung darüber hinaus ein Lochfehler nicht nur am Ende, sondern auch in einem während des Schweißvorgangs vorhandenen Bereich bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Schweißlaserstrahl-Abstrahlvorrichtung
3: Überwachungseinheit
3A: Kamera für die Beobachtung des Vorgangs
3B: Kamera für die Beobachtung nach dem Schweißen
3C: Strahlenteiler
4: Speichereinheit
5: Bildextraktionseinheit
6: Nahterkennungseinheit
6a: Bereichserkennungsmodul
6b: Bestimmungsmodul
7: Einheit zur Bestimmung der Nahtform
7a: Modul zur Berechnung von repräsentativen Punkten
7b: Modul zur Berechnung von mittleren Positionen
7c: Modul zur Berechnung von Zwischenpunkten
7d: Modul zur Berechnung von geraden Linien
7e: Modul zur Berechnung von Krümmungen
10: Schweißmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-326134 A [0002]
JP 2005-230913 A [0002]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht, die durch das Bestrahlen eines Schweißmaterials mit einem Schweißlaserstrahl gebildet wird, umfassend: eine Laserstrahl-Abstrahleinheit für das Abstrahlen des Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; eine Überwachungseinheit für das kontinuierliche Erfassen von Bildern eines Teils des mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Schweißmaterials; eine Speichereinheit für das Speichern der mit der Überwachungseinheit erfassten Bilder; eine Bildextraktionseinheit für das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; eine Nahterkennungseinheit für das Erkennen eines Nahtbereichs in dem durch die Bildextraktionseinheit extrahierten Bild und eine Einheit zur Bestimmung der Nahtform für die Berechnung der Position eines Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des von der Nahterkennungseinheit erkannten Nahtbereichs und zur Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Verlaufsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Überwachungseinheit umfasst: eine erste Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs; eine zweite Überwachungsvorrichtung für das Erfassen eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs und eine Lichtaufspaltungsvorrichtung zum Aufspalten von Licht von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung der ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung der zweiten Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls geringer als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nahterkennungseinheit umfasst: ein Bereichserkennungsmodul zur Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten innerhalb des Bildes, die jeweils eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle ist; und ein Bestimmungsmodul, mit dem bestimmt wird, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einheit zur Bestimmung der Nahtform umfasst: ein Modul zur Berechnung von repräsentativen Punkten zur Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von mittleren Positionen zur Berechnung einer Mittelposition des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von Zwischenpunkten zur Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; ein Modul zur Berechnung von geraden Linien zur Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel zueinander auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und ein Modul zur Berechnung von Krümmungen für die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, das einen Krümmungsgrad auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position berechnet und dann anhand des Krümmungsgrads bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Krümmungsgrad der Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenn die Bildextraktionseinheit mehrere Bilder extrahiert, das Modul zur Berechnung von Krümmungen so konfiguriert ist, dass es bestimmt, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, indem es den Mittelwert der aus den mehreren Bildern erhaltenen Krümmungsgrade verwendet.
Verfahren zur Bestimmung der Form eines Endes einer Schweißnaht, die durch das Bestrahlen eines Schweißmaterials mit einem Schweißlaserstrahl gebildet wird, umfassend: das Abstrahlen eines Schweißlaserstrahls auf das Schweißmaterial; das Erfassen von Bildern eines mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teils auf dem Schweißmaterial im Zeitablauf; das Speichern der Bilder in einer Speichereinheit; das Extrahieren eines der Bilder aus der Speichereinheit, wenn die mittlere Leuchtdichte innerhalb des Bildes gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Bildextraktionsschwelle ist; das Erkennen eines Nahtbereichs in dem aus der Speichereinheit extrahierten Bild und die Berechnung der Position des Endes des Nahtbereichs auf der Grundlage des erkannten Nahtbereichs und die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs in Erstreckungsrichtung des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren zur Erfassung der Bilder umfasst: das Aufspalten von Licht von dem mit dem Schweißlaserstrahl bestrahlten Teil in Lichtstrahlen in zwei Richtungen in Richtung einer ersten Überwachungsvorrichtung und in Richtung einer zweiten Überwachungsvorrichtung; das Erfassen eines Bildes während eines Schweißvorgangs durch die erste Überwachungsvorrichtung und das Erfassen eines Bildes nach Abschluss des Schweißvorgangs durch die zweite Überwachungsvorrichtung und wobei die Menge des zur ersten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls geringer als die Menge des zur zweiten Überwachungsvorrichtung geleiteten Lichtstrahls ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren zur Erkennung des Nahtbereichs umfasst: die Bestimmung von Bereichen als Nahtbereichskandidaten, die eine Leuchtdichte aufweisen, die gleich einer oder höher als eine vorbestimmte Bereichserkennungsschwelle innerhalb des Bildes ist; und die Bestimmung, ob jeder der Nahtbereichskandidaten der Nahtbereich auf der Grundlage eines Aspektverhältnisses der Nahtbereichskandidaten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Verfahren, mit dem bestimmt wird, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist, umfasst: die Berechnung eines repräsentativen Punkts des Nahtbereichs; die Berechnung einer mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung eines Zwischenpunkts zwischen dem repräsentativen Punkt des Nahtbereichs und der mittleren Position des Endes des Nahtbereichs; die Berechnung von zwei geraden Linien, die sich parallel auf beiden Seiten der Linie, die die mittlere Position und den Zwischenpunkt verbindet, erstrecken und den Rand am Ende des Nahtbereichs schneiden; und die Berechnung von Schnittpunkten zwischen den beiden geraden Linien und dem Rand des Endes, die Berechnung eines Krümmungsgrads auf der Grundlage der Schnittpunkte und der mittleren Position und dann anhand des Krümmungsgrads die Bestimmung, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Krümmungsgrad ein Abstand von einer die Schnittpunkte miteinander verbindenden Linie zur mittleren Position ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei, wenn mehrere Bilder aus der Speichereinheit extrahiert werden, durch Verwendung des Mittelwerts der Krümmungsgrade, die aus den mehreren Bildern beim Bestimmen, ob die Form des Endes konvex oder konkav ist, erhalten werden, bestimmt wird, ob die Form des Endes des Nahtbereichs konvex oder konkav ist.