DE4408291C2

DE4408291C2 - Verfahren zur automatisierten optischen Prüfung einer Schweißnaht eines Bauteils unter Anwendung des Lichtschnittverfahrens

Info

Publication number: DE4408291C2
Application number: DE4408291A
Authority: DE
Inventors: Juergen Bernstein; Wolfgang Dipl Ing Heer; Peter Dipl Ing Stegmaier
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: DE4408291A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatisierten optischen Prüfung einer Schweißnaht (oder eines ähnlichen Oberflächenprofils) eines Prüflings unter Anwendung des Lichtschnitt-Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein ähnliches Oberflächenprofil kann durch einen Materialstrang, z. B. aus Klebstoff oder Dichtungsmittel gebildet sein.

Ein solches Verfahren bzw. ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Bildaufnahmesystem ist aus der Veröffentlichung "Schweißnähte gut im Bild", Flexible Automation 4/92, Seite 33 und 34 bekannt, wobei dort hauptsächlich ein Verfahren zum Führen einer Schweißeinrichtung entlang einer Kante beschrieben ist. Es ist erwähnt, daß das System auch zur Qualitätsprüfung eingesetzt werden kann, allerdings ohne Angabe von Einzelheiten.

Außerdem sind aus den Druckschriften DE 38 09 221 A1 und DE 38 40 998 C2 optische Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren von Fehlstellen an Werkstücken bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine automatisierte Beurteilung der Qualität eines Prüflings, insbesondere einer Schweißnaht ermöglicht. Als Prüfergebnis soll eine eindeutige Gut- oder Schlecht aussage geliefert werden, die als Steuersignal einem Hand habeautomaten zugeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale ge löst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen ange geben.

Das Verfahren ermöglicht eine zuverlässige und schnelle op tische Prüfung und läßt sich flexibel an die speziellen An forderungen anpassen. Die sehr schnelle automatisierte Be urteilung des Prüflings wird hauptsächlich durch die ver fahrensgemäße Schwerpunktbildung und vektorielle Auswertung einer Differenzwertematrix ermittelt.

Eine ausführliche Beschreibung des Verfahrens erfolgt nach stehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Meßanordnung,

Fig. 2 eine projizierte Lichtlinie auf einen Prüfling,

Fig. 3 ein Kamerabild,

Fig. 4 die Darstellung einer Folge von Bildern,

Fig. 5 die Bildung einer Reihe von Schwerpunkten und

Fig. 6 eine Auswertematrix.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfah rens. Ein Werkstück 2 mit einer Schweißnaht 3 wird unter einem Winkel α von einer Lichtquelle 1 beleuchtet. Der Win kel α ist gemessen zwischen dem von der Lichtquelle 1 ge sendeten Lichtstrahl L und der Oberfläche des Werkstückes 2. Die Lichtquelle 1 ist zweckmäßigerweise eine Laserlicht quelle mit Linienoptik, jedenfalls eine Lichtquelle, die eine Lichtlinie oder einen Lichtstreifen quer zur Schweiß naht 3 sendet.

Eine senkrecht zur Ebene des Werkstücks angeordnete Kamera 4 mit Optik 5 erfaßt das auf der Oberfläche des Werkstücks 2 und der Schweißnaht 3 projizierte Bild des Lichtstrei fens. Da das Licht L schräg auf die Oberfläche auftrifft, wird es dort in Abhängigkeit von der Höhe der Schweißnaht 3 an von einer gerade Linie abweichenden Orten abgebildet. Das bei der gemäß Fig. 1 gegebenen Anordnung im Punkt 6 auf die Oberfläche des Werkstücks 2 auftreffende Licht be wirkt z. B. einen Lichtstrahl L_P1 des auf dem Werkstück 2 abgebildeten Lichtstreifens. Auf der Schweißnaht 3 wird der Lichtstreifen um den - von der Schweißnahthöhe h abhängigen - Abstand x versetzt abgebildet. Die Kamera erfaßt daher z. B. am Punkt 7 auf der Schweißnaht 3 einen Lichtstrahl L_P2. Das direkt entsprechend dem Einfallswinkel reflek tierte Licht L_R wird nicht von der Kamera aufgenommen.

Die von der Kamera aufgenommenen Grautonbilder werden digi talisiert und anschließend binärisiert, so daß die Laser lichtlinie weiß gegen schwarz für die Verarbeitung zur Ver fügung steht.

Von oben, d. h. aus der Sicht der Kamera betrachtet, ist diese projizierte Lichtlinie L_P auf den Oberflächen 2, 3 zu sehen, wie Fig. 2 zeigt. In Fig. 3 ist ein Kamerabild 8 dargestellt, das den Lichtstreifen L_P als weiße Linie auf dunklem Grund enthält; hier schwarz/weiß-invertiert darge stellt. Die Ausbuchtung im Lichtstreifen, also der jewei lige Abstand x von der Bezugslinie ist auswertbar zur Ge winnung des Höhenmaßes h.

Als Zusammenhang zwischen Versatz x und Höhe h gilt allge mein x = h/tanα. Bei einem Winkel α von 45° ist der tanα = 1 und somit x = h. Der Winkel α kann in weiten Gren zen, bevorzugt im Bereich von 20 bis 70° gewählt werden, je nach der Gestalt der zu analysierenden Oberfläche, bzw. de ren Fehlerstellen, die detektiert werden sollen.

In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Prüfling 2, 3 in einer z-Richtung bewegt wird und in einem Abstand s mit der Ka mera Aufnahmen vom Lichtstreifen L_P zur Gewinnung von Meß linien gemacht werden. Im Fall einer Schweißnahtkontrolle hat sich ein Abstand s = 0,7 mm als geeignet erwiesen. Die Geschwindigkeit der Prüfling-Bewegung in z-Richtung und der Zeitabstand der Kamera-Aufnahmen lassen sich entsprechend wählen, um die gewünschte Bildfolge zu erzielen.

Es ist zwar grundsätzlich gleichgültig, ob die Anordnung von Kamera und Lichtquelle bewegt wird oder der Prüfling. Für eine automatisch-arbeitende Prüfeinrichtung hat es sich als zweckmäßig gezeigt, die Kamera, die Lichtquelle und eine Auswerteeinrichtung als stationäre Einrichtung an zu ordnen und den Prüfling mit Hilfe eines Handhabeautomaten, also eines Roboters im Erfassungsbereich der Kamera mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen. Lage, Entfernung, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Prüflings in Be zug auf die Kamera müssen mit hoher Wiederholgenauigkeit eingehalten werden.

In Fig. 5 ist ein erster Schritt zur Auswertung der Kame rabilder 8 dargestellt. Mit Zeilen 9 werden zeilenweise die Schwerpunkte 10 der weißen Bildpunkte (Lichtlinie) gebildet. Sie geben an, an welchem Ort in x-Richtung sich die weißen Bildpunkte befinden. Aus den Schwerpunkten von vorzugsweise vier Zeilen wird der Mittelwert gebildet. Ausreißer, ent standen aufgrund von Reflexionen, Lackschäden oder Schweißspritzern, werden so ausgemittelt. Bei der Schwer punktbildung wird die Auswertung durch unterschiedliche Breite der Lichtlinie nicht beeinflußt.

Die in digitalisierter Form vorliegenden - gegebenenfalls gemittelten - Schwerpunktwerte 10 werden in einem zweiten Schritt mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Diese gespeicherten Referenzwerte sind Soll-Schwerpunktwerte, die aus Kamera-Aufnahmen von mindestens einem Muster-Werkstück gewonnen wurden.

Die Aufnahme von Referenzdaten erfolgt nach einem Einricht vorgang, in dem alle erforderlichen Einstellungen an der Meßanordnung vorgenommen werden.

Die Soll-Schwerpunktwerte können durch einen Lernvorgang gebildet werden. Während dieses Lernvorgangs werden die Schwerpunktwerte mehrerer zulässiger Musterstücke nachein ander erfaßt und es werden je Zeile aus den mehreren, etwas unterschiedlichen Schwerpunktwerten jeweils ein Referenz- oder Sollwert ermittelt. Dies kann beispielsweise der Mini malwert der erfaßten Werte je Zeile sein, von dem gegebe nenfalls noch ein Toleranzwert abgezogen wird; das be deutet, daß zur späteren Prüfung ein Mindestauftrag von Schweißmaterial als Kriterium herangezogen wird.

Der im zweiten Auswerteschritt durchzuführende Vergleich zwischen Schwerpunktwerten des Prüflings und Refe renz-Schwerpunktwerten wird im Ausführungsbeispiel wie folgt durchgeführt: Vom Prüflings-Schwerpunkt wird der kor respondierende Referenz-Schwerpunkt subtrahiert; Differenz werten Null wird ein erster Binärwert, z. B. 1 zugeordnet, Differenzwerten < Null ein zweiter Binärwert, z. B. 0.

Im zweiten Auswerteschritt wird auf diese Weise eine Reihe von binären Differenzwerten gebildet, die Qualitätsmerkma len entsprechen; allerdings nur an dem jeweiligen durch einen Lichtstreifen repräsentierten Meßort.

Um zu einer Aussage gut oder schlecht für den ganzen Prüf ling zu kommen, wird in einem dritten Auswerteschritt eine Auswertung anhand mehrerer oder aller Meßergebnisse vorge nommen. Diese Auswertung erfolgt mit Hilfe einer Auswerte matrix, in die zu einem Lichtstreifen L_P gehörende Diffe renzwerte als eine Spalte eingetragen werden. Die binären Differenzwerte mehrerer oder aller Lichtstreifen L_P bilden eine Matrix, die beispielhaft in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Differenzwertematrix wird vektoriell ausgewertet. Dabei wird die Matrix ausgehend von einem gewählten Matrixelement 21 in mehreren, z. B. vier Richtungen, die als Vektoren 20 bezeichnet sind, ausgewertet. Es werden je Vektor die maxi male Anzahl aufeinanderfolgender Fehlstellen, das sind die Binärwerte 0 ermittelt.

Die so ermittelten vektoriellen Fehlstellengrößen werden mit gespeicherten Regeln zur Gut/Schlecht-Beurteilung ver glichen. Die Regeln definieren zulässige fehlerhafte Flä chen, z. B. Lochgrößen in Schweißnähten, die toleriert wer den.

Die Untersuchung auf unzulässig große Fehlstellen erfolgt durch Auswertung der gesamten Matrix zeilenweise von links oben nach rechts unten. Die dargestellten Vektoren sind be züglich Anzahl, Richtung und Länge ausreichend. Es wird so eine hohe Auswertegeschwindigkeit erreicht. Einzelne Punkte können mehrfach in die Prüfung einbezogen sein. Die Lage der Vektoren ist unterschiedlich und an die Auflösung der Messung angepaßt.

Je nachdem, ob durch den Auswertevorgang unzulässig große fehlerhafte Flächen ermittelt werden oder nicht, gibt die Auswerteeinrichtung 11 ein Gut- oder Schlechtsignal ab. Das Signal kann genutzt werden zur Steuerung des Handhabe automaten, der die Prüflinge entsprechend dem Prüfergebnis auf unterschiedlichen Plätzen ablegt.

Das zur Bildung des Lichtstreifens benutzte Licht muß nicht im sichtbaren Bereich liegen. Es können z. B. auch Infrarot licht und eine darauf abgestimmte Kamera verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur automatisierten optischen Prüfung einer Schweißnaht eines Prüflings unter Anwendung des Lichtschnitt-Verfahrens, wobei

- mit einer Lichtquelle (1) unter einem Winkel α von 20 bis 70° gegenüber der Bauteiloberfläche ein Lichtstreifen (L_P) quer zur Verlaufsrichtung (z) der Schweißnaht (3) auf dem Prüfling aufgebracht wird, der Prüfling von einem Handhabeautomaten in Hauptrichtung (z) in definiertem Abstand und mit definierter Lage vor einer Kamera (4) mit konstanter Geschwindig keit bewegt wird,
- in einem konstanten Zeitabschnitt nacheinander Bildaufnahmen von dem auf dem Prüfling projizierten Lichtstreifen (L_P) gemacht werden und die Bilder (8) in einer Auswerteeinrichtung (11) in digitalisierter Form gespeichert werden und
- vor Prüfungsbeginn in der Auswerteeinrichtung (11) Referenzwerte zur Beurteilung der aufgenommenen Bilder (8) gespeichert werden,

gekennzeichnet durch nachstehende Schritte zur Gewinnung eines Prüfungsergeb nisses, das als Gut- oder Schlechtsignal von der Auswerteeinrichtung (11) abgege ben wird:

a) die gespeicherten Bilder (8) werden zeilenweise abgetastet, wobei je Zeile ein Schwerpunktwert (10) gebildet wird, der die Lage weißer Bildpunkte, also des Lichtstreifens (L_P) angibt, und wobei die Aneinanderreihung der Schwerpunktwerte (10) ein Abbild des Lichtstreifens (L_P) ergibt;
b) von den so ermittelten Schwerpunktwerten (10) werden korrespondierende gespeicherte Referenz-Schwerpunktwerte subtrahiert; Differenzwerten Null wird ein erster Binärwert zugeordnet, Differenzwerten < Null ein zweiter Binärwert; die binären Differenzwerte werden in eine Auswertematrix ein getragen, wobei die Differenzwerte eines Lichtstreifens (L_P) eine Spalte bilden; mehrere Spalten bilden die Auswertematrix;
c) die Auswertung der Matrix erfolgt vektoriell, wobei ausgehend von einem gewählten Matrixelement (21) in mehreren, als Vektoren (20) bezeichneten Richtungen die Anzahl aufeinanderfolgender zweiter Binärwerte, also von Fehlstellen gezählt werden; anhand von gespeicherten Regeln, die zulässige vektorielle Fehlstellenzahlen definieren, die zulässige fehlerhafte Flächen repräsentieren, wird ermittelt, ob die damit geprüfte Stelle des Prüf lings den Anforderungen genügt diese vektorielle Auswertung erfolgt über die gesamte Matrix; wenn die Prüfungen an allen Prüfstellen nur zulässig große Fehlerflächen ergeben, wird ein Gutsignal, anderenfalls ein Schlechtsignal ausgegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α im Bereich von 40° bis 50° gewählt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) eine Laser lichtquelle mit Linienoptik verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Bild aufnahmen mit einem Lichtstreifenabstand von s = 0,7 mm auf dem Prüfling (2, 3) gemacht werden.