(57)【要約】  継ぎ目箇所の位置および質を評価するために、光切断パターンを有する継ぎ目箇所の画像とグレー値画像が組み合わされて、同一のセンサ内に記録され、詳細にはセンサの２つの異なる領域２１、２２内に記録される。グレー値画像は、継ぎ目箇所の質を識別するために評価される。これによって容易に、位置の識別も、継ぎ目箇所の質の識別も行われる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（１、２）の継ぎ目箇所（３；４）を検出する方法であって、
光切断方法によって継ぎ目箇所の三次元経過を検出するための光線および継ぎ目箇所のグレー値画像を記録し、
前記グレー値画像を、継ぎ目箇所の質を判断するために評価し、
前記光切断方法の光線およびグレー値画像をともにセンサ（２０）、殊にＣＭＯＳセンサに記録する形式の方法において、
前記各光線の記録をそれぞれ前記センサ（２０）の第１の領域（２１）内で行い、前記グレー値画像の記録を、前記第１の領域とは異なる、前記センサの第２の領域（２２）内で行い、
前記領域を時間的に異なって照明し、前記センサの領域を時間的に異なって読み出す、
ことを特徴とする、ワークピースの継ぎ目箇所を検出する方法。
【請求項２】
前記センサの２つの領域を相互に依存しないで、非同期に読み出す、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記センサの２つの領域（２１、２２）を同期的に読み出し、メモリ（２５）内に緩衝記憶し、当該メモリから各データブロック（３０、３１）を、完全な光線画像（２１’）およびグレー値画像の一部分（２２’）を含んで、読み出す、請求項１記載の方法。
【請求項４】
ワークピースと記録手段との間で相対運動が行われる場合、少なくとも１つの光線に対する照明時間を、当該光線の散乱光が、当該光線よりも幅広い接合部領域によって反射される長さに選択する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
ワークピースと記録手段との間で相対運動が行われる場合、閃光照明装置によるグレー値画像に対する照明時間を、運動の鮮明さが１ピクセルよりも小さく維持されるように、短く選択する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
グレー値画像の代わりに、またはグレー値画像に対して付加的に、カラー画像を記録する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
プレート溶接時のエッジエラーを判断するための、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の使用。
【請求項８】
プレート溶接時の溶接接合部の質を判断するための、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の使用。
【請求項９】
前記溶接接合部の構造の輪郭を強調し、検査する、請求項８記載の使用。
【請求項１０】
スポット溶接または接着剤ビードを判断するための、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の使用。
【請求項１１】
ワークピース（１、２）の継ぎ目箇所（３；４）を検出する装置であって、
光線投影ユニットと、
光線およびグレー値画像を記録するための記録ユニット（９）と、
前記光線および前記グレー値画像のための画像評価ユニット（１１）とを有しており、当該画像評価ユニットは、グレー値画像に基づいて継ぎ目箇所の質の特徴を識別するように構成されており、
前記記録ユニットは画像を記録するように構成されており、ここで光線およびグレー値画像がともに検出され、前記記録ユニットはセンサ、殊に唯一のセンサ、殊にＣＭＯＳセンサを有しており、
前記少なくとも１つの光線の記録をそれぞれ前記センサ（２０）の第１の領域（２１）内で行い、前記グレー値画像の記録を、前記第１の領域とは異なる、前記センサの第２の領域（２２）内で行い、
前記領域は時間的に異なって照明可能であり、前記センサの領域は時間的に異なって読み出し可能である、
ことを特徴とする、ワークピースの継ぎ目箇所を検出する装置。
【請求項１２】
前記センサの２つの領域は相互に依存しないで、非同期に読み出される、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記センサの２つの領域（２１、２２）は同期的に読み出し可能であり、メモリ（２５）内に緩衝記憶可能であり、当該メモリから各データブロックが、完全な光線画像およびグレー値画像の一分部を含んで、読み出される、請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
閃光照明ユニットがグレー値画像の記録のために設けられている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記画像評価ユニット（１１）は、グレー値画像内の継ぎ目箇所領域の輪郭を強調し、判断するように構成されている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記記録ユニットは、前記グレー値画像に対して付加的に、または前記グレー値画像の代わりにカラー画像を記録するように構成されている、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パテントファミリーの参照指示
本発明は、２００５年１１月１４日付け出願で出願されたスイス連邦共和国特許出願第１８２３/０５号の優先権を主張するものであり、この文献の全開示内容は参照として本願に取り入れられている。
【０００２】
発明の背景
本発明は、ワークピースないしは工作物の継ぎ目箇所を検出するための方法に関する。ここでは光切断方法によって、継ぎ目箇所の三次元経過特性を検出するために光線が検出され、さらに継ぎ目箇所のグレー値画像が記録され、このグレー値画像が継ぎ目箇所の質を判断するために評価される。ここで光切断方法（Lichtschnittverfahrens）の光線およびこのグレー値画像は、共にセンサ、殊にＣＭＯＳセンサに記録される。さらに本発明は、方法の使用並びに請求項１１の上位概念に記載された装置に関する。
【０００３】
従来技術
ＷＯ ０３／０４１９０２号から、継ぎ目箇所の位置および質の評価のために、継ぎ目箇所の画像および光切断パターンの画像を記録することが知られている。ここで記録されたグレー値画像は、継ぎ目箇所の質を識別するために評価される。この方法は良好な結果を残している。
【０００４】
発明の説明
本発明の課題は、この種の方法を改善することである。
【０００５】
これは冒頭に記載した方法の場合には次のことによって実現される。すなわち、各光線の記録がそれぞれ、センサの第１の領域において行われ、グレー値画像の記録が、この第１の領域とは異なる、センサの第２の領域において行われることによって実現される。これらの領域は時間的に異なって照明され、センサのこれらの領域は時間的に異なって読み出される。
【０００６】
センサを分割することおよびセンサを時間的に異なって照明することおよび読み出すことによって、第１のセンサ領域において非常に迅速な三角測量評価を行うことが可能になり、ひいては継ぎ目箇所、例えば溶接ビードおよび接着剤ビードをほぼ完全に３Ｄ表示すること、および評価することが可能である。センサを、異なる読み出し周波数を有する２つのセンサ領域に分割することによってグレー画像評価と迅速な三角測量関を組み合わせることによって、光切断方法によって迅速に処理を行い、継ぎ目箇所の迅速な３Ｄ測定を行い、グレー画像分析によって付加的に部分的なエラー箇所の検出ないし評価を行うことが可能になる。
【０００７】
第１の有利な構成では、依存しない、センサ領域の非同期の読み出しが行われる。
【０００８】
ここで別の構成においては、メモリ内での同期的な読み出しが特に有利である。このメモリから評価のために、少なくとも１つの光線画像、殊に完全な光線画像を含んで、データブロックおよびグレー値画像の一部分が読み出される。
【０００９】
本発明の課題はさらに、装置を改善することである。
【００１０】
これは、請求項１１の特徴的な構成を有する冒頭に記載した装置で行われる。
【００１１】
図面の簡単な説明
以下で本発明の実施例および特別な利点を図に基づいてより詳細に説明する。
ここで、
図１はプレート溶接時のレーザ溶接過程の概略図であり；
図２は２つの領域を有するセンサの概略図であり；
図３は、概略的にセンサの読み出しを示しており；
図４は、メモリへのセンサの読み出しを概略的に示している。
【００１２】
本発明の説明
図１は概略的にプレート（ないしは、いわゆるテーラードブランク）の溶接を示している。ここでこのプレートは薄板１および２から構成されている。これらの薄板は継ぎ目線３に沿って平らに突き合わされている。ここで通常は、異なる厚さおよび／または異なる屈折特性の平らな薄板部分が１つの素子、プレート（テーラードブランク）になるように接続されている。このような部材は通常は後に、１つの構成部材、例えば自動車用の構成部材に変形される。
【００１３】
レーザ源５からのレーザビーム６は継ぎ目線３に沿って案内され、薄板１と２を相互に溶接し、後方に溶接接合部４を形成する。ここでレーザ源５が固定されたワークピース上を通過するのか、またはワークピースが固定されたレーザを通過するように動かされるのかは重要ではない。接合部識別ユニット７によって継ぎ目線３の位置を確認し、レーザビーム源５ないしビーム６を正確に継ぎ目線経過に追従させることは公知である。このために既知の方法で、継ぎ目線３の経過が、冒頭に記載したように光切断方法によって求められる。これに相応してユニット７は、従来技術でも、本発明でも、少なくとも１つの光線を生成するための装置を含む。ここで殊にこの光線は継ぎ目線３の経過に対して実質的に横向きである。光線の経過はカメラによって検出され、継ぎ目線が識別される。これは基本的に公知であり、ここで詳細な説明をする必要はない。検出領域は図では参照番号８によって示されている。ここでこれは縮尺通りではない；検出領域は例えば８×８ｍｍであるか、または１０×１０ｍｍである。さらに、付加的に光線の領域においてグレー値画像を記録することが公知である。これによって同じように継ぎ目線３の経過が識別される。ユニット７の画像は線路１２を介して評価ユニットおよび制御ユニット１１に出力される。これは、評価および制御のための別個にされたユニットであってよい。レーザビームの位置は継ぎ目箇所３を正確に追うように制御される。
【００１４】
溶接後に溶接接合部４の接合部クオリティを検出するためにここでは、ＷＯ０３／０４１９０２に相応して、一方では光切断方法に従って処理がなされ、これによって幾何学形状的なデータ、例えば凸度、凹度およびエッジオフセットが測定される。このために接合部検査ユニット９が設けられている。この接合部検査ユニットによって検出される領域は同じように縮尺通りではなく、例えば同じように８×８ｍｍまたは１０×１０ｍｍを含み、図中に領域１０として示されている。他方ではここで、ＷＯ０３／０４１９０２に相応して、溶接接合部４を検査するために付加的にグレー値画像が記録される。ここでこのグレー値画像は、溶接接合部の質を識別するために評価される。グレー値画像のこの評価は殊に、細孔、小さいおよび不完全溶接等の局部的なエラー箇所を求める。ユニット９はこのための一方では、少なくとも１つの光線を生成するために、溶接接合部４に対して横向きに構成されている。光線は有利には、高い光学的パワーを有する光切断レーザ（例えば細い線状の５０ｍＷ〜１００ｍＷのレーザダイオード）によって生成される。表面の反射特性が異なる場合には常に充分な光が、光線を記録する、ユニット９内のセンサにもたらされる。この光線のための、ユニット９内のセンサはここでは有利にはＣＭＯＳセンサないしＣＭＯＳカメラである。図１に示された例のように、検出されるべき継ぎ目箇所とユニット９との間で相対的な運動が行われる場合には、カメラセンサの照明時間は有利には次のような長さに選択される。すなわち、レーザ線の反射光が表面領域上で求められるような長さに選択される。従って３Ｄ測定は、レーザの線の幅よりも大きい領域上で行われる。
【００１５】
レーザ線が溶接接合部上に照射されるのとほぼ同じ接合部箇所で行われるグレー値の記録のために、できるだけ短い閃光照明が行われる。ここでこの照明の照明時間は殊に短く、この領域においてユニット９に対して相対的に動く溶接接合部の運動の不鮮明さは（Bewegungsunschaerfe）１ピクセルよりも小さく保持される。照明はここで有利には暗視野照明によって、場合によっては暗視野の代わりに明視野において行われる。グレー値画像を記録するためのセンサはここでは、レーザ線も記録するセンサである。すなわち、１つのセンサだけで、殊にＣＭＯＳセンサないしはＣＭＯＳカメラだけによって、溶接接合部のグレー値画像も、レーザ線の画像も記録される。画像記録の間隔は次のように選択される。すなわち、対象物域のカバー、すなわち接合部の完全な記録が保証されるように選択される。一般的に本発明の方法は、センサ出力を非同期的に読み出す手段を有するカメラ、および内部メモリおよびプログラミング可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）を有するカメラで使用される。
【００１６】
本発明の方法ではセンサは２つの領域に分けられる。ここで１つの領域では各光切断線（これは三角測量線とも称される）が迅速なシーケンスで記録される。センサの第２の領域はグレー画像記録に使用される。図２は概略的にセンサ２０を示している。ここでこのセンサには上述のようにユニット９内に設けられており、第１の領域２１および第２の領域２２を有している。第１の領域には三角測量線の記録２３が示されており、第２の領域には継ぎ目線ないし溶接接合部４のグレー画像記録２４が示されている。記録はこの２つの領域で、レーザ光線の生成ないしグレー値画像に対する照明と同期するように制御して行われる。これによって各センサ領域２１、２２１は相応の記録を含む。
【００１７】
センサ２０の第１の領域２１は継続的に非常に速い速度で読み出され、時間的に連続して記録された画像２３が迅速に読み出される。グレー画像領域２４の読み出し周波数は対象領域および、継ぎ目線４に対して相対的なカメラないしユニット９の運動速度に合わせられており、より緩慢である。
【００１８】
センサのデータレートが８０ＭＢｙｔｅ／秒であり、ピクセルサイズが１Ｋ×１Ｋである場合、センサ領域２１は例えば１５０×８００ピクセルで、約６６０Ｈｚで読み出される。データレートが１６０ＭＢｙｔｅ／秒まで相応に上昇する場合には約１．２ＫＨｚになる。
【００１９】
例えば８００×８００ピクセルを有するセンサ領域２２は、対象領域および移動速度に相応して読み出され、画像は溶接ビードまたは接着ビード４を重畳して得る。
【００２０】
図３は、これら２つの領域の読み出しを概略的に示している。時間ｔｅｘｐ１はセンサ領域２１に対する照明時間であり、時間ｔｅｘｐ２はセンサ領域２２に対する照明時間である。時間ｔ１はセンサ領域２１に対する照明時間＋読み出し時間であり、時間ｔ２はセンサ領域２２に対する照明時間＋読み出し時間である。
【００２１】
この方法のためのセンサは、Photonfocus AG社, 8853 Lachen, Schweizから販売されており、型名MV-D 1024 CLとして入手可能である。
【００２２】
読み出しはこのセンサの場合には同期して行われる。有利にはこれは本発明を実施する場合には次のように行われる。すなわちデータをセンサからメモリ２５内に書き込むことによって行われる。これはメモリ領域２５および２８を有している。ここで画像データがセンサ領域２１からメモリ領域２５に達し、画像データがセンサ領域２２からメモリ領域２８に達する。これは図３に破線で示されている。
【００２３】
同期的な作動様式の場合には継続的にセンサ領域２１が読み出され、センサ領域２２に対する対象領域の検出後にセンサ領域２２が読み出される。
【００２４】
センサ領域２２の伝送時間はセンサ領域２１の伝送時間よりも格段に長いので、データは緩衝記憶され、その後にセンサ領域２１のデータと部分的に一緒に伝送される。これは図４に示されている。従ってデータブロック３０、３１・・・等はそれぞれ三角測量線の完全な画像２１’および継ぎ目線４の画像の一部分２２’（センサ領域のサブセット）から構成され、評価部（ユニット１１として示されている）に伝送される。ここで個々の迅速に順次連続した三角測量線画像が評価され、かつグレー画像は複数の画像部分２２’がまとめられた後に評価される、または個々の一部分２２’または複数の一部分２２’が一緒に評価される。このデータのサブセットは次のように選択されなければならない。すなわちセンサ領域２２の全てのデータが時間ｔ２内で伝送されるように選択されなければならない。メモリ２６はセンサではユニット９内にないしはカメラ内に配置されるか、または場合によってはユニット１１内に配置される。
【００２５】
説明した、領域２１、２２の同期的な読み出しに対して択一的に、センサ２０が許す場合には、これらの領域を非同期に、分割されたチャネルを介して読み出してもよい。
【００２６】
センサによって記録された画像は画像評価ユニット１１に出力される。ここで画像は評価ユニット１１に対して可視の表示ではなく、数列でしかない。ここではユニット１１内で８ビットのワードで処理がされる。画像のグレー値の分割は、ここでは例えばセンサ２０の１０ビット画像で行われ、次にデータは相応するテーブル（ルックアップテーブル）を介して例えば８ビット領域０−２００（グレー値画像用）および２００−２５５（レーザ線用）に伝送される。
【００２７】
ここで各画像の評価はレーザ線の場合には従来の方式で行われ、レーザ線によって接合部の横方向プロファイルが求められる。このような横方向プロファイルから、既知の方法で接合部の幾何学的データ、例えば凸度、凹度およびエッジオフセットが求められる。これらの値に対してＩＳＯ境界値が生じ、この境界値が遵守されていることが検出される。ユニット９から供給される高い値のグレー値画像によって、この画像の評価に基づいて溶接の質を判断することもできる。このために、接合部４をあらわす画像領域において、接合部構造の輪郭が強調される。これはＷＯ０３／０４１９０２号から公知であり、この文献の内容は参照として本願に組み込まれている。相応に動的なバイナリー化によって接合部構造が強調される。別の処理ステップでは動的にバイナリー化された接合領域が骨格化される。接合構造の輪郭線は残される。
【００２８】
このような処理ステップに対する相応の画像処理プログラムが公知である。このような機能を提供する、Soudronic Automotive AG社（Schweiz）社のソフトウェアＳＯＵＶＩ５０００が使用可能である。市場で入手可能な別のプログラムとしては例えば、名称ＷｉＴを有する、旧Logical Vision社, 現在のCoreco Imaging社（St. Laurent, Quebec, Kanada）の、例えばバージョン５．３の既知のプログラムが使用可能である。
【００２９】
相応の画像処理によって、局部的なエラー箇所を識別することができる。これは例えば細孔、小さい孔および不完全溶接等である。これは一方では、このようにして求められた構造を、良質の溶接接合部の既知のパターンと比較することによって行われる。付加的にまたはこの代わりに、ユニット１１によって、輪郭線の存在、その向きないし接合部長手軸方向からの角度偏差および／またはその長さが検査される。このようにしてここで、グレー値画像に基づいて接合部の質を検査することが可能である。
【００３０】
本発明をここでプレート溶接時の溶接接合部に基づいて説明したが、本発明はこのような使用領域に制限されない。一般的に、継ぎ目箇所の質はこのようにして検査され、例えばスポット溶接または接着剤のビードも検査される。
【００３１】
エッジ追従ユニット７でも、本発明を使用することができる。この場合には、ユニット９に基づいて説明した全ての構成が、ユニット７に対しても提供されるないしは受け入れられる。ここで特に、照明および画像記録は有利には、ユニット９に基づいて説明したのと同じように行われる。ここでは光線評価によって、エッジ識別および厚さ変化監視が可能になる。ギャップが零／厚さ変化が零の場合のエッジ識別およびギャップ幅の測定は、有利にはグレー画像評価を介して行われる。この場合にも、有利なセンサ構成および有利な照明方法によって、対象物速度が速いにもかかわらず、高い解像度、大きい対象領域、大きいダイナミックレンジを有する非常に良質なグレー値画像が得られる。ユニット７はここでも同じように、ユニット９に対する線路１４のように、線路１２を介して画像評価部１１と接続される。この場合には、ユニット７の目的に応じて、レーザ源５はユニット１１によって線路１３を介して制御される、ないしは追従制御され、溶接はレーザビームによって正確に継ぎ目線３の箇所で行われる。
【００３２】
しかしユニット７がここで位置識別に対して付加的にエッジ損傷の検出を行ってもよい。すなわち継ぎ目ステップの前に、図９に基づいて説明されたように、継ぎ目箇所の質の判断を行ってもよい。ここで継ぎ目箇所とは接着剤ビードのことである。従って同じようにユニット７に相応するユニットによって（または２つのユニットによって別個に）継ぎ目ステップの前に位置および質の検出が行われる。
【００３３】
本発明の目的および用途：
溶接接合、すなわちレーザ溶接もＭＩＧ溶接およびＭＡＧ溶接も１００％コントロールされなければならない。さらに接着剤ビードは接着前にコントロールされる。表面溶接硬化は、さらなる処理の前に監視されなければならない。
【００３４】
小さいエラー限界を伴う速い製造速度によって、無接触に、速い速度で接続部を検査することができる光学的な測定システムおよび検査システムの使用が可能になる。
【００３５】
このようなシステムによって、三次元測定を伴った小さい局部的なエラー箇所のエラー識別が期待される。これは以下のことを含む：すなわち、１、局部的なエラー箇所の識別、接合部長および位置の測定；２、ＩＳＯ境界値の遵守を保証するための凸度、凹度および場合によってはエッジオフセット等の幾何学的データの測定。接合部体積の測定。なぜなら、凸度等の個々の測定値は接合部横断面にわたってあらわされないからである。
【００３６】
幾何学的形状のデータの測定は、接合部の迅速な３D測定を必要とする。局部的なエラー箇所の識別は、非常に高い解像度および同時の迅速な対象物運動の場合にグレー画像評価を必要とする。
【００３７】
ここから画像処理に対する要求が生じる：すなわち、高い解像度、大きい対象領域、大きいダイナミックレンジおよび高い対象物速度である。
【００３８】
三角測量によって測定されない局部的なエラー箇所の識別はここではグレー画像分析によって行われる。
【００３９】
三角測量の弱点である、小さい局部的なエラー箇所の識別は、センサ領域２２における付加的なグレー画像評価によって可能である。２つの評価は、１つのセンサのみを必要とする。これは２つのセンサから成るシステムと比べて、装置コスト、ユーザーの手間およびメンテナンスコストを格段に低減させる。必要な場所および生じるコストは、２つのセンサを取り付ける場合よりも格段に少ない。用途としては、溶接レーザを案内するための溶接エッジの識別、全ての種類の溶接接合部の質の監視、接着剤ビードの質の監視並びに、表面特性の監視が同時に行われる場合の表面の幾何学的形状の監視がある。
【００４０】
ユーザーはこの新たなセンサシステムによって、高い周波数を有する、一般的に受け入れられる光切断方法に従った３Ｄ測定を行うことができる。
【００４１】
局部的なエラー箇所の検査は同じシステムで行われる。ユーザーは別のセンサシステムを設置する必要はない。
【００４２】
本出願では、本発明の有利な実施形態を説明したが、本発明はこれに制限されるものでなく、以下の特許請求の範囲に記載された別の方法で実施することが可能であることを示唆しておく。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】プレート溶接時のレーザ溶接過程の概略図である。
【図２】２つの領域を有するセンサの概略図である。
【図３】概略的にセンサの読み出しを示す図である。
【図４】メモリへのセンサの読み出しを概略的に示す図である。
【図１】
2009515705.tif 000003
【図２】
2009515705.tif 000004
【図３】
2009515705.tif 000005
【図４】
2009515705.tif 000006
【国際調査報告】
2009515705.tif 000007
2009515705.tif 000008
2009515705.tif 000009
2009515705.tif 000010