Særtryk af: teknisk nyt nr. 13 - 200924

Visionteknologi

Af Finn Mengel og Simon B. HoffgaardI svejsesammenhænge bruges visi-on normalt enten foran svejsestedet til at styre svejsehovedets bevægel-se - eller efter svejsningen for at kon-trollere svejsesømmens kvalitet.Lyset fra selve svejsestedet er så ekstremt kraftigt, at det er yderst vanskeligt at anvende vision til at optage selve smeltebadet og efter-følgende benytte billederne til kon-trol af processen.Nu åbner to nyudviklinger imidler-tid muligheder for at bruge vision i smeltebadet til forbedret styring og efterkontrol af både laser- og lysbue-svejseprocesser: CMOS kameraer med ekstra stort dynamikområde samt en svejsemonitor med kraftige laser fl ash lamper til belysning af svejsestedet.

Den traditionelle metodeTil styring af svejsehovedet anven-des ofte en profi lmåler, hvor en laser-linje projiceres ned på tværs af svej-

Vision direkte i smeltebadetBrug af vision i svejsesammenhænge er ofte besværliggjort af, at lyset fra selve svejsestedet er

ekstremt kraftigt - og forstyrrer traditionel vision. Dette er nu løst med CMOS kameraer og specielle svejsemonitorer, hvilket gør det muligt at anvende vision direkte i smeltebadet og derved forudsige

svejsningens kvalitet meget tidligt i processen

sesømmen. Et kamera ser linjen fra siden, bestemmer højdeprofi len og bruger informationen til at styre be-vægelsen af svejsehovedet. En tilsvarende profi lmåler kan op-måle svejsesømmen efter svejsnin-gen og bestemme, om svejsningens a-mål og geometri er inden for de forudbestemte tolerancer.Et generelt problem med laserprofi l-måling af metalliske emner med va-rierende overfl adebeskaffenhed og struktur er, at lysintensiteten, som kameraet modtager fra forskellige dele af laserlinjen, kan variere meget både i tid og sted.Et traditionelt visionkamera med CCD sensor kan kun operere inden for et snævert dynamikområde, og kraftig overbelysning af et enkelt område af sensoren spredes let ud over hele billedet og gør det uanven-deligt.

CMOS kameraerCMOS kameraer er meget mere modstandsdygtige over for overbe-

Billede 1. Laserprofi lmåling.(Foto: Migatronic Automation A/S).

Det schweiziske fi rma Photonfo-cus har introduceret ni nye CMOS kameraer baseret på de egenud-viklede CMOS billedsensorer A1312 og A1312I - optimeret til henholdsvis det synlige og det nær-infrarøde område (op til 1100 nm).Begge sensorer har en opløsning på 1312 x 1082 pixels og en mak-simal billedhastighed på 110 bil-leder/sek (bps) i fuld opløsning.MV1-D1312 versionerne med 12 bit data kan operere med et eks-tra højt dynamikområde på hele 120 dB - takket været Photonfo-cus’ patenterede LinLog tekno-logi med en programmerbar re-spons, som er lineær ved lave lys-intensiteter og tilnærmet logarit-misk ved høje intensiteter.Den maksimale billedhastighed på 110 bps ved fuld opløsning kan øges til over 1000 bps ved at redu-cere billedarealet, der er frit pro-grammerbart i begge retninger.Som noget helt unikt kan man de-fi nere multiple delområder med forskellige optageparametre, så de mørke områder i billedet bliver fremhævet, uden at de lyse områ-der påvirkes.Kameraerne leveres både i ind-kapslet version som board-level kamera eller som separat modul uden cameralink interface til ind-bygning i embeddede visionsy-stemer.

▼

Særtryk af: teknisk nyt nr. 13 - 200926

lysning end CCD kameraer, så derfor er det en fordel at benytte CMOS ka-meraer til profi lmåling af metalliske emner.Selv om billedet af laserlinjen er voldsomt overbelyst, tværes billedet ikke ud og kan stadig bruges til pro-fi lbestemmelse - dog med reduceret nøjagtighed.Normale CMOS visionkameraer ar-bejder med et dynamikområde på 50-60 dB.Med CMOS teknologien er det imid-lertid muligt at designe en billed-sensor, så der kan opnås et meget større dynamikområde, hvorved ka-meraet kan se både de mørke nuan-cer og meget høj lysintensitet sam-tidigt.Et eksempel på dette er LinLog tek-nologien, der er udviklet og patente-ret af det schweiziske fi rma Photon-focus, der i Danmark forhandles af Mengel Engineering.

Photonfocus kameraet kan program-meres til et dynamikområde på hele 120 dB. Det høje dynamikområde gør kame-

raet velegnet til detaljeret efterkon-trol af svejsesømme.Laserprofi lering kan bestemme sømmens profi l - men ikke tilstede-værelsen af små revner eller porer i svejsningen. De skal fi ndes ved at analysere et normalt 2D gråskalabil-lede. Sensorer med LinLog kameraet an-vendes af fl ere bilfabrikker til kontrol af tyndpladesvejsninger for porer og huller.

On-line styring af svejsningEn grundig kvalitetskontrol af de færdige svejsninger er helt essentiel, men når man opdager en fejl, er det ofte for sent at gøre andet end at re-parere eller kassere emnet. Hvis man arbejder med emner, der ikke kan efterbearbejdes eller som består af meget dyre råmaterialer, kan fore-komst af svejsefejl gå hen og blive meget omkostningskrævende.Der er derfor et behov for at kunne forudsige svejsningens kvalitet så tidligt i processen, at man stadig kan nå at korrigere svejseparame-trene og sikre kvaliteten. Det vil i praksis sige, at man skal måle di-rekte i smeltebadet og korrigere, in-den svejsningen når at størkne. Her er der også mulighed for at bru-ge vision. Hvis man - mens der svej-ses - kan videooptage smeltebadet og bestemme dets størrelse og form, har man gode input til at regulere svejseparametrene på plads, inden metallet størkner.Videooptagelser direkte af smelte-badet kræver dog helt specielt hard-ware og optagebetingelser. Lyset fra svejsningen og den termiske strå-ling fra det glødende metal er så stærk, at det vil blænde et alminde-ligt visionkamera.

• CMOS kamera til lasersvejsningLasersvejseprocesser er generelt enklere at optage med vision end lysbuesvejsninger. Photonfocus ka-meraet med højt dynamikområde kan bruges direkte uden ekstra be-lysning både til CO

2 og YAG svejs-

ning for at bestemme størrelsen af både keyhole og smeltebad.

• Svejsemonitor til lysbuesvejsningLysbuesvejsning er en meget vold-sommere proces end lasersvejsning og udsender langt kraftigere lys. Og selv et kamera med højt dynamik-område kommer til kort.Til at overvåge både laser- og lys-buesvejsning har det fi nske fi rma Cavitar udviklet en svejsemonitor, der benytter en ekstern diodelaser til at belyse svejsestedet. Cavitar re-præsenteres ligeledes af Mengel Engineering.

Svejsemonitoren består af en pulset infrarød laser med en bølgelængde på 808 nm og en spidseffekt på 500 W.I kombination med et smalbåndet optisk fi lter, der fi ltrerer det meste af svejselyset fra, kan laseren »overdø-ve« svejsefl ammen, se igennem lys-buen og give klare billeder.

Billede 4. Cavilux svejsemonitor med ka-mera, power supply og kontrol pc.

Billede 3. Optagelse af smeltebad under svejsning af 0.9 mm tin-coated stål med Lin-Log kamera. Kameraet er monteret i en 6 kW CO

2 lasersvejser og ser coaxialt med la-

seren ned på emnet.

Billede 2. Princippet i en sensor til kon-trol af lasersvejsninger i tyndplade: To laserlinjer til profi lmåling optages samti-digt med et gråskalabillede, som analy-seres for at identifi cere porer og revner i svejsningen. Det store dynamikområde i kameraet gør det muligt at få et velbe-lyst gråskala billede, uden at laserlinjer-ne bliver overbelyst.

Visionteknologi

▼

Særtryk af: teknisk nyt nr. 13 - 200928

lede fra en videosekvens af en MIG-svejsning).Cavilux svejsemonitoren er i sin nu-værende udgave et monitorerings-system til manuel optimering af svejsningen og til optagelse af vi-deodokumentation af både proces og kvalitet overfor kunden.

Det specielle ved Cavilux svejsemo-nitoren er den patenterede belys-ningslaser, hvis lys er næsten helt inkohærent, så videooptagelsen bli-ver fri for den grynede struktur, der normalt følger med laserbelysning. Helt skarpe billeder er essentielle for, at man med den efterfølgende billedanalyse kan få pålidelige må-linger af smeltebadets position og form.Da både selve smeltebadet og det omgivende metal er belyst, er det let at bestemme smeltebadets størrelse og form og samtidig kontrollere den størknede svejsning og den omgi-vende overfl ade for sprøjt og andre defekter (se billede 5 - der viser bil-

Billede 6. Et enkelt billede fra en videooptagelse af MIG svejsningen optaget med Cavilux svejsemonitor. En dråbe smeltet svejsetråd er fanget svævende under trå-denden, lige inden dråben rammer smeltebadet.

Billede 5. Cavilux svejsemonitor i te-stopstilling i Migatronic Automations svejselaboratorium.

Visionteknologi

I næste generation vil monitoren blive udvidet til et egentligt kontrol-system, der i real-time analyserer videobillederne og beregner styre-signaler til svejsemaskinen og ro-botten for at optimere svejsningens kvalitet.

■