DD157828A1

DD157828A1 - Messvorrichtung und verfahren zur beruehrungslosen pruefung der geometrie und oberflaechenbeschaffenheit von koerpern,insbesondere feinkeramischer erzeugnisse

Info

Publication number: DD157828A1
Application number: DD81227297A
Authority: DD
Inventors: Otto Hoffmann; Dieter Jeschke
Original assignee: Otto Hoffmann; Dieter Jeschke
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-01-29
Publication date: 1982-12-08
Also published as: DE3146834A1; GB2093987B; GB2093987A; IT1150371B; IT8247672A0; IT8247672A1

Abstract

Die Erfindung soll die bisher in der Feinkeramik ueblichen subjektiven Kontrolltechnologien abloesen und durch ein automatisches Verfahren ersetzen, welches in der Lage ist, reproduzierbare Messwerte zu erzeugen und danach das Pruefobjekt nach vorgegebenen Auswertkriterien zu beurteilen und jeweils einer bestimmten Qualitaetskategorie zuzuordnen. Zur Erfassung der Informationsmengen eines Pruefobjektes dient ein beruehrungslos arbeitendes optisches Erfassungssystem, welches mehrere Ansichten des Objektes gleichzeitig abbildet und ueber opto-elektrische Wandler ein Impulstelegramm liefert mit Daten fuer eine Mikroprozessor gestuetzte Auswertung mit nachfolgender Klassifikation der Pruefobjekte. Die verschiedenen Ansichten des Pruefobjektes werden durch zeilenweise Abtastung waehrend des Transportes ermittelt. Dadurch ergibt sich eine hohe Leistungsfaehigkeit des Verfahrens gegenueber visuellen Methoden, welches im wesentlichen durch die Abarbeitungsgeschwindigkeit des Programmes in Verbindung mit mikroelektronischen Bauelementen bestimmt wird. Es ist dementsprechend der Einsatz des Verfahrens vorzugsweise fuer Grosserienproduktion geeignet.

Description

H/2S7

VE Wissenschaftlich-technischer · Betrieb Keramik

825 · Meißen, Ossietzkystraße 37 a

Meßvorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit von Körpern, insbesondere feinkeramischer Erzeugnisse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie und Oberfläche von Körpern mit heller Oberfläche, insbesondere weißer feinkeramischer Erzeugnisse· Meßvorrichtung und Verfahren ermöglichen eine berührungslose Erfassung der für die Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit charakterisierenden Werte während des Durchlaufes des Körpers sowie eine maschinelle mathematische Auswertung der erfaßten Werte, um durch Gegenüberstellung mit vorgegebenen Qualitätskriterien den geprüften Körper in eine Qualitätskategorie einzustufen·'

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind für geometrische Messungen an Körpern Lösungen bekannt, die sich jeweils auf ein bestimmtes Erzeugnis beschränken und meist durch Analogmessungen diese Erzeugnisse bewerten· Dafür werden pneumatische oder mechanische Abroll- oder Abtas.tvor richtungen eingesetzt· Weiterhin sind öptomechanische Verfahren bekannt, die mittels Lichtstrahlabtastung eine Vermessung von Körpern vorneh-

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men· Diese Verfahren erfordern alle einen erheblichen feinmechanischen Aufwand· '·

Bekannt sind auch Meßvorrichtungen und Verfahren zur beruh» rungslosen gleichzeitigen Bestimmung der Höhe und Parallelität von durchlaufenden Körpern«

Bei weiteren Einrichtungen werden Rotations- oder Schwingungsspiegel verwendet, die'Lichtimpulse vom zu vermessenden Objekt auf Empfänger geben und damit die Messung ermöglichen·

Ziel der Erfindung ·

In der feinkeramischen Industrie sind alle gefertigten Erzeugnisse _einer Qualitätseinstufung zu unterziehen. Die Qualitätseinstufung bestimmt die Preisgruppe, der das Erzeugnis' zugeordnet wird*

Alle Prüfvorgänge, die zur Qualitätseinstufung erforderlich sind, werden bislang visuell und manuell ausgeführt» Auf Grund dieser Prüfungsmethode sind subjektive Fehler häufig und die Messung ist leicht manipulierbar· Die Erfindung hat das Ziel, die für die beauftragte Arbeitskraft anstrengende visuelle Prüfung abzulösen und außer der Arbe.itserleichterung eine Leistungssteigerung zu gewährleisten bei gleichzeitigem Wegfall der bei der subjektiven Prüfmethode möglichen Fehler»

Vorzugsweise sollen feinkeramische Erzeugnisse, wie Teller, Schalen und Tassen geprüft werden» Darüberhinaus lassen sich beliebige Erzeugnisse prüfen, sofern sie eine mathematisch einfach beschreibbare Geometrie aufweisen und Ober* flächenfehler kontrastreich gegenüber der Oberflächengrundhelligkeit auftreten*

Als Kriterien für die Einstufung von feinkeramischen Erzeugnissen in Qualitätskategorien dienen die vorhandenen Randdeformationen und Anzahl sowie Größe von Flecken auf der allseitigen Oberfläche,,

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß werden die Meßwerte, die .zur Beschreibung der für die Prüfung erforderlichen geometrischen Punkte und der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich sind, mittels einer horizontal liegenden, besser jedoch zwei symmetrisch zueinander auf einer gemeinsamen optischen Achse befindlichen optischen Projektionseinrichtungen, deren optische Achse parallel zur Transportebene verläuft und/oder mit ihr zusammenfällt und einer vertikal stehenden, günstiger jedoch zwei auf einer gemeinsamen optischen Achse befindlichen optischen Projektionseinrichtungen, deren optische Achse 90 senkrecht auf der horizontalen Achse steht, wobei sich beide optischen Achsen auf oder oberhalb der Transportebene schneiden und somit die Meßebene bilden, die weiterhin so angeordnet sind, daß die Mitte des Prüfobjektes das Zentrum der Meßebene passieren kann·

Das zu prüfende Erzeugnis, das sich optisch deutlich vom Hintergrund abheben muß, wird mit definierter Geschwindigkeit entlang der Transportebene durch die Meßebene transportiert·

CJede Projektionseinrichtung enthält ein aus der Optik bekanntes Linsensystem, mittels dem auf der Abbildungsseite ein Bild der jeweiligen Ansicht des Prüfobjektes auf der Empfangsseite eines fotoelektrischen Wandlers, der in der Lage ist, eine Rasterung des Bildinhaltes sowie helligkeitsproportionale Wandlung vorzunehmen, erzeugt wird.

Das jeweils in der Meßebene befindliche linienhafte Abbild wird taktweise in Zusammenwirken mit der in Bezug zur Meßebene vorhandenen Relativbewegung des Prüfobjektes als elektrisches Impulstelegramm konstanter Länge zyklisch von allen in der Meßebene angebrachten Wandlern abgefordert und einer zentralen Auswerteeinrichtung zugeführ-t, wo die ein-

zelnen Projektionen so.verknüpft.werden, daß die wahren Größen des PrüfObjektes in horizontaler und vertikaler Richtung ermittelt und nach Durchlauf des Prüfobjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zugeführt und nach Identifizierung des Prüfobjektes sowie nach Gegenüberstellung mit vorgegebenen Grenzwerten eine Einstufung des Prüfobjektes in die entsprechende Qualitätsklasse erfolgen kann«

Weiterhin werden die Impulstelegramme dazu benutzt, Farbabweichungen der Oberfläche gegenüber der Grundfarbe der Prüfobjekte zu bestimmen, zu lokalisieren und nach Durchlauf des Prüfobjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zuzuführen, in der die Größenverhältnisse der festgestellten Farbabweichungen, vorzugsweise sichtbare Flecken, bewertet und bei der Qualitätseinstufung berücksichtigt werden«.

Es ist möglich, auf Grund der elektronischen Auswertung die Qualitätseinstufung der Prüfobjekte durch Einbeziehung von Ergebnissen anders gearteter Prüfungen, wie zusätzlich abgetastete mechanische Größen von deformierten Böden und/ oder Schallemmissions-, Infrarot~Messungen komplex zur Auffindung von Rissen, reliefartigen Oberflächenfehlern zu präzisieren.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: die schematisch dargestellte Meß- und Transportvorrichtung mit horizontal und vertikal angeordneten Projektionssystemen als Schnitt aus der Vorderansicht

Fig» 2: . Meß- und Transportvorrichtung in der Draufsicht

Fig* 3: eine perspektivische Darstellung· der Meß- und Transportvorrichtung mit horizontal und vertikal angeordneten Projektionssystemen in der Meßebene ·

Fig. 4: .eine Darstellung zum Erkennen der für die Berechnung der tatsächlichen Abmessungen erforderlichen Größen« .

Mit 1 ist ein Transportsystem bezeichnet, auf dem das Prüfobjekt 2, im dargestellten Beispiel ein feinkeramisches Flachgeschirr, durch die Meßebene 6 bewegt wird. In der Meßebene 6 befinden sich zwei horizontale Projektionssysteme, bestehend aus Optiken 3.1 und lichtempfindlichen Zeilensensoren 4.1, deren gemeinsame optische Achse 5*1 in Höhe der Standfläche des Prüfobjektes 2 verläuft sowie zwei vertikale Projektionssysteme mit den Optiken 3.2 und den lichtempfindlichen Zeilensensoren 4.2, deren gemeinsame optische Achse 5.2 um 90 Grad versetzt zur optischen Achse 5.1 durch die Mittellinie der Transportebene 7 verläuft und sich im gleichen. Punkt mit der optischen Achse 5.1 schneidet.

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- 6 .-

Die Projektionssysteme, im einfachsten Fall nach dem Prinzipder Lochkamera aufgebaut, jedoch wegen größerer Lichtausbeute mit optischen Linsensystemen und Abblendeinrich~ tungen ausgerüstet, enthalten in der Abbildungsebene licht» empfindliche elektronische Sensoren mit zellenförmig angeordneten Rasterelementen in Form bekannter elektronischer Bildaufnahmeröhren oder äquivalenter Halbleiterbauelemente, die in. der Lage sind, eine Zeile des projezierten Bildes in der Helligkeit in proportionale elektrische Spannungen umzuwandeln.

Bei taktweiser Abforderung der elektrischen Spannungen je einer Zeile der lichtempfindlichen Zeilensensoren 4.1 und 4*2, gesteuert durch den Intervallimpulsgeber 8, entsteht ein elektrisches Impulsdiagramm mit konstanter Länge, das die maßstäbliche in der Projektionsperspektive dargestellten geometrischen Verhältnisse des' Prüfobjektes 2 widerspiegelt und aus dem, in der Folge mittels bekannter mathematischer Zusammenhänge, die zum Zwecke einer maschinellen Auswertung durch elektronische Rechenschaltungen, vorzugsweisedurch Einsatz von Mikroprozessortechnik, die tatsächlich vorhandenen geometrischen Abmessungen des Prüfobjektes 2 errechnet werden können·

Der für die Messung erforderliche Gleichlauf zwischen taktweiser Impulsentnahme der Helligkeitswerte und der Durchlaufgeschwindigkeit des Prüfobjektes 2 wird durch die vom Intervallimpulsgeber 8 gelieferten Impulse hergestellt, während der Antrieb des Transportsystems 1 und somit der Weitertransport des Prüfobjektes 2 über einen drehzahlgeregelten Antrieb 9 erfolgt.

In Fig« 4 sind die für die mathematische Auswertung erforderlichen Größen dargestellt« Es bedeuten E und E_ =. Abstand des Optikmittelpunktes zum Schnittpunkt aller optischen Achsen

e. und e„ = Abstand des Opti-ktnittelpunktes zur Abbildungsebene -:,

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A, B · = tatsächliche Abmessungen am Objekt a, .b = die in der Abbilduhgsebene dargestellten Abmessungen A und B '.

Die Schnittpunkte der beiden Grenzmeßstrahlen, d. h. die Stellen, an denen ein Übergang von dunkel auf hell bzw* umgekehrt am Rande des Objektes erfolgt, aus den zwei um 90 Grad versetzten Projektionen beinhalten die beiden gesuchten Meßgrößen in horizontaler und vertikaler Richtung.

Aus den beiden Grundgleichungeh . _ a . (E - B)

⁶I

_{B b} b . (E₂ - A)

⁶2

lassen sich die am Prüfobjekt vorhandenen Maße bestimmen. Diese Gleichungen'sind jedoch nur für die Lochkamera und sogenannte "dünne Linsen" gültig. Bei Verwendung "dicker Linsen" muß eine Korrektur mit Konstanten entsprechend dem eingesetzten Objektiv erfolgen.

Diese mathematischen Zusammenhänge werden nach jeder abgetasteten Zeile mittels bekannter Rechentechnik, vorzugsweise jedoch mit elektronischer Mikroprozessortechnik, bearbeitet, um im Ergebnis die tatsächlichen Werte für die Abmessungen am Prüfobjekt 2 zu erhalten. Auf Grund des kontinuierlichen Transportes des Prüfobjektes 2 durch die Meßebene 6 erfolgt eine Auswertung der abgetasteten Zeilen und der errechneten Maße A und B, Nach Durchlauf des gesamten Prüfobjektes 2 liegen alle absoluten Maße vor und eskann ein Vergleich mit den .vorgegebenen Idealmaßen eines Vergleichsobjektes erfolgen, um eine Einstufung in vorgegebene Qualitätsstufen vorzunehmen.

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Da jeder zu vermessende Punkt durch zwei um 90 Grad versetzte Abbildungen erfaßt und in der Auswertung definiert wird, werden Versetzungendes Prüfobjektes 2 außerhalb der Mittellinie der Transportebene 7 zwangsläufig kompensiert«, Die aus den projezierten Abbildungen gebildeten Impulsdiagramme enthalten außer den Maßen der Außenkanten des Prüf-Objektes 2 noch Informationen über die Beschaffenheit der Oberlfäche, speziell Angaben über Helligkeitsunterschiede, die fleckförmig auftreten« Lage und Größe der Flecke werden durch bekannte elektronische Auswerteverfahren ermittelt, indem jede abgetastete Zeile, deren Impulstelegramm den Helligkeitswert jeder Stelle der abgetasteten Zeile enthält, im Bereich der Oberfläche des Prüfobjektes 2 hin» sichtlich'Helligkeitsunterschiedes und deren Länge unter» sucht wird* Die Lage der Flecke jeder Zeile wird dabei durch geeignete bekannte elektronische Speicherverfahren bis zum Abschluß der. Abtastung des gesamten Prüfobjektes 2 gespeichert und im Anschluß mittels bekannter elektronischer Auswerteverfahren die Gesamtfehlerfläche und deren geometrische Lage auf dem Prüfobjekt 2 ermittelt. In der anschließenden Gesamtauswertung werden alle gemessenen und errechneten Kriterien und solche, die nicht aus dem hier beschriebenen Verfahren stammen, Sollwerten, die den Idealwerten des Prüfobjektes 2 mit ihren zulässigen Toleranzen entsprechen, gegenübergestellt und durch bekannte Verfahren, vorzugsweise der elektronischen Mikroprozessortechnik, ausgewertet und als Steuersignal für eine automatische Qualitätseinstufung angegeben. · . Die Vorrichtung ist ohne .mechanische Umstellung zum Prüfen der unterschiedlichsten Erzeugnisse geeignet, sofern sie sich in Dimensionen bewegen, die innerhalb der Abbildungsebene liegen und deren Oberfläche gegenüber dem Hintergrund einen deutlichen Kontrast aufweisen. Es ist lediglich ein erzeugnisspezifisches Datenmaterial erforderlich, wobei die Umstellung von einem auf einen anderen Prüf objekttyp in gegenüber der erreichbaren Prüfzeit in vernachlässigbaren Zeiträumen erfolgt.

Die Prüfzeit und davon ausgehend, die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in erster Linie von der Arbeitsgeschwindigkeit des eingesetzten Mikroprozessors und ferner, von der geforderten Anzahl der Rasterelemente pro Zeile, das heißt der geforderten Auflösung, abhängig. Bei einer dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden Taktfrequenz des Mikroprozessors von 2,5 MHz für den Logikteil, die gleichzeitig zur Abforderung der Helligkeitswerte der Zeilenraster benutzt wird, ergibt sich bei einem Prüfobjektdurchmesser von 250 mm und einer Prüfobjekthöhe von 125 mm bei einem Auflösungsvermögen bis 0,5 mm entsprechend je 500 Rasterelementen pro Zeile in den vertikalen Projektionssystemen und zu 250 Rasterelementen in den waagerechten Projektionssystemen, also insgesamt 1500 abzufordernder Helligkeitswerte, eine Abtastzeit pro Zeile von 0,6 ms zuzüglich einer für die Zeilen-, auswertung erforderlichen Zeit von 0,2 ms* Vorausgesetzt, es handelt sich um ein Prüfobjekt mit einem Verhältnis Länge zu Breite von 1:1, zum Beispiel bei einem konzentrisch geformten feinkeramischen Flachgeschirr, ergibt sich eine Gesamtprüfzeit von 400 ms pro Prüfobjekt· In der weiteren Annahme, daß die lichten Abstände zwischen den auf einem Transportband kontinuierlich der Meßvorrichtung zugeführten Prüfobjekte den Durchmessern der Prüf Objekte ' entsprechen, ergibt sich eine Leistung von 4500 Stück pro Stunde.

Claims

Erfindungsansprüche ·

1« Meßvorrichtung zur berührungslosen Prüfung der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit.von Körpern, insbesondere von feinkeramischen Erzeugnissen, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontal liegende, günstiger jedoch 2 symmetrisch zueinander auf einer gemeinsamen optischen Achse befindliche optische Projektionseinrichtung (3,1), deren optische Achse (5*1) parallel zur Transportebene (7) verläuft und/oder mit ihr zusammenfällt und einer vertikal stehenden, günstiger jedoch 2 auf--einer gemeinsamen optischen Achse befindliche optische Projektionseinrichtung (3,2), deren optische Achse (5„2) 90 Grad senkrecht auf der horizontalen Achse (5,1). steht, wobei sich beide optische Achsen (5*1 und 5„2) auf oder oberhalb der Mittellinie der Transportebene (7) schneiden und damit die Meßebene (6) bilden, so zueinander angeordnet sind, daß die Mitte des PrüfObjektes (2) etwa ,auf der Mitte der Transportebene (7) das Zentrum der Meßebene (6 mit 5«1 und 5.2) kontinuierlich passieren kann·

2. Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie von Körpern, insbesondere von feinkeramischen Erzeugnissen, mit Mitteln der.Elektronik und Datenverarbeitung unter Verwendung geeigneter Umwandlungsverfahren, die, linienhafte Projektionen in elektrische Spannungsbilder umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbilder in Form von Impulstelegrammen konstanter Länge, die in direkter Beziehung und Abhängigkeit zur Bildauflösung und damit zur Transportgeschwindigkeit stehen, abgefordert, einer zentralen elektronischen Auswerteeinrichtung zugeführt und die einzelnen Projektionen so miteinander verknüpft.werden, daß die wahren Größen des Prüfobjektes in horizontaler und vertikaler Richtung in der jeweiligen Meßebene ermittelt und nach Durchlauf des Prüfobjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zugeführt und nach Identifizierung des Prüfobjektes und nach Gegenüberstellung der jeweils vorgegebenen Grenzwerte zum Einstufen in die entsprechenden Qualitätsklassen benutzt werden« ·

Verfahren nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit der Prüfobjekte die Jmpulstelegramme dazu benutzt werden, stellenweise Abweichungen der Farbe des Prüfobjektes gegenüber der Grundfarbe zu bestimmen, zu lokalisieren und nach Durchlauf des Prüfobjektes durch die. Meßebene einer Gesamtauswertung zuzuführen, in der die Größenverhältnisse der festgestellten Farbabweichungen, vorzugsweise Flecke, bewertet und nach Gegenüberstellung der jeweils vorgegebenen Grenzwerte zum Einstufen in die entsprechenden Qualitätsklassen benutzt werden.

Verfahren nach Punkt 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtauswertung nach Durchlauf des Prüfobjektes durch die Meßebene in Verbindung mit anderen Meßwerten bzw. Signalen, wie zum Beispiel zusätzlich abgetastete mechanische Größen von deformierten Böden, und/oder Schallemmissions-, Infr.arot-Messung zur Auffindung von Rissen, reliefartigen Oberflächenfehlern erfolgen kann, wenn sie zur komplexen Beurteilung des PrüfObjektes geeignet sind.

lteöiLj3-Seiten Zeichnungen