DD215399A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von fehlern auf oberflaechenschichten - Google Patents

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern auf Oberflaechen wird eingesetzt zur Erkennung von Fehlern auf Oberflaechen von vorwiegend bandfoermigen Materialien beispielsweise beim Walzprozess oder in der Weiterverarbeitung solcher Baender. Ziel der Erfindung ist es, die Fehler auf der Oberflaeche von Materialien sicher zu ermitteln, um damit die Qualitaetsanforderungen an das Endprodukt besser zu erfuellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche bei hoechsten Anforderungen an das Aufloesungsvermoegen die Unterscheidung verschiedener Fehlerarten einschliesslich der Unterscheidung von mechanischen Beschaedigungen und farblichen Oberflaechenveraenderungen ohne Anwendung aufwendiger optischer Filtereinrichtungen gestatten. Das erfindungsgemaesse Verfahren besteht darin, dass mit einer optischen Einrichtung, die zeilenweise einen Laserstrahl ueber die zu pruefende Oberflaeche fuehrt, die Helligkeit des von der zu pruefenden Oberflaeche direkt reflektierten Laserstrahls von einem Fotoempfaenger gemessen wird, waehrend gleichzeitig die Helligkeit des in der Umgebung des direkt reflektierten Strahls auftretende Streulicht von mehreren Fotoempfaengern gemessen wird, wobei die erhaltenen Signale nach bekannten Verfahren registriert und ausgewertet werden. Das Verfahren eignet sich besonders zur Kontrolle der Qualitaet von Aluminiumbaendern und -blechen waehrend des Walzprozesses und ihrer Weiterverarbeitung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern auf Oberflächenschichten

Anwendungsgebiet fler

Das Verfahren zur Erkennung von Fehlern auf Oberflächen wird eingesetzt zur Erkennung von Fehlern auf Oberflächen von vorwiegend bandförmigen Materialien beispielsweise beim Walzprozeß oder in der Weiterverarbeitung solcher Bänder, bei denen es neben der reinen Erfassung der Fehlerstellen noch erforderlich ist, verschiedene Fehler nach ihrer Art und ihrer Herkunft zu beurteilen und in entsprechende Klassen einzuordnen. Das Verfahren eignet sich speziell zur Überwachung des

Kaltwalzprozesses metallischer Werkstoffe auch bei zwischengeschalteten Wärmebehandlungsstufen und bei der

Weiterverarbeitung dieser Materialien zu Halbzeugen oder Endprodukten.

Weiterhin sind Anwendungsmöglichkeiten vielfältiger Art vorhanden, wenn die zu prüfende Oberfläche einen Mindestreflexionsgrad, der von Beleuchtungsstärke und Empfindlichkeit der Fotoempfänger bestimmt wird, aufweist.

pharakteji^ffi Lösungen

Auk? der Vielzahl der existierenden Verfahren zur Oberflächenprüfung sollen nur die erwähnt werden, bei denen mittels eines Lichtstrahles die Oberfläche des zu prüfenden Materials zellenförmig senkrecht zu einer Bewegungsrichtung abgetastet und das reflektierte oder gestreute Licht über Fotoempfänger in elektrische Signale umgewandelt wird.

Bei verschiedenen Meßverfahren wird mittels einer geeigneten optischen Vorrichtung das multispektrale Licht einer Lichtquelle auf die Oberfläche des Prüflings in einem Abtastfleck fokussiert und das bei fehlerhafter Oberfläche auftretende Streulicht über Sammeleinrichtungen einem oder mehreren Fotoempfängern zugeleitet. Xn der OS 28 27 704 werden farbige Fehler auf der Oberfläche dadurch erkannt, daß aus dem multispektralen Licht der Abtasteinheit verschiedene Farbauszüge ausgefiltert werden und die Oberfläche mit mehreren Lichtstrahlen unterschiedlicher Spektralbereiche gleichzeitig geprüft wird. Die Auswertung des Streulichts der einzelnen Lichtstrahlen gestattet die Unterscheidung eines Farbfehlers von mechanischen Beschädigungen.

Diese prinzipiell gute Prüfmethode weist aber einige Wachteile auf, die allen Verfahren der Erzeugung von Lichtstrahlen aus einer multispektralen Lichtquelle eigen sind. Die Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels auf eine größere Entfernung ist aus einer multispektralen Lichtquelle nicht möglich,, so daß der auf dem Prüfling fokussierte Lichtstrahl divergiert und über Sammeleinrichtungen dem Fotoempfänger zugeleitet oder eine reine Streulichtmessung durchgeführt werden muß· Je nach Einfallswinkel des Lichtstrahles auf die

zu prüfende Oberfläche erzeugt ein mechanischer Oberflächenfehler, beispielsweise ein Kratzer, entsprechend seiner lagenmäßigen Orientierung und seiner örtlichen Lage auf der Oberfläche bei gleichartigen Fehlern eine recht unterschiedliche Streuung des lichtstrahls und damit recht unterschiedliche Signalamplituden· Eine Fehlererkennung ist damit zwar möglich, jedoch kaum eine ausreichende Klassierbarkeit nach Fehlerintensität· Außerdem sind die zur Verfügung stehenden optischen Filter relativ breitbandig, so daß auch die damit erzeugten Teillichtstrahlen noch eine größere Bandbreite besitzen, wodurch das Auflösungsvermögen insgesamt

eingeschränkt wird·

Die beschriebenen Nachteile besitzt ein optisches Oberflächenpriifsystem, welches zur Abtastung den hinreichend parallelen und streng monochromatischen Lichtstrahl eines Lasers verwendet, nicht· Da mit einer Laseranordnung höchstes Auflösungsvermögen bezüglich der Fehlergröße bis in die Nähe der Walzstruktur erreichbar ist, arbeiten heute zahlreiche Geräte nach diesem Verfahren. Nachteilig bei der hier notwendigerweisen Verwendung des streng monochromatischen Lichtstrahles ist das zunächst fehlende Unterscheidungsvermögen zwischen mechanischen und farblichen Fehlern. Entsprechend dieser Einsatzcharakteristik finden derartige Geräte hauptsächlich dort Anwendung, wo auf hohes Auflösungsvermögen, z. B. Textilbahnen, Fadenrißkontrolleinrichtungen usw·, und weniger auf die Fehlerursache geachtet werden muß·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Fehler auf der Oberfläche von Materialien sicher zu ermitteln, um damit die Qualitätsanforderungen an das Endprodukt besser zu erfüllen·

fleg,,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche bei höchsten Anforderungen an das Auflösungsvermögen die Unterscheidung verschiedener Fehlerarten einschließlich der Unterscheidung von mechanischen Beschädigungen und farblichen Oberflächenveränderungen ohne Anwendung aufwendiger optischer PiItereinrichtungen gestatten· Es wurde gefunden, daß mit einer geeigneten optischen Einrichtung über die zu prüfende Oberfläche ein laserstrahl geführt und die Messung der Helligkeit des Lichtfleckes auf der zu prüfenden Oberfläche durch mehrere lichtempfindliche Einrichtungen erfolgt, wobei die Helligkeit des von der zu prüfenden Oberfläche direkt reflektierten Laserstrahls von einem Fotoempfänger gemessen wird, während gleichzeitig die Helligkeit des in der Umgebung des direkt reflektierten Strahles auftretenden Streulichtes von mehreren, vorwiegend zwei, Weiteren Fotoempfängern gemessen wird, in der Weise, daß die das Streulicht messenden Fotoempfänger ein Summen-, Differenz- und/oder Verhältnissignal liefern, welches über eine geeignete elektronische Auswerteschaltung mit dem Signal des Fotoempfängers, welcher die Helligkeit des direkt reflektierten Laserstrahles mißt, derart verknüpft ist, daß aus den unterschiedlichen Signalpegeln der genannte Fotoempfänger sich Entscheidungen über Intensität, Umfang, Art und Herkunft der Fehler ableiten lassen, daß sich insbesondere trotz Verwendung des monochromatischen Laserstrahls Oberflächenverfärbungen von mechanischen Oberflächenfehlern und riefenförmigen Fehlern von matten oder blanken Stellen unterscheiden lassen·

Ausführungsbeiapiel

In Pig. 1a bis Pig. 1e ist jeweils ein Ausschnitt der Pötoempfängerebene mit dem Gesichtsfeld von mindestens drei Fotoempfängern dargestellt« Das zweckmäßigerweise quadratische Gesichtsfeld des Potoempfängers 1 liegt

genau im reflektierten Hauptstrahl, während die runden Gesichtsfelder der Potoempfanger 2 und 3 der Erfassung des Streulichtes dienen.

Pig« 1a zeigt die optische Erscheinung bei der Prüfung einer einwandfreien polierten Pläche. Der Laserstrahl wird von der Oberfläche reflektiert und trifft punktförmig auf dem Potoempfanger 1 auf. Streulicht ist nicht vorhanden.

Pig. 1b stellt die optische Erscheinung bei der Abtastung von fehlerfreiem Walzgut dar. Der reflektierte Hauptstrahl wird durch die Walzstruktur der Oberfläche zu einem leuchtenden Band mit hoher Leuchtdichte aufgefächert und in der Umgebung erscheint ein schwaches diffuses Streulicht, welches von den Potoempfängern 2 und 3 erfaßt wird.

Pig. 1c zeigt die optische Erscheinung bei einem Farbfehler auf dem Walzgut· Da Anlauffarben, Glühschatten und ähnliche Parberscheinungen immer einen größeren Spektralbereich umfassen, wird auch das Reflexionsvermögen für den monochromatischen Laserstrahl verändert und der reflektierte Hauptstrahl gegenüber der in Pig. Tb dargestellten Weise gedämpft· Da aber die Oberflächenstruktur erhalten geblieben ist, wird im Farbfehlerbereich auch das Streulicht im gleichen Verhältnis wie der reflektierte Hauptstrahl gedämpft.

Pig· 1d stellt die optischen Verhältnisse beim Auftreten von riefenartigen Fehlern, Kratzern usw, dar· Der reflektierte Hauptstrahl wird nach Intensität des Fehlers mehr oder weniger gedämpft, während das Streulicht in gleicher Weise verstärkt wird· Gleichzeitig erscheint im Streu» lichtfeld ein von den Kratzerflanken reflektierter Teilstrahl, der den gleichen Winkel zum reflektierten Hauptstrahl aufweist wie die Kratzerrichtung zur Walzstruktur.

Fig. 1e zeigt schließlich das Fehlerbild einer ausgedehnten mechanischen Beschädigung, wie es von Blasen, Schleif spuren, matten Stellen und Überwalzungen hervorgerufen

wird· Der vom Fotoempfänger 1 aufzunehmende reflektierte Hauptstrahl ist stark bedämpft, während ein starkes Streulicht die Gesichtsfelder aller drei Fotoempfänger fast gleichmäßig ausleuchtet·

Eine geeignete optische Vorrichtung zur Nutzung der in Fig· 1a bis 1e geschilderten optischen Erscheinungen ist in Fig. 2 dargestellt· Die zellenförmige Abtastung einer Oberfläche durch ein System, weiches aus einem Laser, einem rotierenden Polygonspiegel oder oszillierenden Kippspiegel, einem Plan- und einem Zylinderspiegel besteht, ist bekannt· Zur Sammlung des gestreuten oder reflektierten Lichtes werden teilweise Lichtleitstäbe, Faseroptiken, weitere Spiegel oder Linsen eingesetzt, die aber jeweils nur die Nutzung eines Teiles der in Fig. 1a bis 1e dargestellten Erscheinungen gestattet. Ein Sonderfall der in Fig. 2 dargestellten optischen Einrichtung gestattet jedoch die meßtechnische Auswertung aller in Fig. 1a bis 1e gezeigten Erscheinungen und damit die Beurteilung der Fehler nach Art und Herkunft ohne weitere optische Einrichtungen zur Sammlung des gestreuten oder reflektierten Lichtes. Im gewünschten Fall

wird der sich drehende Polygonspiegel derart angeordnet, daß die Strecke Polygonspiegel - Planspiegel - ZyIlad@rspiegel gleich der doppelten Brennweite, d. h· dem Spiegelradius entspricht· In diesem Fall wird der von der zu prüfenden Oberfläche reflektierte Hauptstrahl unabhängig von seinem jeweiligen Ort auf der zu prüfender^ Oberfläche immer einen Schnittpunkt im Raum aufweisen, in welchem der Fotoempfänger 1 angeordnet ist· Die Entfernung Zylinderspiegel - zu prüfende Oberfläche - Fotoo empfänger 1 entspricht damit gleichfalls dem Radius des Zylinderspiegels·

Weitere im Streulichtbereich angeordnete Fotoempfanger₉. Fotoempfänger 2 und 3 in Fig· 2, erfassen gleichseitig den Streulichtanteil,so daß aus den Signalamplituden der einzelnen Fotoempfänger bei einer geeigneten elektronischen Auswertung die in Fig. 1a bis 1e gezeigten Verhältnisse erfaßt werden und in entsprechender logischer Verknüpfung die Fehler in bestimmte Klassen nach Art und Herkunft eingeordnet werden können·

Da im Gegensatz zum reflektierten Hauptstrahl die ä Streulichtverteilung von der örtlichen Lage des Oberflächenfehlers abhängig ist, soll zunächst aus den Signalen der Streulichtfotoempfänger ein Summensignal zur weiteren Verarbeitung gebildet werden· Wird von den Streulichtempfängern 2 und 3 oder einer entsprechenden Gruppenanordnung zusätzlich noch das Differenzsignal oder der Quotient gebildet, kann man auf die Lage der Längsachse eines Fehlers schließen·

Bei den nachstehenden Betrachtungen zur Unterscheidung verschiedener Fehler muß beachtet werden, daß eine einwandfreie polierte Oberfläche kein Streulicht liefert und damit an den Streulichtempfängern ein elektrischer Nullpunkt erhalten wird, während der reflektierte Haupt»

strahl eine hohe Helligkeit aufweist und der entsprechende Potoempfänger einen hohen elektrischen Signalpegel erzeugt. Fehler erzeugen somit bei den Streulichtempfängern ein ansteigendes elektrisches Signal bei gleichzeitigem Absinken des Signalpegeis des Empfängers für den reflektierten Hauptstrahl.

Die üblichen Blechoberflächen erzeugen infolge einer gewissen Oberflächenstruktur bereits im Normalzustand einen geringen Streulichtanteil, der jedoch nur einen minimalen, nicht störenden Grundpegel bei den Streulichtempfängern bewirkte

Von einwandfreien Oberflächen lassen sich nach einmaliger Kalibrierung unterscheiden:

1. Farbfehler

Das Verhältnis des Summensignales der Streulichtfotoempfänger und des Signales des Fotoempfängers bleibt gegenüber dem einer einwandfreien Oberfläche annähernd konstant, während beide Signalamplituden geringer werden·

2. Riefen, Kratzer und Risse

Das Summensignal der Streulichtfotoempfänger erhöht sich gegenüber dem einer einwandfreien Oberfläche, während der Fo toeaipfanger 1, der den reflektierten Hauptstrahl erfaßt, ein schwächeres Signal liefert.

3. ausgedehnte mechanische Das Summensignal der Streu-Pehler, matte Stellen lichtfotoempfänger wird sehr usw. hoch, während sich das Signal

des Fotoempfängers 1 stark verringert, wobei alle Fotoempfänger bei gleicher Empfindlichkeit annähernd gleiche Signalamplituden liefern·

Unbeschadet von der Einordnung in die drei genannten Hauptklassen können innerhalb dieser Hauptklassen in bekannter Weise über einstellbare Verstärker mit Kippverhalten, Trigger usw. weitere Klassierungen nach Intensität und/oder Ausdehnung dieser Fehler erfolgen·

Das Blockschaltbild einer geeigneten elektronischen Auswerteeinheit ist in Fig. 3 für den speziellen Fall der Prüfung von Aluminiumbändern dargestellt, wobei die Anwendung dieser Schaltung keinesfalls auf diesen Einsatzfall beschränkt ist.

Das Signal des Fotoempfängers 1 wird durch den Verstärker auf einen weitervererbe!tbaren Pegel angehoben und mehreren Schwellwertschaltern 5·1 bis 5·η auf bekannter Weise zugeführt. Einelaus η-Logik ist Bestandteil der Logikeinheit 6, die ihrerseits die Signalbereitstellung für die Zähler 13.1 bis I3.n bewirkt. Um die geforderte Abtrennung der Farbfehler und der breiten mechanischen Fehler von Kratzern, Riefen und Rissen zu ermöglichen, wird das verstärkte Signal des Fotoempfängers 1 durch ein Filter 7 von schmalen Impulsspitzen befreit und im Verstärker 8, der die Filterverluste ausgleicht, verstärkt einem weiteren Schnellwertschalter 9 zugeführt·

Parallel dazu wird im Summierverstärker 10 die Signaladdition der Streulichtfotoempfängersignale 2 und 3 vorgenommen und ebenfalls einem Schwellwertschalter 11 aufgeschaltet*

Die Signale der Kippverstärker 9 und 11 werden in der Logikeinheit 12 so verarbeitet, daß die Trennung von Farbfehlern und breiten mechanischen Fehlern erfolgt· Zur weiteren Verarbeitung werden diese Signale dann der Logikeinheit 6 aufgeschaltet, die die Verknüpfung mit den Signalen der Kippverstärker 5*1 bis· 5·η und die Ausgabe in den einzelnen Fehlerklassen bewirkt. Die elektronische Auswerteeinheit kann den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Claims (5)

Erfindungsanspruch

1 und 2, gekennzeichnet dadurch.

daß sie aus mehrflächigen Drehspiegel (16), Planspiegel (17), Zylinderspiegel (18) und Fotoempfänger (i) besteht, wobei die Entfernung Drehspiegel (16) - Planspiegel (17) - Zylinderspiegel (18) genau dem Radius

des Zylinderspiegels (18) entspricht und die Entfernung Zylinderspiegel (18) - zu prüfende Oberfläche (19) - Fotoempfänger (1) gleich dem Radius des Zylinderspiegels (18) ist·

1. Verfahren zur Erkennung von Fehlern auf Oberflächen», insbesondere von Folien, Blechen oder sonstigen bandförmigen Erzeugnissen mit einer geeigneten Optischen Einrichtung, die zeilenweise einen Laserstrahl über die zu prüfende Oberfläche führt, gekennzeichnet dadurch.

daß die Helligkeit des von der zu prüfenden Oberfläche direkt reflektierten Laserstrahls von einem Fotoempfanger (1) gemessen wird, während«gleichzeitig die Helligkeit des in der Umgebung des direkt reflektierten Strahls auftretende Streulicht von mehreren Fotoempfängern (2) und (3) gemessen wird, wobei die erhaltenen Signale nach bekannten Verfahren registriert und ausgewertet werden, daß aus den unterschiedlichen Signalpegeln der Fotoempfänger sich Entscheidungen über Intensität, Umfang, Art und Herkunft des Fehlers ableiten lassen, daß sich insbesondere trotz Verwendung des monochromatischen Laserstrahls Oberflächenverfärbungen von mechanischen Oberflächenfehlern und riefenförmige Fehler von matten oder blanken Stellen unterscheiden lassen·

2· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch.

daß mindestens zwei weitere Fotoempfänger (2) und (3) zur Messung des Streulichtes eingesetzt werden·

« 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt

4· Vorrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Gesichtsfeld des den von der zu prüfenden Oberfläche direkt reflektierten Laserstrahl messenden Fotoempfanger (1) durch eine Blende quadratisch oder rechteckförmig eng um den direkt reflektierten Strahl begrenzt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 bis 3, ,^ekennzeichnet „dadurch. daß durch eine elektronische Auswerteeinheit, die neben den üblicherweise verwendeten Verstärkern (8) und Schwellwertschaltern (11) ein Filter (7) zur Trennung von breiten und schmalen Fehlerimpulsen in einem zweiten Signalweg des Fotoempfängers (1) mit nachfolgendem Verstärker (8) und dem Kippverstärker (9),einem Summier- oder Rechenverstärker (10) im Signalzweig der Potoempfanger (2) und (3) und/ oder weiteren Fotoempfängern mit nachgeschaltetem Schwellwertschalter (11) und einer Logikeinheit (12), in der die Entscheidung zwischen Oberflächenfehlern durch Farbabweichungen und mechanischen Beschädigungen getroffen wird und eine weitere Logikeinheit (6) zur Klassierung und Ausgabe der Daten aufweist·

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