DE10006663B4

DE10006663B4 - Verfahren zur Vermessung von langwelligen Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE10006663B4
Application number: DE2000106663
Authority: DE
Inventors: Jean Dr. Blondeau
Original assignee: Metronom AG
Current assignee: Metronom Automation GmbH
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: DE10006663A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung von langwelligen Oberflächenstrukturen auf einem flächigen Prüfling (5), insbesondere Karosseriebauteil bei welchem ein Muster infraroten Lichtes (11) auf den Prüfling (5) gestrahlt wird, das von dem Prüfling spiegelnd reflektierte Infrarotlichtmuster (13) mit einer Infrarotkamera (7) aufgenommen wird und das Lichtmuster nach der Reflexion zur Feststellung von Oberflächenstrukturen auf dem Prüfling (5) analysiert wird, wobei zur Analyse des Lichtmusters ein Vergleich des reflektierten Lichtmusters (13) mit einem Referenzmuster vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung von langwelligen Oberflächenstrukturen auf flächigen Bauteilen.
Dabei bedeutet "langwellig" eine Größenordnung, die über die Rauigkeit des Materials hinausgeht, wie z.B. bei Beulen, Dellen und Welligkeit.

Bei der Fertigung flächiger Bauteile, z.B. Karosseriebauteilen, entsteht oftmals die Notwendigkeit, diese vor einer Weiterverarbeitung zu überprüfen. Dabei sollen langwellige Oberflächenstrukturen, wie Beulen, Dellen oder Welligkeiten detektiert und vermessen werden. So sollen z.B. beim Karosseriebau entsprechende Blechteile nach der Formung geprüft werden, bevor sie lackiert bzw. eingebaut werden. Dabei soll z.B. festgestellt werden, ob eine gewünschte Oberflächenqualität erreicht worden ist, oder ob eine unerwünschte Oberflächenqualität vorliegt.

Andererseits kann bei der Entwicklung einer neuen Formtechnik oder eines neuen Formwerkzeuges mit Hilfe eines entsprechenden Überprüfungsverfahrens die Genauigkeit der mit der neuen Technik bzw. dem neuen Werkzeug hergestellten Teile überprüft werden.

Es ist dabei seit längerem bekannt, die Prüflinge mit Strukturen im sichtbaren Spektralbereich zu beleuchten und das Bild des Prüflings zu analysieren. Dazu können entsprechende Bildanalyse- und Messverfahren, wie Gray-Code- oder Phasenshift-Verfahren eingesetzt werden, um die lateralen Ausmaße bzw. die Tiefe entsprechender Oberflächenstrukturen zu analysieren.

Bei den genannten Verfahren sind lange Mess- und Auswertezeiten nötig, die bis zu einer halben bis einer Minute dauern können.

Bei vielen Produktionsprozessen ist ein solcher Zeitraum bereits ein signifikanter Verzögerungsfaktor. Z.B. bei der modernen Karosserieteil-Serienproduktion würde eine individuelle Überprüfung der einzelnen Bauteile, die jeweils eine solche Zeit in Anspruch nimmt, die Serienproduktion in unerwünschter Weise verlängern.

Werden andererseits die Messzeiten auf ein erträgliches Maß reduziert, so erhält man nur eine qualitative Auswertung oder eine ungenaue Auflösung. Informationen über die genauen Maße und Tiefen von Oberflächenstrukturen können so nicht mehr erhalten werden.

Eine bessere Auflösung und kürzere Messzeiten werden erreicht, wenn man den Prüfling mit einem Beleuchtungsmuster bestrahlt und das reflektierte Licht aufnimmt und analysiert. Dabei wird die Veränderung des Beleuchtungsmusters durch die Reflexion herangezogen, um die Oberflächenstrukturen zu vermessen.

Um ein solches Verfahren mit ausreichender Genauigkeit anwenden zu können, muss ausreichende spiegelnde Reflexion vorliegen, so dass spiegelnde Oberflächen notwendig sind. Z.B. bei der Metallverarbeitung, wie dem Karosseriebau, müssen jedoch auch matte Oberflächen analysiert werden können. So wäre es z.B. wünschenswert, ein Metallteil direkt nach dem Formen auf seine Genauigkeit zu überprüfen. Um dies Reflexionsverfahren dennoch anwenden zu können, werden daher heutzutage die matten Oberflächen eingeölt, lackiert oder mit Aufhellern bearbeitet, um ausreichend glatte Oberflächen zu erzeugen, die zur spiegelnden Reflexion sichtbaren Lichtes geeignet sind.

Das Bauteil muss also vor der Überprüfung vorbehandelt, lackiert bzw. geölt werden und nach der Überprüfung gegebenenfalls wieder gereinigt werden, was wiederum eine Verzögerung bedeutet.

Aus der WO 96/09518 ist ein Verfahren bekannt, in dem ein Muster infraroten Lichtes auf einen Prüfling gestrahlt wird und das von diesem Prüfling diffus abgestrahlte Licht von einer Kamera aufgenommen wird und analysiert wird. Die WO 96/09518 zeigt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der WO 98/055963 ist ein Verfahren bekannt, in dem ein Muster optischen Lichtes mit einem Referenzmuster verglichen wird. Die WO 98/055963 zeigt auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe Oberflächenstrukturen bei kurzer Messzeit und genauer Auflösung detektiert werden können.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der flächige Prüfling mit einem Muster infraroten Lichtes bestrahlt. Das direkt reflektierte Infrarotlicht wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen und das reflektierte Muster zur Feststellung der Oberflächenstruktur analysiert.

Bei typischerweise auftretenden Oberflächenrauigkeiten, z.B. bei der Verarbeitung von Metall ohne weitere Oberflächenbehandlung, wird sichtbares Licht diffus reflektiert, d.h. die Oberflächen sind nicht spiegelnd. Von der größeren Wellenlänge infraroten Lichtes werden jedoch die typischen Oberflächenrauigkeiten, die im sichtbaren Bereich zu matten Oberflächen führen, in der Regel nicht aufgelöst, so dass die Oberfläche im Infraroten spiegelnd reflektiert.

Durch das Bestrahlen mit einem infraroten Lichtmuster und dessen Auswertung kann also die spiegelnde Reflexion des Lichtmusters im Infrarotbereich direkt zur Analyse eingesetzt werden. Es ist keine Oberflächenbehandlung einer rauen Oberfläche mehr notwendig. Der Überprüfungsvorgang wird dadurch signifikant verkürzt und kann auch in Prozessen eingesetzt werden, in denen nur einige Sekunden für die Überprüfung eines flächigen Bauteiles zur Verfügung stehen, ohne dass die Auflösung und Genauigkeit beschränkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Auflösung von wenigen Mikrometern bei Meß- und Auswertezeiten von wenigen Sekunden und es ist ohne Einsatz von Aufhellern, Lackieren oder Einölen anwendbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt dazu eine Infrarotlichtquelle zur Verfügung, die ein definiertes Lichtmuster aussendet, das auf den Prüfling gerichtet werden kann. Eine Infrarotkamera ist vorgesehen, mit deren Hilfe das vom Prüfling reflektierte Lichtmuster aufgenommen werden und einer Analyseeinheit zugeleitet werden kann.

Das Signal kann entweder direkt ausgewertet oder mit dem eingestrahlten Lichtmuster verglichen werden. Z.B. wird das reflektierte Lichtmuster mit einem vorher bestimmten Referenzmuster für eine ideale Oberfläche verglichen, um so aus der Veränderung des Lichtmusters die Oberflächenstruktur der Oberfläche zu bestimmen. Bei bekanntem eingestrahlten Lichtmuster kann so auf sehr leichte Art und Weise die Oberflächenstruktur direkt vermessen werden.

Es können verschiedene infrarote Lichtmuster eingesetzt werden. Vorteilhaft für die spätere Analyse ist jedoch ein strichförmiges Lichtmuster. Ein solches strichförmiges Lichtmuster dient zur Analyse von nur einem Bereich des Prüflings, so dass die genaue Lage einer eventuell auftretenden Oberflächenstruktur leicht festgestellt werden kann.

Ein solches strichförmiges Lichtmuster kann z.B. senkrecht zu der Ausdehnung des Striches über den gesamten Prüfling gerastert werden, um den gesamten Prüfling zu testen. Um eine schnellere, parallele Messung zu ermöglichen, wird ein gitterförmiges Streifenmuster auf den Prüfling gestrahlt und mit der Infrarotkamera aufgenommen. Durch Auswertung der einzelnen reflektierten Strichmuster wird in einem parallelen Prozess direkt der gesamte Prüfling analysiert.

Das Lichtmuster kann einfacherweise mit Hilfe einer Infrarotlampe und einer entsprechend geformten Blende erzeugt werden.

Im Fall eines strichförmigen Lichtmusters ist es möglich, einen Glühdraht einzusetzen, der infrarotes Licht in der gewünschten Form aussendet. Bei einem streifengitterförmigen Lichtmuster kann eine entsprechend gitterförmig angeordnete Glühdrahtanordnung verwendet werden. Der Einsatz entsprechender Glühdrahtanordnungen machen die Verwendung einer Blende unnötig, deren möglicherweise ungenaue Ausrichtung die Messgenauigkeit begrenzen könnte.

Das von der Infrarotkamera aufgenommene Licht kann mit verschiedenen Verfahren ausgewertet werden. Z.B. kann mit Hilfe einer Umwandlungseinrichtung in ein sichtbares Lichtmuster umgewandelt werden und z.B. auf einem Bildschirm dargestellt werden.

Besonders einfach und vorteilhaft ist jedoch eine Fourier-Analyse eines reflektierten Streifenmusters. Die Auswertung von Fourier-Spektren kann mit bekannten Verfahren direkt zur Bestimmung der Maße der einzelnen Oberflächenstrukturen benutzt werden. So lassen sich Tiefe und Ausdehnung der einzelnen Oberflächenstrukturen und deren ggf. vorhandene Perioden leicht und schnell feststellen.

Für großflächige Prüflinge, die nicht im Aufnahmebereich eines Bildes der Infrarotkamera erfasst werden können, kann vorteilhafterweise eine bewegliche Lagerung der Infrarotkamera vorgesehen sein, um den gesamten Prüfling untersuchen zu können. Andererseits kann auch die Infrarotlichtquelle beweglich vorgesehen sein, um den Prüfling überstreichen zu können. Andererseits kann auch der Prüfling beweglich aufgenommen werden und durch das Lichtmuster bewegt werden.

Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert erläutert. Dabei zeigt:
1 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
2 einen schematischen Aufbau einer weiteren Ausführungsform, und
3 ein Beispiel einer möglichen Auswertung des reflektierten Bildes.
1 zeigt eine Infrarotlampe 1. Das von dieser Lampe ausgestrahlte Licht 9 wird durch eine streifengitterförmige Blende 3 mit streifenförmigen Öffnungen 3a gestrahlt. Das so mit einem Muster behaftete Licht 11 trifft auf den Prüfling 5 mit in der Regel matter Oberfläche. Im Beispiel ist ein Autotürrohling nach dem Blechpressen gezeigt. Das von diesem Prüfling 5 spiegelnd reflektierte infrarote Licht wird von der Infrarotkamera 7 aufgenommen, dessen Ausgangssignal an die Analyseeinrichtung 15, z.B. eine Datenverarbeitungsanlage, gegeben wird.
Die Analyseeinheit 15 umfasst einen Speicher, in dem entsprechende Referenzdaten abgelegt sind, die bei der Untersuchung eines idealen Prüflings erwartet werden.
2 zeigt eine Ausführungsform, in der die Infrarotlampe 1 und die Streifengitterblende 3 durch eine Anordnung 30 paralleler Glühdrähte 30a ersetzt ist. Die Glühdrähte 30a werden dabei von der Stromquelle 30b gespeist.
3 zeigt im linken Teil ein typisches Reflexionsmuster, das mit einer erfindungsgemäßen Anordnung hergestellt wird und von der Infrarotkamera 7 ausgegeben wird. Im rechten Teil der 3 ist ein daraus ermitteltes Fourier-Spektrum gezeigt, das zur Analyse der Oberflächenstrukturen eingesetzt wird. Aufgetragen ist die Intensität gegen die räumliche Frequenz f.
Eine erfindungsgemäße Anordnung kann z.B. direkt im Anschluss an eine Presse bei der Karosserieherstellung angeordnet sein, um die gepressten Teile direkt auf ihre Genauigkeit zu überprüfen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform wie folgt durchgeführt:
Der Prüfling 5, z.B. ein Karosserieteil, wird dem infraroten Lichtstreifenmuster ausgesetzt, das von der infraroten Lampe 1 in Verbindung mit der streifengitterförmigen Blende 3 erzeugt wird. Der unbehandelte Prüfling hat in der Regel eine matte Oberfläche, die sichtbares Licht diffus reflektiert.
Infrarotes Licht hat eine Wellenlänge im Mirometerbereich, also größer als die typische Oberflächenrauigkeit der Prüflinge, so dass das eingestrahlte infrarote Lichtmuster spiegelnd reflektiert wird. Das spiegelnd reflektierte infrarote Lichtmuster wird mit Hilfe der Infrarotkamera 7 aufgenommen. Durch die Reflexion an dem Prüfling verändert sich das streifenförmige infrarote Lichtmuster und es entsteht z.B. ein Muster wie es im linken Teil der 3 sichtbar ist. Die Form des reflektierten Musters hängt direkt von der Oberflächenform des Prüflings ab. Beulen, Dellen oder Welligkeiten spiegeln sich in entsprechend verzerrten Linien wider.
Das Ausgangssignal der Infrarotkamera wird an die Analyseeinrichtung 15 geleitet. Dort können alle möglichen Analyse- und Messverfahren angewendet werden. Dort wird z.B. das verzerrte infrarote Lichtmuster oder die Differenz des verzerrten Musters und eines Referenzmusters wie bei einer Falschfarbenkamera auf einem Bildschirm dargestellt, wobei den verschiedenen Infrarotfrequenzen entsprechende sichtbaren Frequenzen zugeordnet worden sind.
Zur schnellen Analyse, wie sie z.B. in Produktionsprozessen bei der Karosserieherstellung notwendig ist, werden die einzelnen Streifen des verzerrten reflektierten infraroten Lichtmusters z.B. einer Fourier-Analyse unterzogen. Dazu wird entweder ein Referenzmuster, das für eine ideale Oberflächen erwartet wird, von dem verzerrten Muster abgezogen und die Differenz der Fourier-Analyse unterzogen. Alternativ kann zuerst eine Fourier-Analyse des verzerrten Musters vorgenommen werden, wobei ein Fourierspektrum ähnlich dem im rechten Teil der 3 gezeigten entsteht, und von diesem dann das Fourier-Spektrum eines Referenzmusters abgezogen werden.
Zur absoluten Vermessung wird kein Referenzmuster bzw. Referenzspektrum abgezogen.
Mit bekannten Bildanalyseverfahren lässt sich daraus jeweils die Oberflächenstruktur des Prüflinges direkt bestimmen. Im Speziellen lassen sich die Perioden von langwelligen Oberflächenstrukturen, die Tiefe von Oberflächenstrukturen und deren laterale Ausdehnung aus den Fourier-Spektren in bekannter Weise sehr genau bestimmen.
Die Auswerteeinheit 15 kann auch so eingerichtet sein, dass ein Signal ausgegeben wird, wenn ein Schwellwert der Intensität im Fourierspektrum überschritten wird, oder wenn eine Struktur im Fourierspektrum vorliegt, die auf eine unerwünschte Oberflächenstruktur hinweist.
Die Dimensionen der streifenförmigen Blende 3 richten sich nach dem Bereich des Prüflings, dessen Oberflächenstruktur untersucht werden soll. Die Anzahl der streifenförmigen Öffnungen in der streifengitterförmigen Blende 3 richtet sich nach der gewünschten Auflösung. Je kleiner der Abstand zwischen zwei Streifen ist, desto größer ist die Auflösung von Oberflächenstrukturen in einer Richtung senkrecht zu der Ausdehnung der Streifen.
Ist der Prüfling größer als der von dem Lichtmuster bestrahlte Bereich, so wird dieser durch das Lichtmuster bewegt und das reflektierte Lichtmuster zeitabhängig aufgenommen und analysiert. Alternativ kann die Infrarotlampe 1 und/oder das Streifengitter 3 entsprechend zur Beleuchtung verschiedener Bereiche des Prüflings bewegt werden. Auch dann erfolgt die Aufnahme durch die Kamera 7 und die Analyse durch die Analyseeinrichtung 15 zeitabhängig.
Bei beweglicher Lagerung der Infrarotkamera 7 ist es möglich, dass diese auch Prüflinge 5 untersucht, deren Ausmaße größer sind als der von der Kamera 7 erfassbare Bildbereich.
Mit der zweiten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, wird das Verfahren in analoger Weise durchgeführt. Dabei ist die streifenförmige Blende 3 und die Infrarotlampe 1 durch die streifenförmige Anordnung 30 von Glühdrähten 30a ersetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann alleine oder in Kombination mit anderen Verahren zur Oberflächenuntersuchung angewendet werden.
Durch den Einsatz eines infraroten Lichtmusters können auch matte Oberflächen, wie sie z.B. typischerweise bei der Metallverarbeitung im Karosseriebau vorkommen, mit dem sehr genauen Verfahren der Analyse eines spiegelnd reflektierten Lichtmusters untersucht werden.
Es ist keine Vorbehandlung der Oberflächen mehr notwendig, so dass eine signifikante Zeiteinsparung und Erhöhung der Genauigkeit erreicht wird.

Claims

Verfahren zur Erkennung von langwelligen Oberflächenstrukturen auf einem flächigen Prüfling (5), insbesondere Karosseriebauteil bei welchem ein Muster infraroten Lichtes (11) auf den Prüfling (5) gestrahlt wird, das von dem Prüfling spiegelnd reflektierte Infrarotlichtmuster (13) mit einer Infrarotkamera (7) aufgenommen wird und das Lichtmuster nach der Reflexion zur Feststellung von Oberflächenstrukturen auf dem Prüfling (5) analysiert wird, wobei zur Analyse des Lichtmusters ein Vergleich des reflektierten Lichtmusters (13) mit einem Referenzmuster vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das von der Infrarotkamera (7) ausgegebene Signal und das Referenzmuster Fourier-analysiert werden und die Differenz der Resultate der Fourier-Analysen für die Feststellung der Oberflächenstrukturen verwendet wird oder in welchem die Differenz zwischen dem von der Infrarotkamera ausgegebenen Signal und dem Referenzmuster Fourier-analysiert wird und das Resultat der Fourier-Analyse für die Feststellung der Oberflächenstruktur verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, in welchem ein strichförmiges Lichtmuster infraroten Lichtes (11) auf den Prüfling (5) gestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem das strichförmige Lichtmuster infraroten Lichtes eine parallele Anordnung mehrerer Striche infraroten Lichtes in Form eines Streifengitters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem das strichförmige infrarote Lichtmuster mit Hilfe eines Glühdrahtes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die parallele Anordnung der strichförmigen infraroten Lichtmuster (11) mit Hilfe einer streifengitterförmigen Glühdrahtanordnung (30) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem das infrarote Lichtmuster mit Hilfe einer Infrarotlampe (1) und einer entsprechend geformten, zwischen der Infrarotlampe (1) und dem Prüfling (5) angeordneten Blende (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, in welchem die Blende (3) parallele strichförmige Öffnungen (3a) in Form eines Streifengitters aufweist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse von Oberflächenstrukturen von Metallteilen, insbesondere Karosseriebauteilen.
Vorrichtung zur Vermessung von langwelligen Oberflächenstrukturen flächiger Prüflinge (5), insbesondere von Karosseriebauteilen mit einer Infrarotlichtquelle (1, 3, 30), die ein definiertes Lichtmuster aussendet und auf einen Prüfling (5) gerichtet werden kann, einer Infrarotkamera (7), mit der das von dem Prüfling (5) spiegelnd reflektierte Licht (13) aufgenommen werden kann, einer Analyseeinheit (15) zur Analyse des von der Infrarotkamera (7) aufgenommenen Bildes, welche eine Speichereinheit zur Ablage von Referenzdaten umfasst, und die so konfiguriert ist, dass die Analyse auf Grund eines Vergleichs des Lichtmusters (13) mit einem Referenzmuster erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten infraroten Lichtmusters eine Infrarotlampe (1) und eine entsprechend geformte Blende (3) zwischen der Infrarotlampe (1) und dem Prüfling (5) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten Lichtmusters einen entsprechend geformten Glühdraht umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die Infrarotlichtquelle zur Erzeugung eines definierten Lichtmusters eine parallele Anordnung (30) von Glühdrähten (30a) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, in welcher die Analyseeinrichtung (15) eine Umwandlungseinheit von infrarotem Licht in ein sichtbares Muster umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, in welcher die Analyseeinrichtung (15) eine Einrichtung zur Durchführung einer Fourier-Analyse umfasst und so konfiguriert ist, dass das von der Infrarotkamera (7) ausgegebene Signal und das Referenzmuster Fourier-analysiert werden und die Differenz der Resultate der Fourier-Analysen für die Feststellung der Oberflächenstrukturen verwendet wird oder so konfiguriert ist, dass die Differenz zwischen dem von der Infrarotkamera ausgegebenen Signal und dem Referenzmuster Fourier-analysiert wird und das Resultat der Fourier-Analyse für die Feststellung der Oberflächenstruktur verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, in welcher die Infrarotkamera (7) beweglich gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, in welcher die Infrarotlichtquelle (1, 3, 30) beweglich gelagert ist.