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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Glanzmessungsvorrichtung,
insbesondere für eine
Oberfläche
eines Kunststoffprofilabschnitts, bestehend aus wenigstens einem
Messtisch, einer Linearführungseinrichtung
mit einer entlang wenigstens einer Bewegungsachse verschiebbaren
Klemmeinrichtung, eine Antriebseinrichtung zum Verfahren der Klemmeinrichtung
und einem Oberflächenmessgerät.
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Kunststoffprofile,
aber beispielsweise auch Stahlbänder,
Holz, Leder oder Fliesen werden typischerweise mit hoher Abzugsgeschwindigkeit
kontinuierlich hergestellt und werden während der Herstellung im allgemeinen
nur visuell kontrolliert. Bei der Herstellung der Produkte können Oberflächenfehlstellen
auftreten, die während
des Herstellungsprozesses nicht oder nur schlecht festgestellt werden können. Einzelne
Oberflächendefekte,
wie z. B. stark glänzende
oder matte Bereiche, können
dazu führen, dass
die Produkte nicht mehr verkaufbar sind. Bereiche mit stark unterschiedlichem
Glanz verlaufen bei extrudierten Kunststoffprofilen parallel zur
Produktionsrichtung und besitzen eine Breite zwischen 0,5 und 15
mm.
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Bekannt
sind Glanzmessungsvorrichtungen, die mittels optischer Systeme den
Reflexionsgrad der Oberfläche
ermitteln, insbesondere tragbare Glanzmessgeräte, die an einem vorher vom
Benutzer ausgewähltem
Punkt der zu prüfenden
Oberfläche
aufgesetzt werden, wo dann eine Messung ausgelöst wird.
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Nachteilig
ist hier, dass die Oberfläche
nur stichprobenartig an einzelnen Positionen und nicht in der gesamten
Breite beurteilt werden kann. Außerdem kann eine ganz bestimmte
Oberflächenposition nicht
wiederholgenau untersucht werden, so dass es nicht möglich ist,
genaue Rückschlüsse auf
den Ort einer Schadstelle an dem Werkzeug für die Profilherstellung zu
ziehen.
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Weitere
Systeme für
die Untersuchung bewegter Oberflächen
sind bekannt, wie beispielsweise in der
DE 697 03 487 T2 beschrieben.
Nachteilig ist hierbei, dass sich das Gerät in der Produktionslinie befindet,
dass jedoch einzelne Prüfkörper nicht
untersucht werden können.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
zur Messung von Oberflächeneigenschaften,
die eine verfahrbare Messbrücke
mit einem Sensor aufweist, ist aus der
DE 196 05 520 C1 bekannt.
Die Vorrichtung dient der Schichtdickenmessung an Lackoberflächen. An
der Klemmeinrichtung kann ein Messgerät befestigt und über die
zu prüfende
Oberfläche
bewegt werden. Eine Glanzmessung an Kunststoffprofilabschnitten
ist mit der bekannten Vorrichtung nur schwer möglich, da Mittel zur Fixierung
und Ausrichtung des Prüfkörpers fehlen.
Außerdem
muss für eine
Glanzmessung das Glanzmessgerät
sehr eng über
die zu prüfende
Oberfläche
gefahren werden, um den Einfluss von Umgebungslicht zu minimieren.
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Dafür müsste entweder
jedes Mal das Glanzmessgerät
bis auf eine zu prüfende,
oben liegende Oberfläche
abgesenkt werden oder umgekehrt die zu prüfende Oberfläche bis
an ein in der Klemmeinrichtung eingespanntes Glanzmessgerät heran
geführt werden.
Zusätzlich
erforderlich ist in beiden Fällen die
Ausrichtung der zu prüfenden
Oberfläche,
die exakt parallel zur Bewegungsrichtung des Glanzmessgeräts ausgerichtet
sein muss. Eine schnelle Prüfung einer
großen
Anzahl von Stichproben, z.B. zur Überwachung einer Kunststoffhohlprofilherstellung
ist nicht möglich.
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Die
Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung zur
Messung der Oberflächenqualität von Prüfkörpern zur
Verfügung
zu stellen, die eine Beurteilung der gesamten Sichtflächen eines
Profils ermöglicht,
auch wenn diese nicht parallel zueinander sind, und mit der einzelne
Messungen an bestimmten Positionen wiederholgenau vorgenommen werden
können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
ein Prüfkörper, bei
dem es sich insbesondere um einen abgelängten Kunststoffprofilabschnitt
handelt, der planparallele Enden aufweist, zwischen einem Schenkel
des Basiselements und einer Klemmbacke eingespannt und genau über einem
Glanzmessgerät
positioniert werden.
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Dadurch,
dass die Glanzmessungsvorrichtung aus dem Messtisch heraus wirkt,
während
die Probe beweglich darüber
geführt
ist, muss der Probenkörper
beim Einführen
in die Klemmeinrichtung einfach nur mit seiner zu prüfenden Oberfläche auf die
Messtischoberfläche
aufgelegt werden, wodurch die exakte Ausrichtung der Oberfläche in Bezug
auf die Glanzmessungsvorrichtung erfolgt. Der Bediener muss keine
zeitraubenden Ausrichtungen vornehmen.
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Ein
Messvorgang wird ausgelöst
und die Probe wird anschließend
um eine feste Wegstrecke weiterbewegt. An der neuen Position erfolgt
eine weitere Messung. Dieser Vorgang wird nun solange wiederholt,
bis die gesamte Oberfläche
der Probe quer und/oder längs
zu Herstellungsrichtung gemessen worden ist.
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Aus
den so über
die Breite bzw. Länge
des Prüfkörpers in
bestimmten Abständen
aufgenommenen Messwerten kann auf dessen Oberflächenqualität geschlossen werden. Insbesondere
ist es möglich,
die Position von streifigen Fehlstellen zu bestimmen und anhand
dieser Ergebnisse das Werkzeug, durch das der Prüfkörper hergestellt ist, zu begutachten
und so zu verbessern, dass die Oberflächendefekte beseitigt werden.
Möglich
ist es also, über
die Eigenschaften des erzeugten Produkts auf den Zustand des eingesetzten
Werkzeugs zu schließen.
Gerade bei der Kunststoffextrusion kann die Qualität des Werkzeugs
nicht abschließend
im voraus durch Berechnung festgelegt werden, sondern erfordert
individuelle Anpassungen in Handarbeit und hängt damit von der Geschicklichkeit
und Erfahrung des Werkzeugbauers ab. Durch die erfindungsgemäße Glanzmessungsvorrichtung
ist nun die Ableitung einer objektiven Messzahl für die Güte des Werkzeugs möglich. Durch
deren Überwachung
im laufenden Betrieb können
Defekte am Werkzeug und/oder in den sonstigen Parametern der Produktion
frühzeitig erkannt
werden.
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Um
die Genauigkeit zu erhöhen,
insbesondere um die Auflösung
des Glanzmessgeräts
zu erhöhen,
und damit auch Streifen kleiner Breite am Prüfkörper erfassen zu können, ist
in einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung eine Schlitzblende vorgesehen, die auf den Messspalt
aufsetzbar ist, wodurch die Messstrahlbreite reduziert wird. Damit können auch
Fehlstellen kleiner Breite erkannt werden.
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Alternativ
kann zum Zwecke einer höheren Auflösung auch
ein Linsensystem mit veränderbarer Brennweite
vorgesehen sein, durch welches der Messstrahldurchmesser variierbar
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die
Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 die
erfindungsgemäße Glanzmessungsvorrichtung
in Draufsicht,
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2 die
Glanzmessungsvorrichtung von unten in der Vorderansicht,
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3 mit
der Erfindung ermittelte Glanzmesswerte in Diagrammdarstellung,
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4 einen
in die Glanzmessungsvorrichtung einge spannten Prüfkörper in
Seitenansicht und
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5 ein
Glanzmessgerät
mit zusätzlichen Linsen
in schematischer Seitenansicht.
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Die
in 1 dargestellte Glanzmessungsvorrichtung 100,
besteht im wesentlichen aus:
- – einem
Messtisch 10 mit einem Messspalt 11 und Linearführungseinrichtungen 12, 13;
- – einer
Klemmeinrichtung 20, in die ein Prüfkörper 30 einspannbar
ist und die entlang der Linearführungseinrichtungen 12; 13 verfahrbar
ist;
- – einer
Antriebseinrichtung zum streckenweisen Verfahren der Klemmeinrichtung 20,
und
- – einem
Glanzmessgerät,
das mit seiner Beleuchtungs- und Messeinrichtung an dem Messtisch
unterhalb des Messspalts angeordnet oder dort befestigbar ist und
das durch den Messspalt hindurch wirken kann.
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Die
Antriebseinrichtung ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine rotierbare
Spindel 14 gebildet, auf der eine mit der verfahrbaren Klemmeinrichtung 20 fest
verbundene Mutter rotiert. Die Spindel 14 wird über einen
Zahnriemen von einem unterhalb des Messtisches 10 angeordneten Motor 16 angetrieben.
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Die
Klemmeinrichtung 20 ist U-förmig ausgebildet. Ein Basiselement 21 steht
mit der Spindel 14 im Eingriff. Das Basiselement 21 umfasst
wenigstens zwei beabstandet parallel zueinander angeordnete Festanschlagelemente 21.1, 21.3,
die zugleich als Führungsschlitten
der Linearführungseinrichtungen 12, 13 dienen
bzw. mit solchen verbunden sind. Außerdem umfasst das Basiselement 21 eine
Quertraverse 21.2, die die beiden Festanschlagelemente 21.1, 21.3 verbindet.
Damit wird eine einseitig seitlich offene, in etwa U-förmige Konfiguration
gebildet, so dass die Breite des Prüfkörpers 30 nicht durch
die Breite der Festanschlagelemente 21.1, 21.3 begrenzt ist.
An wenig steps einem Festanschlagelement 21.3 ist eine parallel
verschiebbare Klemmbacke 22 gelagert. Diese kann beispielsweise über eine
Handkurbel 24 in Richtung des Festanschlagelements 21.1 verschoben
werden, so dass ein dazwischen eingesetzter Prüfkörper 30 geklemmt wird.
Der Prüfkörper 30 kann
nun über
die Klemmeinrichtung 20 mit seiner zum Messtisch 10 hin
gerichteten Oberfläche über das
unterhalb des Messspalts 11 angeordnete Glanzmessgerät 40 bewegt
werden.
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Wie
in 2 gezeigt, ist unterhalb des Messspalts 11 im
Messtisch 10 das Glanzmessgerät 40 angeordnet. Dieses
ist federnd gelagert und wird mit seinen Festanschlägen gegen
die Unterseite des Messtischs 10 gedrückt. Die Beleuchtungs- und
Messeinrichtung 41 des Glanzmessgeräts 40 liegt dabei innerhalb
des Messspalts 11 und zugleich mit seiner Messoberfläche bündig mit
der Messtischoberfläche, so
dass bei einem dicht über
die Messtischoberfläche geführten Prüfkörper der
Fremdlichteinfall, der zu Messfehlern führen könnte, stark reduziert ist.
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Die
Position der Probe wird durch einen Wegaufnehmer 45 erfasst.
Das Glanzmessgerät 40, der
Motor 16 und der Wegaufnehmer 45 sind mit einer
Auswertungseinheit 46 verbunden. Die Auswertungseinrichtung 46 dient,
in Verbindung mit einem Computer 47, der Verarbeitung und/oder
Visualisierung der mit dem Glanzmessgerät 40 aufgenommenen
Messwerte, die über
eine Datenleitung 42, beispielsweise eine serielle Schnittstelle, übertragen werden.
Möglich
ist, die Auswertungseinrichtung 46 in den Computer 47 zu
integrieren, bzw. deren Funktionen durch entsprechende Hard- und/oder
Software im Computer 47 abzubilden.
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Die
Glanzmessung mit der erfindungsgemäßen Glanzmessungsvorrichtung 100 wird
nachfolgend erläutert:
Ein
Prüfkörper 30 wird
als Abschnitt eines Kunststoffhohlprofils gebildet. Dessen Länge ist
so gewählt, dass
der Prüfkörper 30 zwischen
dem Festanschlagelement 21.1 und der Klemmbacke 22 der
Klemmeinrichtung auf dem Messtisch positionierbar ist. Über die
Handkurbel 24 wird die Klemmbacke 22 bewegt und
der Prüfkörper 30 eingespannt.
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Die
Lage des eingespannten Prüfkörpers 30 zeigt
insbesondere 4: durch die Quertraverse 21.2 ist
eine Anschlagkante gegeben, um den Prüfkörper 30 rechtwinklig
zur Bewegungsrichtung auszurichten. Seine zu prüfende Oberfläche 31, 32, 33 oder 34 wird
auf den Messtisch gelegt und dann mit der Klemmeinrichtung durch
Klemmung der parallelen Schnittkanten fixiert. Da das Ausrichten
gegenüber
der Messvorrichtung durch einfaches Auflegen auf die Oberfläche des
Messtisches 10 erfolgt, können die zu prüfenden Oberflächen 31, 32, 33, 34 in beliebiger
Stellung zueinander ausgerichtet sein.
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Die
Oberfläche
des Prüfkörpers 30 wird
bei kontinuierlich hergestellten Profilen vorzugsweise quer zur
Produktionsrichtung untersucht, da Oberflächendefekte hierbei meist nicht
punktuell auftreten, sondern als Streifen mit unterschiedlicher
Oberflächenbeschaffenheit
sichtbar werden.
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Es
wird zunächst
von der Steuerungseinrichtung eine Referenzfahrt ausgelöst, mit
der die Klemmeinrichtung 20 eine erste und/oder eine zweite Endlage
auf dem Messtisch anfährt.
Durch dieses Anfahren eines ortsfesten Punktes kann dann über inkrementelle
Wegaufnehmer eine Positions bestimmung einfach vorgenommen werden.
Der Wegaufnehmer 45 gestattet die Positionierung des Prüfkörpers über dem
Messspalt mit einer Genauigkeit von 0,1 mm.
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Die
Klemmeinrichtung 20 mit der Quertraverse 21.2 wird
anschließend
so positioniert, dass letztere so im Bereich des Messspalts 11 positioniert
ist, dass die Beleuchtungs- und Messeinrichtung 41 des Glanzmessgeräts 40 durch
die Oberfläche
des Prüfkörpers vollständig abgedeckt
ist, also ein Fremdlichteinfall vermieden wird. Vorzugsweise wird
ein seitlicher Überstand
des Prüfkörpers 30 über den Messspalt 11 von
mindestens 2 mm an der ganz äußeren Messposition
gewählt.
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An
der so erreichten ersten Messposition wird eine erste Glanzmessung
ausgelöst
und die dabei erhaltenen Daten werden an die Auswertungseinrichtung 46 übermittelt.
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Nach
der Aufnahme des ersten Messwertes wird ein Signal an die Steuerungseinrichtung
des Motors 16 gegeben. Die Klemmeinrichtung 20 mit
dem Prüfkörper 30 wird
dann über
die Spindel 14 zum nächsten
Messpunkt bewegt und eine erneute Messung dort durchgeführt.
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Je
breiter die Messfläche
des Messstrahls ist, desto weniger empfindlicher wird die Messmethode.
Details der Oberfläche,
die eine Breite besitzen, die etwa der halben Messstrahlbreite entspricht,
können
gerade noch aufgelöst
werden. Um feinere Details der Probe erfassen zu können, kann
ein schmalerer bzw. kleinerer Messstrahl verwendet werden. Gleichzeitig
muss dann aber die Schrittweite der Messpunkte an den Strahldurchmesser
angepasst werden, um eine flächendeckende Überprüfung der Probe
zu gewährleisten.
Je nach Anwendung muss also die Breite des Mess strahldurchmessers
verändert
werden, um mehr oder weniger Details der Probe erfassen und messen
zu können.
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Der
Abstand der Messpunkte hängt
dabei vom Durchmesser des Messstrahls des Glanzmessgeräts 40 ab,
das die Oberfläche
abtastet.
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Der
Abstand zweier Messpunkte soll dabei nicht größer sein als der Durchmesser
des Messstrahls und vorzugsweise 40 – 60 % des Durchmessers betragen.
Typischerweise beträgt
der Durchmesser des Messstrahls eines Glanzmessgerätes z. B.
8 mm, wobei der Abstand der Messpunkte dann zwischen 1 und 8 mm
liegen soll, vorzugsweise zwischen 3 und 5 mm. Die Auflösung des
Messverfahrens hängt
entscheidend vom Durchmesser des Messstrahls ab. So kann bei einem
8 mm breiten Messstrahl nur schwer ein Oberflächendefekt mit einer Breite
von 2 mm oder gar nur 1 mm festgestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist daher vorgesehen, die Auflösung
des Messverfahrens dadurch weiter zu steigern, dass zur Messung
eine Schlitzblende verwendet wird, die den Messspalt 11 überdeckt
und so einen Teil des Messstrahls ausblendet. Da hierdurch die Messintensität absinkt, muss
die Verstärkung
des Glanzmessgerätes
entsprechend gehoben werden. Dies geschieht bei den meisten Geräten durch
einen automatischen Kalibriervorgang, wobei ein Standard mit einer
bekannten Oberflächeneigenschaft,
z. B. des Glanzgrades, unter Verwendung einer Schlitzblende gemessen
wird. Das Gerät
passt die elektrische Verstärkung
so an, dass der vorgegebene Oberflächenwert wieder erreicht wird.
Wird z. B. eine Schlitzblende mit 1 mm Breite eingesetzt, so können Oberflächendefekte
am Prüfkörper bis
etwa 1 mm Breite aufgelöst
werden. Die Grenzen dieses Verfahrens liegen darin, dass durch die
verringerte Messintensität
ein ungünstigeres
Signal-Rausch-Verhältnis vorliegt.
Messspalte unterhalb von 10% des Durchmessers des Messstrahls sind
daher i. a. nicht möglich.
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Alternativ
kann auch ein Linsensystem mit unterschiedlichen Brennweiten eingesetzt
werden, das zusätzlich
in den Strahlengang eingesetzt wird, um den Messstrahldurchmesser
zu ändern,
wie in 5 abgebildet. In der schematischen Abbildung der 5 liegt
ein Glanzmessgerät 40 am
Messtisch 10. Ein einfallender Lichtstrahl 42 wird
durch eine Linse 44 fokussiert und in einem Einfallswinkel
schräg auf
die zu prüfende
Oberfläche
des Prüfkörpers 30 gelenkt.
Von dort wird der Lichtstrahl reflektiert und gelangt durch eine
zweite Linse 45 auf den Detektor 43 im Glanzmessgerät.
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Ein
wichtiges Kriterium für
die Beurteilung der Oberflächenqualität ist die
Streifigkeit der Probe. Der optische Eindruck einer streifigen Oberfläche entsteht
durch unterschiedliche Lichtreflexion der Oberfläche. Insbesondere in Abzugsrichtung
treten dabei Bereiche auf, die bei geeigneter Beleuchtung als glänzende und
matte Streifen erkannt werden. Die mit der erfindungsgemäßen Glanzmessungsvorrichtung
gemessenen und mit der Auswertungseinrichtung 46 aufgenommenen
Werte sind in 3 exemplarisch dargestellt.
Der gemessene Glanzgrad in Prozent ist dort über der Messposition am Prüfkörper, dargestellt
in Millimetern von einer Außenkante
des Prüfkörpers aus,
aufgetragen. Eine Stelle erhöhten Glanzes
ist etwa an der Position bei 22 mm erkennbar. An den Positionen
bei ca. 9 mm und 27 mm hingegen ist der Glanz geringer als im Mittel.
Solche Bereiche mit matterer wie auch mit glänzenderer Oberfläche werden
bei entsprechendem Lichteinfall vom Betrachter als Streifen wahrgenommen.
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Die
erfindungsgemäße Glanzmessungsvorrichtung
ermöglicht
die Bewertung der Gleichmäßigkeit
der Oberfläche
eines Probekörpern.
Als Kriterium wird hier die Streifigkeit als Quotient aus Standardabweichung σ und Mittelwert
xq definiert.
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Eine
geringe Streifigkeit liegt bei Werten von S ≤ 10% vor. Je gleichmäßiger also
die Kurve gemäß 3 verläuft und
je mehr sie entlang des Mittelwerts verläuft, umso geringer ist die
Streifigkeit. Häufige und/oder
starke Abweichungen des Glanzgrades über die Breite der Probe weisen
jedoch auf eine hohe Streifigkeit hin, die wie vorstehend quantifizierbar
ist und optisch mit dem bloßen
Auge wahrnehmbar ist.