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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Glanzmessungsvorrichtung zur Beurteilung der Oberfläche eines Kunststoffprofilabschnitts, bestehend aus einem Messtisch, einer Linearführungseinrichtung mit einer entlang wenigstens einer Bewegungsachse verschiebbaren Klemmeinrichtung, einer 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 hierbei, 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 zwar 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 Festanschlagelement 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 eingespannten 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 wenigstens 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 Positionsbestimmung 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 Messstrahldurchmessers 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. S = σ / xq·100%
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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.
