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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenprüfung eines Lagerbauteils.
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Die Laufeigenschaften und die Lebensdauer eines Lagers hängen entscheidend von der Oberflächenqualität der Lagerbauteile ab. Besonders wichtig ist eine mängelfreie Oberfläche im Bereich der Flächen, die einer Gleit- oder Wälzbeanspruchung unterliegen.
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Auch wenn die Fertigung der Lagerbauteile mit hohem Aufwand und großer Sorgfalt betrieben und ständig verbessert wird; lassen sich Oberflächendefekte wie beispielsweise Roststellen, Hiebmarken, Kratzer, Risse, Pressfehler usw. nicht vollständig vermeiden. Zur Erzielung eines hohen Qualitätsstandards ist es daher erforderlich, die Lagerbauteile nach deren Fertigung einer Prüfung zu unterziehen.
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Die Prüfung auf Oberflächendefekte ist wegen der großen Vielfalt möglicher Fehlerbilder sehr schwierig und wird deshalb in vielen Fällen manuell durchgeführt, d. h. es findet eine Sichtprüfung durch eine Person statt. Dies erschwert die strikte Einhaltung eines objektiven Qualitätsstandards und erfordert für einen hohen Durchsatz einen hohen Personaleinsatz.
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Eine Automatisierung der optischen Oberflächenprüfung ist abgesehen von der Komplexität der Fehlerbilder auch deshalb relativ schwierig, weil die Lagerbauteile in der Regel eine fein bearbeitete glänzende Stahloberfläche aufweisen. Bei einer glänzenden Oberfläche wird das Reflexionsvermögen beispielsweise durch zulässige Variationen des Rauheitsmusters, durch Verunreinigungen, durch Trennfilme, durch Ölfilme oder durch Lagevariationen der Oberfläche oder des gesamten Lagerbauteils stark beeinflusst, so dass der optische Oberflächeneindruck auch dann erheblich variieren kann, wenn die Oberfläche frei von Oberflächendefekten ist. Außerdem besteht wegen des hohen Reflexionsvermögens das Risiko, dass der Oberflächeneindruck durch Falschlicht, d. h. durch Licht das nicht zur Beleuchtung der Oberfläche vorgesehen ist, beeinflusst wird. Dies erschwert insbesondere eine zuverlässige Detektion von Oberflächendefekten, die lediglich einen geringen Einfluss auf das optische Erscheinungsbild der Oberfläche haben. Weitere Probleme können daraus resultieren, dass die Betrachtungsfeinheit, d. h. die Ortsauflösung, mit der man die Oberfläche detektiert, insbesondere bei einem hohen Flächendurchsatz pro Zeit begrenzt ist.
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Aus der
DE 101 10 994 A1 ist eine Vorrichtung zur Bildabtastung eines Objektes, insbesondere einer frisch lackierten Karosse bekannt.
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Die
DE 100 57 170 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Störstellen in Flächengebilden, insbesondere aus Fasern.
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Die
DE 199 55 467 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern der Oberfläche von reflektierenden Teilen.
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Aus der
DE 199 46 520 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächeninspektion eines kontinuierlich zulaufenden Bandmaterials bekannt.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Oberflächendefekte von Lagerbauteilen auch unter Produktionsbedingungen zuverlässig zu detektieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Oberflächenprüfung eines Lagerbauteils wird die Oberfläche des Lagerbauteils innerhalb eines Beleuchtungsgebiets beleuchtet und ein Detektionsgebiet der Oberfläche des Lagerbauteils, das mit dem Beleuchtungsgebiet überlappt, auf eine lichtempfindliche Fläche eines ortsauflösenden Detektors abgebildet. Vom ortsauflösenden Detektor wird ein durch die Abbildung erzeugtes Bild des Detektionsgebiets als eine Helligkeitsverteilung detektiert. Dabei wird die Beleuchtungs- und/oder Abbildungsgeometrie so gewählt, dass die Abbildung des Detektionsgebiets zur gleichen Zeit bereichsweise unter Hellfeldbeleuchtung und bereichsweise unter Dunkelfeldbeleuchtung des Detektionsgebiets erfolgt und die detektierte Helligkeitsverteilung demgemäß einen Hellfeldbereich und einen Dunkelfeldbereich aufweist, die in einem Grenzbereich aneinandergrenzen. Durch eine Analyse des Grenzbereichs wird ermittelt, ob im Detektionsgebiet ein Oberflächendefekt vorliegt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass damit eine zuverlässige und schnelle Detektion von Oberflächendefekten möglich ist, die lediglich einen geringen Einfluss auf das optische Erscheinungsbild der Oberfläche haben und mit herkömmlichen Verfahren allenfalls mit sehr hohem Aufwand und/oder hohen Fehlerquoten detektiert werden können.
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Das detektierte Bild des Detektionsgebiets kann beispielsweise mit einer Zeilenkamera detektiert werden, so dass lediglich in einer Richtung (entlang der Zeile) eine Helligkeitsverteilung erhalten wird. Ebenso ist es auch möglich das Bild mit einer Flächenkamera zu detektieren und demgemäß eine flächig aufgelöste Helligkeitsverteilung zu erhalten.
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Im Rahmen der Analyse kann insbesondere die Form des Grenzbereichs ausgewertet werden. Bei einer unzulässig starken Abweichung der Form des Grenzbereichs von einer vorgegebenen Form, kann darauf geschlossen werden, dass im Detektionsgebiet ein Oberflächendefekt vorliegt. Eine derartige Analyse lässt sich schnell und mit einem im Vergleich zu herkömmlichen optischen Prüfverfahren geringen Rechenaufwand durchführen.
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Der Grenzbereich kann beispielsweise linienförmig ausgebildet sein. In diesem Fall kann im Rahmen der Analyse ermittelt werden, ob die Form des Grenzbereichs um mehr als einen vorgegebenen Maximalwert von einem geradlinigen Verlauf abweicht. Unter Berücksichtigung der Beleuchtungsgeometrie kann aus dem Verlauf des Grenzbereichs insbesondere auch ermittelt werden, ob es sich bei dem Oberflächendefekt um eine Mulde oder um eine Erhöhung handelt.
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Das Detektionsgebiet kann auf der Oberfläche des Lagerbauteils variiert werden. Auf diese Weise kann ein Bereich der Oberfläche, der größer als das Detektionsgebiet ist, geprüft werden. Die Oberfläche des Lagerbauteils kann innerhalb des Detektionsgebiets gekrümmt ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine kombinierte Hell- und Dunkelfeldbeleuchtung besonders einfach realisiert werden, da durch die Oberflächenkrümmung ein Bereich von Einfallswinkeln verfügbar ist. Das Lagerbauteil kann während der Prüfung rotiert und/oder translatorisch bewegt werden. Durch die Rotationsbewegung kann das Detektionsgebiet variiert werden. Die Translationsbewegung kann insbesondere an die Vorschubbewegung des Fertigungsprozesses angepasst werden, so dass eine Prüfung in einem kontinuierlichen Durchlauf möglich ist und die Prüfung somit unmittelbar im Anschluss an die Fertigung erfolgen kann. Der ortsauflösende Detektor kann synchron zur translatorischen Bewegung des Lagerbauteils bewegt werden. Auf diese Weise können aus der Translationsbewegung resultierende Bewegungsunschärfen eliminiert oder zumindest reduziert werden.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Oberflächenprüfung eines Lagerbauteils, wobei die Oberfläche des Lagerbauteils innerhalb eines Beleuchtungsgebiets beleuchtet wird, ein Detektionsgebiet der Oberfläche des Lagerbauteils, das mit dem Beleuchtungsgebiet überlappt, auf eine lichtempfindliche Fläche eines ortsauflösenden Detektors abgebildet wird, die mehrere Flächenelemente aufweist, die je einen Helligkeitswert detektieren und vom ortsauflösenden Detektor ein durch die Abbildung erzeugtes Bild des Detektionsgebiets als eine aus den Helligkeitswerten der Flächenelemente zusammengesetzte Helligkeitsverteilung detektiert wird. Weiterhin wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine mittlere Helligkeit der Helligkeitsverteilung ermittelt und es wird geprüft, ob die Helligkeitsverteilung einen Fehlerbereich mit mehreren Flächenelementen aufweist, deren Helligkeitswerte jeweils unzulässig stark von der mittleren Helligkeit abweichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein breites Spektrum von Oberflächendefekten zuverlässig erkannt wird und zwar auch dann, wenn die Fehlerbilder für verschiedene Kategorien von Oberflächendefekten und/oder die Fehlerbilder für dieselbe Kategorie von Oberflächendefekten stark variieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sehr universell einsetzbar. Dadurch, dass die Helligkeitsverteilung relativ zu ihrer mittleren Helligkeit ausgewertet wird, kann der Einfluss von Schwankungen der absoluten Helligkeit auf das Prüfergebnis, die beispielsweise durch Unterschiede im Rauheitsprofil, durch Verschmutzung, durch Drifts bei der Beleuchtung usw. hervorgerufen werden, gering gehalten werden.
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Eine unzulässig starke Abweichung der Helligkeitswerte der Flächenelemente von der mittleren Helligkeit kann insbesondere dann vorliegen, wenn die Helligkeitswerte dieser Flächenelemente jeweils um mehr als eine vorgegebene Helligkeitsdifferenz von der mittleren Helligkeit abweichen.
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Im Rahmen der Prüfung der Helligkeitsverteilung kann ermittelt werden, ob sich der Fehlerbereich über mehr als eine vorgegebene Anzahl von Flächenelementen erstreckt und/oder ob die maximale Helligkeit im Fehlerbereich um mehr als einen vorgegebenen Wert von der mittleren Helligkeit abweicht.
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Für jede einzelne vom ortsauflösenden Detektor detektierte Helligkeitsverteilung oder sogar von einem Teilbereich der Helligkeitsverteilung kann jeweils eine mittlere Helligkeit ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Einfluss von Helligkeitsschwankungen nahezu vollständig eliminiert werden kann. Insbesondere kann für jede einzelne vom ortsauflösenden Detektor erfasste Helligkeitsverteilung ermittelt werden, ob die Helligkeitsverteilung wenigstens einen Fehlerbereich aufweist. Weiterhin kann eine durch die Beleuchtungsgeometrie und/oder Abbildungsgeometrie verursachte Inhomogenität der Helligkeitsverteilung wenigstens teilweise kompensiert werden. Eine derartige Kompensation kann insbesondere bei Suche nach Oberflächendefekten auf einer Stirnfläche des Lagerbauteils erfolgen.
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Vorzugsweise werden in einen Fehlerbereich lediglich Flächenelemente aufgenommen, deren räumliche Entfernung zu wenigstens einem Flächenelement desselben Fehlerbereichs geringer als ein vorgegebener Maximalabstand ist. Dies führt dazu, dass in einem Fehlerbereich nur Flächenelemente enthalten sind, die eine gewisse Korrelation zueinander haben und somit mit hoher Wahrscheinlichkeit demselben Oberflächendefekt zuzurechnen sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in einen Fehlerbereich nur zueinander benachbarte Flächenelemente aufgenommen werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass lokale Helligkeitsschwankungen, die beispielsweise durch Staubkörner verursacht werden, irrtümlicher Weise als Oberflächendefekt interpretiert werden.
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Das Lagerbauteil kann während der Detektion der Helligkeitsverteilung eine Rotations- und/oder eine Translationsbewegung ausführen. Dabei kann die Translationsbewegung eine Geschwindigkeit von wenigstens 1 m/min, vorzugsweise wenigstens 5 m/min aufweisen. Die Helligkeitsverteilung kann mittels eines ortsauflösenden Detektors erfasst werden, der während der Erfassung eine auf die Translationsbewegung des Lagerbauteils abgestimmte Translationsbewegung ausführt. Auf diese Weise kann die Bewegungsunschärfe, durch die letztendlich auch die Helligkeitsverteilung beeinflusst wird, eliminiert oder zumindest reduziert werden. Der Einfluss der Bewegung des Lagerbauteils über die Bewegungsunschärfe auf die Helligkeitsverteilung kann auch dadurch reduziert werden, dass das Beleuchtungsgebiet lediglich während eines vorgegebenen Zeitintervalls beleuchtet wird. Die Länge des Zeitintervalls kann von der Bewegung abhängen. Beispielsweise kann das Zeitintervall maximal 5 ms, insbesondere maximal 1 ms betragen.
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Insbesondere ist das Lagerbauteil in einer Richtung parallel zur Translationsbewegung zu weiteren Lagerbauteilen beabstandet. Dies ermöglicht es, auch die zueinander benachbarten Flächen der Lagerbauteile, in der Regel die Stirnflächen, zu prüfen.
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Das Detektionsgebiet kann beispielsweise auf einer Mantelfläche des Lagerbauteils ausgebildet werden. Insbesondere kann sich das Detektionsgebiet in Umfangsrichtung des Lagerbauteils lediglich über einen Teilbereich der Mantelfläche erstrecken. Durch eine Aneinaderreihung mehrerer Detektionsgebiete in Umfangsrichtung kann die gesamte Mantelfläche geprüft werden. Dabei können die Detektionsgebiete in Umfangsrichtung überlappen.
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Innerhalb der Helligkeitsverteilung können ein oder mehrere Auswertebereiche definiert werden, die getrennt ausgewertet werden. Insbesondere kann die mittlere Helligkeit für jeden Auswertebereich getrennt bestimmt werden. Die Definition mehrerer Auswertebereiche hat den Vorteil, dass mit unterschiedlichen Auswertekriterien gearbeitet werden kann. Die Auswertebereiche können insbesondere kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein oder eine Ringform mit kreisförmigen oder elliptischen Konturen aufweisen. Weiterhin können die Auswertebereiche konzentrisch zueinander ausgebildet sein. Beispielsweise kann bei einem als Wälzkörper ausgebildeten Lagerteil, das an wenigstens einer Stirnfläche eine zentrale Mulde aufweist, ein insbesondere kreisförmiger Auswertebereich innerhalb der zentralen Mulde und ein weiterer, insbesondere ringförmiger Auswertebereich außerhalb der zentralen Mulde definiert werden.
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Der ortsauflösende Detektor kann als eine Kamera ausgebildet sein, insbesondere als eine Schwarz-Weiß-Kamera. Um die Rechenzeit für die Auswertung in Grenzen zu halten, sollte eine Kamera mit relativ geringer Ortsauflösung zum Einsatz kommen.
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Das Lagerbauteil kann aussortiert werden, falls die Helligkeitsverteilung wenigstens einen Fehlerbereich aufweist.
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Bei dem Lagerbauteil kann es sich insbesondere um einen Lagerring, beispielsweise einen Wälzlagerring oder um einen Wälzkörper handeln.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung einer Stirnfläche eines Lagerbauteils gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
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2 ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor erfasste Helligkeitsverteilung der Stirnfläche des Lagerbauteils,
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3 ein Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Prüfung der Stirnflächen der Lagerbauteile im kontinuierlichen Durchlauf gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
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4 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche des Lagerbauteils gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
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5 ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor erfasste zusammengesetzte Helligkeitsverteilung der Mantelfläche des Lagerbauteils,
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6 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche des Lagerbauteils gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
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7 ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor unter Grenzfeld-Beleuchtung erfasste zusammengesetzte Helligkeitsverteilung der Mantelfläche des Lagerbauteils und
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8 ein Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche der Lagerbauteile im kontinuierlichen Durchlauf gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung einer Stirnfläche 1 eines Lagerbauteils 2 gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Lagerbauteil 2 die Form einer Kegelrolle auf, die in einem als Kegelrollenlager ausgebildeten Wälzlager zum Einsatz kommt. Die Oberfläche des in 1 dargestellten Lagerbauteils 2 wird durch zwei Stirnflächen 1, 3 und eine Mantelfläche 4 gebildet. Die Stirnflächen 1, 3 weisen eine kreisförmige Außenkontur auf, wobei die Stirnfläche 1 einen größeren Radius besitzt als die Stirnfläche 3. Im Bereich der Stirnfläche 1 ist eine zentrale Vertiefung 5 ausgebildet. Die Mantelfläche 4 besitzt die Form eines Kegelstumpfes und erstreckt sich axial zwischen den Stirnflächen 1, 3.
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Bei dem Lagerbauteil 2 kann es sich alternativ zu einer Kegelrolle beispielsweise auch um einen Wälzkörper anderer Geometrie oder um einen Lagerring eines Wälzlagers oder eines Gleitlagers handeln. Dies gilt nicht nur für die in 1 dargestellte Messanordnung, sondern analog für alle Varianten, die im Folgenden beschrieben werden und bei denen beispielhaft eine spezielle Ausführungsform des Lagerbauteils 2 genannt wird.
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Die Messanordnung weist eine Lichtquelle 6 und einen ortsauflösenden Detektor 7 auf, die beide in Sichtkontakt zur Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 angeordnet sind. Weiterhin weist die Messanordnung eine Auswerteelektronik 8 auf.
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Die Lichtquelle 6 kann beispielsweise in Form einer Anordnung aus mehreren Leuchtdioden (LED) realisiert sein und erzeugt Beleuchtungslicht 9, mit dem ein Beleuchtungsgebiet 10 auf der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 beleuchtet wird. Das Beleuchtungsgebiet 10 kann sich über die gesamte Stirnfläche 1 oder auch nur über einen Teilbereich der Stirnfläche 1 erstrecken.
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Der ortsauflösende Detektor 7 ist beispielsweise als eine Kamera, insbesondere als eine CCD-Kamera oder Ähnliches, ausgebildet und weist eine Abbildungsoptik 11, beispielsweise ein Kameraobjektiv, und eine lichtempfindliche Fläche 12, beispielsweise einen CCD-Chip, auf. Die Abbildungsoptik 11 bildet ein Detektionsgebiet 13 auf der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 ab, so dass auf der lichtempfindlichen Fläche 12 ein Bild des Detektionsgebiets 13 erzeugt wird. Das Detektionsgebiet 13 überlappt mit dem Beleuchtungsgebiet 10 und kann insbesondere vollständig innerhalb des Beleuchtungsgebiets 10 liegen.
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Die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 weist eine Vielzahl von nicht eigens dargestellten Flächenelementen auf, die in einer oder in zwei Raumrichtungen aneinandergereiht sind und jeweils die lokale Helligkeit des auf der lichtempfindlichen Fläche 12 erzeugten Bilds erfassen, so dass die lichtempfindliche Fläche 12 insgesamt eine das Bild repräsentierende Helligkeitsverteilung in einem durch die Flächenelemente vorgegebenen Raster detektiert. Die Erfassung der lokalen Helligkeit kann dabei jeweils so erfolgen, dass eine der lokalen Helligkeit entsprechende Elektronenwolke erzeugt wird, deren elektrische Ladung vom jeweiligen Flächenelement erfasst wird. Um eine schnelle Auswertung der Helligkeitsverteilung zu ermöglichen, weist die lichtempfindliche Fläche 12 vorzugsweise lediglich eine relativ geringe Zahl von Flächenelementen auf. Außerdem kommen in der Regel Schwarz-Weiß-Kameras zur Anwendung, um die Datenmenge möglichst gering zu halten.
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Die Helligkeitsverteilung wird von der Auswerteelektronik 8 analysiert und dabei wird ermittelt, ob im Detektionsgebiet 13 auf der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 Oberflächendefekte vorhanden sind. Die Auswerteelektronik 8 kann vollständig innerhalb oder vollständig außerhalb des ortsauflösenden Detektors 7 geordnet sein. Ebenso ist es auch möglich, die Auswerteelektronik 8 teils innerhalb und teils außerhalb des ortsauflösenden Detektors 7 anzuordnen. Bei der Auswerteelektronik 8 kann es sich um eine fest verdrahtete Elektronik handeln oder um eine Rechenmodul, das eine Auswertesoftware ausführt.
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Abhängig von der gewählten Geometrie bzgl. der Anordnung des Lagerbauteils 2, der Lichtquelle 6 und des ortsauflösenden Detektors 7 zueinander erfolgt die Abbildung des Detektionsgebiets 13 der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 auf die lichtempfindlichen Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 unter Hellfeldbeleuchtung oder unter Dunkelfeldbeleuchtung.
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Angesichts der hohen Reflektivität des Lagerbauteils 2 liegt eine Hellfeldbeleuchtung in der Regel dann vor, wenn der ortsauflösende Detektor 7 in spiegelnder Reflexion zum Lichteinfallswinkel angeordnet wird. Trifft das Beleuchtungslicht 9 nicht lediglich unter einem Winkel auf das Beleuchtungsgebiet, sondern weist ein Winkelspektrum auf, so kann der ortsauflösende Detektor 7 innerhalb eines Winkelbereichs angeordnet werden, der einer spiegelnden Reflexion des Winkelspektrums des Beleuchtungslichts 9 entspricht. Tatsächlich steht aber in der Regel ein noch größerer Winkelbereich für die Anordnung des ortsauflösenden Detektors 7 zur Verfügung. Dies beruht darauf, dass das Lagerbauteil 2 und die Oberflächen anderer metallischer Bauteile durch ihre Rauheit und Feingeometrie keine exakt planspiegelnden Eigenschaften aufweisen und auftreffendes Licht somit immer gestreut wird. Zwar tritt bei feinbearbeiteten Oberflächen ein Intensitätsmaximum gemäß der Regel Einfallswinkel = -Ausfallswinkel auf. Allerdings sind auch andere Rückstrahlungen in erheblichem und verwertbarem Umfang vorhanden. Weiterhin kann die Rückstrahlung durch gezielt angeordnete Sekundärobjekte beeinflusst werden. So kann beispielsweise eine Auflagefläche oder ein Förderband reflektierend gestaltet sein und im Winkel so zum Beleuchtungslicht 9 positioniert sein, dass Licht von den neben dem Lagerbauteil 2 liegenden Flächen zunächst auf das Lagerbauteil 2 reflektiert wird und von dort wiederum in den ortsauflösenden Detektor 7 reflektiert wird. In solchen Fällen ergibt sich eine Hellfeldaufnahme, obwohl zwischen Lichtquelle 6, ortsauflösendem Detektor 7 und Detektionsgebiet 13 keine symmetrischen Winkel bestehen.
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Wenn es die Geometrie zulässt, wird der ortsauflösende Detektor 7 mit Ausnahme deflektometrischer Analysen häufig möglichst senkrecht oder zumindest stark winklig zum Detektionsgebiet 13 eingestellt und das Beleuchtungslicht 9 so variiert, bis sich der gewünschte Effekt einstellt.
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Oft wird bei Beobachtung eines weitgehend rechtwinklig zur Beobachtungsrichtung stehenden Detektionsgebiets 13 ein Hellfeld erreicht, wenn Lichtquelle 6 und ortsauflösender Detektor 7 in annähernd gleicher Richtung angeordnet sind, und ein Dunkelfeld wenn die Beleuchtungsrichtung annähernd rechtwinklig zur Beobachtungsrichtung liegt. Bei nichtplanen Detektionsgebieten 13 verschieben sich diese Verhältnisse entsprechend.
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Das Detektionsgebiet 13 wird bei einer Hellfeldbeleuchtung als eine helle Fläche auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 abgebildet. Oberflächendefekte, die das Beleuchtungslicht 9 absorbieren, diffus streuen oder in andere Richtungen als die intakte Oberfläche reflektieren, erscheinen dunkel.
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Eine Dunkelfeldbeleuchtung führt zu komplementären Effekten, d. h. das Detektionsgebiet 13 wird als eine dunkle Fläche auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 abgebildet. Oberflächendefekte, die das Beleuchtungslicht 9 diffus streuen und zum Teil auch solche, die das Beleuchtungslicht 9 in andere Richtungen als die intakte Oberfläche reflektieren, erscheinen hell. Eine Dunkelfeldbeleuchtung liegt in der Regel dann vor, wenn der ortsauflösende Detektor 7 unter einem Winkel zum Detektionsgebiets 13 angeordnet wird, der außerhalb des Winkelbereichs der Hellfeldbeleuchtung liegt.
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Mit anderen Worten, ein Hellfeld ist unabhängig von der Geometrie dann gegeben, wenn das Bild insgesamt so hell ist, dass auch fehlerfreie Oberflächen auf dem Bild erkennbar sind und Fehler darin dunkler als das Gesamtbild erscheinen. Ein Dunkelfeld ist unabhängig von der Geometrie dann gegeben, wenn das Bild insgesamt so dunkel ist, dass fehlerfreie Oberflächen auf dem Bild nicht erkennbar sind und Fehler darin heller als das Gesamtbild erscheinen.
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Die Prüfung auf Oberflächendefekte kann mit der in 1 dargestellten Messanordnung auf folgende Weise erfolgen:
Das Detektionsgebiet 13 auf der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 wird mit der Beleuchtungsstrahlung 9 beleuchtet und mittels der Abbildungsoptik 11 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 abgebildet, der eine entsprechende Helligkeitsverteilung ermittelt.
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Dabei können wahlweise die bereits beschriebene Hellfeldbeleuchtung oder Dunkelfeldbeleuchtung oder beide Beleuchtungsarten zur Anwendung kommen. Um einen besonders hohen Erkennungsgrad von Oberflächendefekten zu erzielen, ist es empfehlenswert, beide Beleuchtungsarten einzusetzen. Hierzu können beispielsweise eine Messanordnung mit Hellfeldbeleuchtung und eine Messanordnung mit Dunkelfeldbeleuchtung derart angeordnet werden, dass das zu prüfende Lagerbauteil 2 beide Messanordnungen nacheinander durchläuft.
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Die vom ortsauflösenden Detektor 7 erfasste Helligkeitsverteilung wird an die Auswerteelektronik 8 ausgegeben und von dieser verarbeitet. Dies wird anhand von 2 näher erläutert.
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2 zeigt ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor 7 erfasste Helligkeitsverteilung der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2.
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Da es sich bei der Darstellung der 2 um eine Helligkeitsverteilung handelt, ist in 2 nicht die Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 selbst, sondern ein mit Hilfe der lichtempfindlichen Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 aufgezeichnetes Bild der Stirnfläche 1 dargestellt. Um die Beschreibung möglichst einfach gestalten zu können, werden aber dennoch jeweils die für die Beschreibung der Stirnfläche 1 selbst verwendeten Bezeichnungen herangezogen, d. h. es wird bzgl. der Bezeichnungen nicht zwischen dem Gegenstand selbst und dem Bild des Gegenstands unterschieden.
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Bei dem dargestellten Beispiel wurden sowohl das Beleuchtungsgebiet 10 als auch das Detektionsgebiet 13 jeweils größer als die Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 gewählt, so dass in der Helligkeitsverteilung die gesamte Stirnfläche 1 sichtbar ist. Da die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 nicht parallel zur Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 orientiert ist, erscheinen die Außenkontur der Stirnfläche 1 und die zentrale Mulde 5 nicht als Kreise sondern als Ellipsen.
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In 2 ist ein ringförmiger Auswertebereich 14 eingezeichnet, der sich über einen Bereich der Stirnfläche 1 knapp außerhalb der zentralen Mulde 5 bis nahezu zur Außenkontur der Stirnfläche 1 erstreckt und dessen Konturen als Ellipsen ausgebildet sind. Die Auswertung der Helligkeitsverteilung erfolgt ausschließlich innerhalb des Auswertebereichs 14. Sämtliche Helligkeitswerte außerhalb des Auswertebereichs 14 werden verworfen und bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel bedeutet dies, dass die Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 innerhalb der zentralen Mulde 5 und deren unmittelbarer Umgebung nicht auf Oberflächendefekte hin untersucht wird. Das gleiche gilt für die Außenkontur der Stirnfläche 1 und deren unmittelbare Umgebung. Eine derartige Ausgestaltung des Auswertebereichs 14 beruht darauf, dass sich Oberflächendefekte in diesem Bereich der Stirnfläche 1 besonders negativ auf die Funktionsfähigkeit des Lagerbauteils 2 auswirken.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, weitere Bereiche der Stirnfläche 1, beispielsweise den Boden der zentralen Mulde 5 in die Auswertung einzubeziehen. In diesem Fall würde der in 2 dargestellte Auswertebereich 14 jedoch nicht in die zentrale Mulde 5 hinein erstreckt sondern stattdessen unverändert beibehalten werden und es würde ein zusätzlicher Auswertebereich 15 definiert, der sich vom Zentrum der Stirnfläche 1 bis nahezu zum Rand der zentralen Mulde 5 erstreckt und separat ausgewertet wird. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Rand der zentralen Mulde 5 eine starke Diskontinuität der Helligkeitsverteilung zur Folge hat, die sich sehr schwer auswerten lässt. Außerdem unterscheidet sich die Oberflächenbeschaffenheit der Stirnfläche 1 innerhalb der zentralen Mulde 5 (gepresste Oberfläche) und außerhalb der zentralen Mulde 5 (geschliffene Oberfläche) erheblich, so dass eine getrennte Auswertung angeraten ist. Die weitere Beschreibung der Auswertung der Helligkeitsverteilung bezieht sich lediglich auf den Auswertebereich 14. Falls ein zusätzlicher Auswertebereich 15 vorhanden ist, wird dieser analog ausgewertet.
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Im Rahmen der Auswertung wird zunächst eine Kompensation von Helligkeitsunterschieden durchgeführt, die gegebenenfalls durch eine nicht senkrechte Beleuchtung des Beleuchtungsgebiets 10 und durch eine Abbildung des Detektionsgebiets 13 auf die dazu nicht parallele lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 verursacht werden. Sind mehrere Auswertebereiche 14, 15 vorhanden, so erfolgt die Kompensation für jeden Auswertebereich getrennt.
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Anschließend wird für die Helligkeitsverteilung innerhalb des Auswertebereichs 14 eine mittlere Helligkeit ermittelt. Dies kann durch eine für sich bekannte Mittelwertbildung über alle Flächenelemente des Auswertebereichs 14, beispielsweise in Form eines arithmetischen Mittelwerts, erfolgen. Für jede Helligkeitsverteilung wird ein eigener Mittelwert bestimmt. Ebenso wird für jeden zusätzlichen Auswertebereich 15 jeweils ein eigener Mittelwert bestimmt. Die mittlere Helligkeit wird als Referenzwert bei der Suche nach Oberflächendefekten verwendet, die sich in einer veränderten Helligkeit äußern. Hierzu werden zunächst sämtliche Flächenelemente des Auswertebereichs 14, deren Helligkeitswerte sich um mehr als eine zulässige Helligkeitsdifferenz von der mittleren Helligkeit unterscheiden als auffällig gekennzeichnet. Dies gilt gleichermaßen für eine unzulässige Überschreitung und für eine unzulässige Unterschreitung der mittleren Helligkeit. Die Kennzeichnung der Flächenelemente bedeutet allerdings noch nicht, dass ein Oberflächendefekt innerhalb der zugehörigen Flächen des Detektionsgebiets 13 angenommen wird. Lokale Helligkeitsabweichungen können beispielsweise auch durch ein Staubkorn auf dem Detektionsgebiet 13 verursacht werden und sind daher bzgl. ihrer Aussagekraft mit einer hohen Unsicherheit behaftet. Aus diesem Grund wird weiterhin geprüft, wie die als auffällig gekennzeichneten Flächenelemente räumlich verteilt sind. Dabei kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass isoliert auftretende auffällige Flächenelemente, d. h. auffällige Flächenelemente die kein auffälliges Flächenelement als Nachbar haben, wieder gelöscht und somit bei der Suche nach Oberflächendefekten ignoriert werden. Benachbart angeordnete auffällige Flächenelemente werden zu Fehlerbereichen 16 zusammengefasst. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit in die Fehlerbereiche 16 übernächste Nachbarn oder noch weiter entfernte auffällige Flächenelemente aufzunehmen. Besonders bewährt hat sich aber die Aufnahme von lediglich unmittelbaren Nachbarn.
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Als nächstes ist dann noch zu entscheiden, ob die Fehlerbereiche 16 jeweils einen Oberflächendefekt repräsentieren oder nicht. Dies kann anhand der im Folgenden genannten Kriterien erfolgen, die einzeln oder in Kombination angewendet werden können.
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Ein besonders wichtiges Kriterium stellt die Anzahl der im Fehlerbereich 16 enthaltenen auffälligen Flächenelemente dar. Wenn diese Anzahl einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird angenommen, dass in dem zum Fehlerbereich 16 korrespondierenden Bereich des Detektionsgebiets 13 ein Oberflächendefekt vorliegt.
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Ein anderes Kriterium stellt das Ausmaß der Helligkeitsabweichung innerhalb des Fehlerbereichs 16 dar. Hier kann als Bedingung für das Vorhandensein eines Oberflächendefekts beispielsweise formuliert werden, dass innerhalb des Fehlerbereichs 16 wenigstens ein Flächenelement eine Helligkeitsabweichung oberhalb eines Schwellwerts aufweist. Ebenso kann als Bedingung definiert werden, dass wenigstens eine vorgegebene Anzahl von Flächenelementen innerhalb des Fehlerbereichs 16 jeweils eine Helligkeitsabweichung oberhalb eines Schwellwerts aufweist. Eine weitere mögliche Bedingung besteht darin, dass die Summe der Helligkeitsabweichungen einer vorgegeben Anzahl von Flächenelementen innerhalb des Fehlerbereichs 16 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Die vorgenannten Bedingungen können auch abhängig von der Form des Fehlerbereichs 16 variiert werden. So können beispielsweise für flächig ausgebildete Fehlerbereiche 16 jeweils andere Schwellwerte vorgegeben werden als für eine eher linienartige Ausbildung.
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Schließlich kann auch für den Fall, dass die Fehlerbereiche 16 jeweils keines der vorstehend genannten Kriterien erfüllen, auf einen Oberflächendefekt geschlossen werden, nämlich dann, wenn die Fehlerbereiche 16 gehäuft auftreten, d. h. deren Anzahl pro Fläche einen vorgegebenen Wert überschreitet.
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Ein Einzelvergleich mit einer Vielzahl vorgegebener Fehlerbilder kann durch die vorstehend beschriebene Vorgehensweise entfallen. Außerdem ist es nicht erforderlich, dass das Erscheinungsbild der Fehler jeweils im Einzelnen bekannt ist. Dies bedeutet, dass durch einige wenige Bedingungen viele verschiedene und im Einzelfall evtl. gar nicht genau bekannte Fehlerbilder abgedeckt werden können.
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In analoger Weise, wie vorstehend für die Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 beschrieben, kann auch die Stirnfläche 3 des Lagerbauteils 2 geprüft werden.
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Die vorstehenden Betrachtungen beziehen sich auf die Prüfung eines einzigen Lagerbauteils 2, das in einer Ruheposition verharrt. Wenn die Prüfung in einen Fertigungsprozess integriert oder einem Fertigungsprozess nachgelagert werden soll, ist es allerdings erforderlich, eine große Zahl von Lagerbauteilen 2 zu prüfen, so dass für jede einzelne Prüfung nur wenig Zeit bleibt. Abhängig vom Fertigungsprozess kann es zudem erforderlich sein, die Lagerbauteile 2 im Durchlauf zu prüfen, wobei ein Anhalten der Lagerbauteile 2 evtl. unerwünscht ist und somit die Prüfung im bewegten Zustand der Lagerbauteile 2 durchzuführen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für einen Einsatz unter derartigen Bedingungen geeignet. Anhand von 3 wird erläutert, wie dabei im Einzelnen vorgegangen wird.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Prüfung der Stirnflächen 1, 3 der Lagerbauteile 2 im kontinuierlichen Durchlauf gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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Die in 3 dargestellte Messanordnung weist die gleichen Komponenten auf wie die Messanordnung gemäß 1. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird bestehen allerdings Unterschiede hinsichtlich der Geometrie, in der die Komponenten der Messanordnung zueinander und zu den Lagerbauteilen 2 angeordnet sind. Außerdem sind die in 1 dargestellten Komponenten beim Ausführungsbeispiel der 3 zweifach vorhanden, damit jeweils beide Stirnflächen 1, 3 der Lagerbauteile 2 geprüft werden können. Die Lagerbauteile 2 sind in Form eines Strangs angeordnet, so dass ihre Rotationsachsen auf einer gemeinsamen Geraden liegen und zwischen benachbarten Stirnflächen 1, 3 jeweils ein Zwischenraum verbleibt. In dieser Anordnung werden die Lagerbauteile 2 an der Messanordnung vorbeibewegt. Die Bewegungsrichtung verläuft dabei parallel zur Längserstreckung des Strangs und somit auch parallel zu den Rotationsachsen der Lagerbauteile 2. Die Geschwindigkeit, mit der die Lagerbauteile 2 bewegt werden, kann wenigstens 1 m/min, insbesondere auch wenigstens 5 m/min betragen.
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Die Geometrie der Messanordnung ist so gewählt, dass bei jeweils einem Lagerbauteil 2 das Beleuchtungsgebiet 10 auf der Stirnfläche 1 des Lagerbauteils 2 durch Einstrahlen von Beleuchtungslicht 9 in den Zwischenraum zwischen der Stirnfläche 1 dieses Lagerbauteils 2 und der Stirnfläche 3 des benachbarten Lagerbauteils 2 beleuchtet werden kann und das Detektionsgebiet 13 durch den Zwischenraum hindurch abgebildet werden kann. Entsprechendes gilt für die Beleuchtung und Abbildung der Stirnfläche 3 des Lagerbauteils 2. Abhängig von den Abmessungen der Zwischenräume in Bewegungsrichtung der Lagerbauteile 2 kann eine Beleuchtung und eine Abbildung unter relativ flachen Winkeln zur Stirnfläche 1 bzw. 3 des jeweiligen Lagerbauteils 2 erforderlich sein.
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Die Prüfung der Stirnflächen 1, 3 der Lagerbauteile 2 wird in analoger Weise durchgeführt wie bereits beschrieben. Dabei besteht insbesondere die Möglichkeit, die Prüfung der Stirnflächen 1, 3 im bewegten Zustand der Lagerbauteile 2 durchzuführen. Dies bedeutet, dass die Lagerbauteile 2 beispielsweise mit konstanter Geschwindigkeit ohne Rücksicht auf die Durchführung der Oberflächenprüfung bewegt werden können. Hinzu kommt noch, dass die Lagerbauteile 2 auch eine Rotationsbewegung um ihre Rotationsachse ausführen können, die für die Durchführung weiterer Oberflächenprüfungen benötigt wird. Um trotz der Bewegung der Lagerbauteile 2 jeweils eine ausreichend scharfe Abbildung des Detektionsgebiets 13 zu ermöglichen, wird für die Abbildung jeweils eine sehr kurze Belichtungszeit gewählt. Dies kann durch eine ausreichend kurze Beleuchtungszeit, d. h. der Zeit, während der Beleuchtungslicht 9 auf das Beleuchtungsgebiet 10 der jeweiligen Stirnfläche 1 bzw. 3 des Lagerbauteils 2 trifft, erreicht werden. Beispielsweise wird hierzu die Lichtquelle 6 so angesteuert, dass sie jeweils einen kurzen Lichtblitz erzeugt. Um eine besonders hohe Präzision zu erzielen, kann insbesondere ein sogenannter Global Shutter eingesetzt werden, bei dem die gesamte lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 gleichzeitig abgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die gesamte lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 von ihrer Betriebsspannung getrennt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine ausreichend kurze Abbildungszeit, d. h. die Zeit, innerhalb derer das Detektionsgebiet 13 auf der Stirnfläche 1, 3 des Lagerbauteils 2 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 abgebildet wird, eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch eine verschließbare Blende im Abbildungsstrahlengang, d. h. zwischen der Stirnfläche 1, 3 des Lagerbauteils 2 und der lichtempfindlichen Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7, erreicht werden oder durch eine geeignete Ansteuerung der lichtempfindlichen Fläche 12.
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Auf diese Weise können Belichtungszeiten erreicht werden, die bei einer Millisekunde oder darunter, insbesondere bei einer halben Millisekunde oder darunter liegen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Oberflächenprüfung der Lagerbauteile 2 im Durchlauf werden synchron zur Durchlaufbewegung von den ortsauflösenden Detektoren 7 fortwährend neue Helligkeitsverteilungen ermittelt und sollten möglichst auch synchron zur Durchlaufbewegung ausgewertet werden. Dies erfordert eine Beschränkung der Datenmenge je Helligkeitsverteilung auf ein notwendiges Minimum und eine hocheffiziente Auswertung.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der 1 weist auch das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 6 und den ortsauflösenden Detektor 7 sowie die Auswerteelektronik 8 als Komponenten auf. Allerdings ist gemäß 4 nicht lediglich eine Lichtquelle 6 vorhanden, sondern es sind zwei Lichtquellen 6 vorhanden. Außerdem sind die Lichtquellen 6 und der ortsauflösende Detektor 7 nicht auf die Stirnflächen 1, 3, sondern auf die Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 gerichtet. Demgemäß unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele der 1 und 4 auch hinsichtlich der Bauart ihrer Komponenten. Als Lichtquellen 6 kommen beim Ausführungsbeispiel der 4 insbesondere Leuchtstoffröhren in Betracht, die mit ihrer Längserstreckung parallel zur Längserstreckung des Lagerbauteils 2 orientiert sind. Der ortsauflösende Detektor 7 kann eine lichtempfindliche Fläche 12 aufweisen, die in einer Richtung parallel zur Längserstreckung des Lagerbauteils 2 über eine vielfach größere Zahl von Flächenelementen verfügt als quer zu dieser Richtung. Im Extremfall kann die lichtempfindliche Fläche 12 lediglich über eine einzige Reihe von Flächenelementen verfügen, die parallel zur Längserstreckung des Lagerbauteils 2 verläuft. Demgemäß kann der ortsauflösende Detektor 7 insbesondere als eine Flächenkamera mit einer lang gestreckten Aufnahmefläche oder als eine Zeilenkamera ausgebildet sein.
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Aus der beschriebenen Ausbildung der Lichtquellen 6 und insbesondere des ortsauflösenden Detektors 7 ergibt sich, dass jeweils nur ein streifenförmig ausgebildetes Detektionsgebiet 13 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 abgebildet und eine dazu korrespondierende Helligkeitsverteilung ermittelt werden kann. Um dennoch eine Oberflächenprüfung der gesamten Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 durchführen zu können wird das Lagerbauteil 2 in Rotation versetzt und es werden streifenförmigen Helligkeitsverteilungen für unterschiedliche Rotationspositionen aufgenommen, die sich beispielsweise über die gesamte Länge, aber nur über einen geringen Umfangsbereich des Lagerbauteils 2 erstrecken können. Die auf diese Weise ermittelten Helligkeitsverteilungen werden in Umfangsrichtung des Lagerbauteils 2 zu einer zusammengesetzten Helligkeitsverteilung aneinander gereiht, welche aus einer Vielzahl von Streifen besteht und ein Bild der abgerollten Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 darstellt. Falls es nicht auf die quantitative Ermittlung der lateralen Erstreckung der Oberflächendefekte ankommt, ist es nicht erforderlich, die Helligkeitsverteilungen überlappungsfrei aneinanderzureihen. Im Extremfall kann jede streifenförmige Helligkeitsverteilung einer einzigen Zeile einer Zeilenkamera entsprechen.
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5 zeigt ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor 7 erfasste zusammengesetzte Helligkeitsverteilung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2.
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Im Rahmen der Ermittlung von Oberflächendefekten werden die Helligkeitsverteilungen vor oder nach dem Aneinanderreihen jeweils in analoger Weise ausgewertet, wie für die Prüfung der Stirnflächen 1, 3 im Einzelnen beschrieben. Dabei kann allerdings die Kompensation von Helligkeitsunterschieden, die durch eine nicht senkrechte Beleuchtung und/oder Abbildung verursacht werden, in der Regel entfallen, da das Detektionsgebiet 13 sehr schmal ausgebildet ist und die Helligkeitsunterschiede innerhalb des Detektionsgebiets 13 deshalb gering sind.
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Die Ermittlung einer mittleren Helligkeit findet jedoch in analoger Weise statt, wie für die Stirnfläche 1, 3 des Lagerbauteils 2 beschrieben. Die Mittelung wird dabei für jede Helligkeitsverteilung separat durchgeführt. Wenn die Helligkeitsverteilungen jeweils lediglich eine einzige oder nur sehr wenige Zeilen beinhalten, kann auch ausnahmsweise eine Mittelung über mehrere Helligkeitsverteilungen durchgeführt werden.
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Anschließend erfolgt für jede Helligkeitsverteilung die Kennzeichnung auffälliger Flächenelemente in analoger Weise, wie für die Stirnflächen 1, 3 des Lagerbauteils 2 beschrieben. Die weitere Auswertung erfolgt dann nicht mehr anhand der einzelnen Helligkeitsverteilungen, sondern anhand der zusammengesetzten Helligkeitsverteilung, da sich Fehlerbereiche 16 mit auffälligen Flächenelementen über die Grenzen der einzelnen Helligkeitsverteilungen hinweg erstrecken können und bei der Entscheidung, ob ein Oberflächendefekt vorliegt, jeweils der gesamte Fehlerbereich 16 berücksichtigt werden sollte. Die Bewertung etwaiger Fehlerbereiche 16 kann dann in identischer Weise erfolgen, wie für die Oberflächenprüfung der Stirnflächen 1, 3 des Lagerbauteils 2 beschrieben.
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Auf die geschilderte Weise kann eine Vielzahl verschiedener Oberflächendefekte ermittelt werden, wie beispielsweise Rostflecken, Kratzer, Risse, Pressfehler usw. Allerdings ist es sehr schwierig, sehr flache Vertiefungen zu ermitteln, die beispielsweise durch ein Aneinanderstoßen der Lagerbauteile 2 während der Fertigung verursacht werden und daher im folgenden als Hiebmarken bezeichnet werden. Zur Ermittlung von Hiebmarken wird deshalb ein abgewandeltes Verfahren angewendet, das im Folgenden näher beschrieben wird.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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In 6 sind zwei Konstellationen für die Anordnung der Lichtquelle 6 und des ortsauflösenden Detektors 7 zum Lagerbauteil 2 und zueinander dargestellt, die in der Regel nicht gemeinsam, sondern alternativ zueinander zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer ersten Konstellation schießen die Lichtquelle 6 und der ortsauflösende Detektor 7 einen Winkel von deutlich unter 90° miteinander ein. Die erste Konstellation entspricht bis auch die Anzahl der Lichtquellen 6 weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 4. Allerdings ist die Anordnung 7 gegenüber 4 im Detail etwas abgewandelt. Dadurch wird erreicht, dass der ortsauflösende Detektor 7 teilweise innerhalb und teilweise außerhalb eines Bereichs angeordnet ist, innerhalb dessen unter den gegebenen Bedingungen eine Abbildung unter Hellfeldbeleuchtung erfolgen kann. Mit anderen Worten, die Abbildung des Detektionsgebiets 13 auf der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 erfolgt zur gleichen Zeit bereichsweise in Hellfeldbeleuchtung und bereichsweise in Dunkelfeldbeleuchtung. Um die unterschiedlichen Verhältnisse anzudeuten, ist das direkte Beleuchtungslicht 9 in 6 so dargestellt, dass es nur einen Teilbereich des Detektionsgebiets 13 beleuchtet. Letztendlich wird aber das gesamte Detektionsgebiet 13 in irgendeiner Weise beleuchtet. Dies kann durch andere Lichtstrahlen der Lichtquelle 6 als das dargestellte Bündel des Beleuchtungslichts 9 oder auch durch Licht erfolgen, das an Gegenständen in der Umgebung des Lagerbauteils 2 reflektiert oder gestreut wurde usw. Dabei ist es weniger wichtig, wie die Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 im einzelnen beleuchtet wird, sondern dass die Gesamtanordnung so justiert wird, dass die Abbildung der Mantelfläche 4 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 zur gleichen Zeit teils unter Hellfeldbeleuchtung und teils unter Dunkelfeldbeleuchtung erfolgt.
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Gemäß einer zweiten Konstellation schießen die Lichtquelle 6 und der ortsauflösende Detektor 7 einen Winkel von ca. 90° miteinander ein, wobei die Lichtquelle 6 ungefähr tangential und der ortsauflösende Detektor 7 ungefähr senkrecht zur Mantelfläche 4 des Wälzlagerbauteils 2 orientiert ist. Auch hier ist eine präzise Ausrichtung erforderlich, um die Abbildung gerade im Übergang zwischen Hellfeld und Dunkelfeld durchführen zu können. Es ist aber auch eine relativ starke Abwandlung der zweiten Konstellation möglich, indem der ortsauflösende Detektor von der senkrechten Ausrichtung zur Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 nahezu in eine tangentiale Ausrichtung gebracht wird. Diese Abwandlung ist nicht eigens figürlich dargestellt und zeichnet sich dadurch aus, dass die Mantelfläche 4 nicht mehr detailgetreu abgebildet wird, sondern wegen des flachen Winkels ein relativ homogener Eindruck von der Mantelfläche 4 entsteht. Auch bei der Abwandlung wird teils unter Hellfeldbeleuchtung und teils unter Dunkelfeldbeleuchtung abgebildet.
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Die zu der Anordnung gemäß 6 zugehörige Helligkeitsverteilung weist einen als einen hellen Streifen ausgebildeten Hellfeldbereich 17 und einen als einen dunklen Streifen ausgebildeten Dunkelfeldbereich 18 auf, die aneinander grenzen (siehe 7).
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Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass in einer Helligkeitsverteilung, die unter derartigen Bedingungen ermittelt wird, Hiebmarken oder ähnliche Oberflächendefekte in einem Grenzbereich 19 zwischen dem Hellfeldbereich 17 und dem Dunkelfeldbereich 18 viel deutlicher sichtbar sind als innerhalb des Hellfeldbereichs 17 oder innerhalb des Dunkelfeldbereichs 18. Eine Abbildung unter derartigen Bedingungen eignet sich somit insbesondere zum Auffinden von Hiebmarken und ähnlichen Oberflächendefekten. Dabei wird analog zum bereits beschriebenen Vorgehen bei der Prüfung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 im Hellfeld oder im Dunkelfeld eine Serie von Helligkeitsverteilungen für unterschiedliche Rotationsstellungen des Lagerbauteils 2 ermittelt. Eine Ermittlung der mittleren Helligkeit der einzelnen Helligkeitsverteilungen ist nicht erforderlich, kann aber zu Normierungszwecken verwendet werden. Die Mittelung muss sich dabei nicht über die gesamte Helligkeitsverteilung erstrecken, sondern kann beispielsweise auch lediglich innerhalb des Hellfeldbereichs 17 durchgeführt werden. Die einzelnen Helligkeitsverteilungen werden in Umfangsrichtung aneinander gereiht, so dass sich die in 7 dargestellte zusammengesetzte Helligkeitsverteilung ergibt, die eine Abwicklung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 darstellt. Die Vorgehensweise bei der Auswertung der zusammengesetzten Helligkeitsverteilung wird anhand von 7 erläutert.
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7 zeigt ein Beispiel für eine mit dem ortsauflösenden Detektor 7 unter Grenzfeld-Beleuchtung erfasste zusammengesetzte Helligkeitsverteilung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2.
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Die zusammengesetzte Helligkeitsverteilung besteht aus einer Reihe von einzelnen Helligkeitsverteilungen, die jeweils einen Hellfeldbereich 17 und einen Dunkelfeldbereich 18 aufweisen, welche miteinander einen Grenzbereich 19 ausbilden.
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Vor oder nach dem Aneinanderreihen zur zusammengesetzten Helligkeitsverteilung wird in den einzelnen Helligkeitsverteilungen jeweils der Verlauf des Grenzbereichs 19 zwischen Hellfeldbereich 17 und Dunkelfeldbereich 18 ermittelt, der in der Regel als eine relativ scharfe Linie ausgebildet ist. Hierzu besteht beispielsweise die Möglichkeit, eine Gerade an den Grenzbereich anzufitten. Verläuft der Grenzbereich 19 geradlinig, so weist das korrespondierende Detektionsgebiet 13 der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 keine Hiebmarke auf. Die Geradlinigkeit des Grenzbereichs 19 kann durch einen Vergleich des tatsächlichen Verlaufs des Grenzbereichs 19 und der Fitt-Geraden ermittelt werden. Ein geradliniger Verlauf des Grenzbereichs 19 wird nur bis zu einer vorgegebenen maximalen lokalen Abweichung zwischen dem tatsächlichem Verläuft des Grenzbereichs und der Fitt-Geraden angenommen.
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Verläuft der Grenzbereich 19 nicht geradlinig, sondern weist einen Zacken 20 auf, so ist davon auszugehen, dass im korrespondierenden Detektionsgebiet 13 der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 eine Hiebmarke ausgebildet ist. Der Zacken 20 wird vermessen, um Form und Größe der Hiebmarke abzuschätzen. Dabei kann aus der Breite des Zackens 20, d. h. aus dessen Abmessungen in Achsrichtung des Lagerbauteils 2, unmittelbar die zugehörige Ausdehnung der Hiebmarke ermittelt werden. Die Ausdehnung der Hiebmarke in Umfangsrichtung des Lagerbauteils 2 kann daraus abgeschätzt werden, in wie vielen der aneinandergereihten Helligkeitsverteilungen der Zacken 20 erkennbar ist.
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Bei bekannter Beleuchtungs- und Abbildungsgeometrie kann zudem aus der Form des Zackens 20 ermittelt werden, ob der zugehörige Oberflächendefekt als eine Erhöhung oder als eine Vertiefung ausgebildet ist.
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Bei der Prüfung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 mit den in den 4 und 6 dargestellten Messanordnungen führt das Lagerbauteil 2 jeweils eine Rotationsbewegung aus, um durch eine Serie von Einzelmessungen letztendlich die gesamte Mantelfläche 4 abzutasten. Zusätzlich zu dieser Rotationsbewegung kann das Lagerbauteil 2 während der Messung auch eine Translationsbewegung, insbesondere die bereits in 3 dargestellte Bewegung eines Strangs von Lagerbauteilen 2 ausführen, wenn die Prüfung der Mantelfläche 4 im Durchlauf erfolgen soll. Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten kann die Translationsbewegung eine unscharfe Abbildung des Detektionsgebiets 13 auf die lichtempfindliche Fläche 12 des ortsauflösenden Detektors 7 zur Folge haben. Anhand von 8 wird erläutert, durch welche Maßnahmen dies verhindert werden kann.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Prüfung der Mantelfläche 4 der Lagerbauteile 2 im kontinuierlichen Durchlauf gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
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Die Lagerbauteile 2, die in einem Abstand zueinander in einem Strang angeordnet sind, rotieren jeweils um ihre eigene Rotationsachse und bewegen sich zusätzlich translatorisch. Neben dem Strang ist die Lichtquelle 6 angeordnet, die sich in Strangrichtung über mehrere Lagerbauteile 2 erstreckt und beispielsweise als eine Leuchtstoffröhre ausgebildet sein kann. Weiterhin sind neben dem Strang der ortsauflösende Detektor 7 und die Auswerteelektronik 8 angeordnet. Dabei ist zumindest der ortsauflösende Detektor 7, optional auch die Auswerteelektronik 8 parallel zur Strangrichtung beweglich angeordnet. Insbesondere kann der ortsauflösende Detektor 7 synchron zu den Lagerbauteilen 2 bewegt werden.
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Während der Durchführung der Oberflächenprüfung werden die Mantelflächen 4 der Lagerbauteile 2 mit der ortsfesten Lichtquelle 6 beleuchtet. Der ortsauflösende Detektor 7 führt während der Oberflächenprüfung eine Translationsbewegung durch, die mit der Translationsbewegung der Lagerbauteile 2 synchronisiert ist, d. h. der ortsauflösende Detektor 7 wird mit den Lagerbauteilen 2 mitbewegt. Dies bedeutet, dass der ortsauflösende Detektor 7 bezogen auf die Translationsbewegung relativ zu den Lagerbauteilen 2 ruht und somit eine scharfe Abbildung des Detektionsgebiets 13 auf der Mantelfläche 4 des jeweiligen Lagerbauteils 2 allenfalls durch die Rotationsbewegung des Lagerbauteils 2 gestört wird.
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Die Auswertung der durch die Abbildung erzeugten Helligkeitsverteilung kann in analoger Weise erfolgen, wie anhand der 4 bis 7 beschrieben. Nach der Messung wird der ortsauflösende Detektor 7 entgegen der Bewegungsrichtung der Lagerbauteile 2 in seine Ausgangsposition zurückbewegt und dann eine neue Messung gestartet. Um eine lückenlose Prüfung der Mantelflächen 4 aller Lagerbauteile 2 zu ermöglichen, können mehrere ortsauflösende Detektoren 7 vorgesehen sein, die alternierend eingesetzt werden, d. h. während ein ortsauflösender Detektor 7 zur Durchführung der Messung mit den Lagerbauteilen 2 mitbewegt wird, wird ein anderer ortsauflösender Detektor 7 in entgegengesetzter Richtung in seine Ausgangsposition zurückbewegt, um bei der nächsten Messung eingesetzt zu werden.
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Um eine möglichst zuverlässige Aussage über Oberflächendefekte zu erhalten, können bei der Prüfung der Mantelfläche 4 des Lagerbauteils 2 jeweils mehrere Beleuchtungsarten eingesetzt werden, d. h. es kann eine Oberflächenprüfung unter Hellfeld-Beleuchtung und/oder eine Oberflächenprüfung unter Dunkelfeldbeleuchtung und/oder eine Oberflächenprüfung unter Grenzfeldbeleuchtung durchgeführt werden. Die einzelnen Beleuchtungsarten können in einer einzigen Prüfstation gemeinsam zur Anwendung kommen oder es kann für jede Beleuchtungsart eine eigene Prüfstation vorgesehen sein.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere, beispielsweise vier, ortsauflösende Detektoren 7 axial nebeneinander anzuordnen, so dass pro ortsauflösendem Detektor 7 jeweils eine geringere Anzahl von lichtempfindlichen Flächen benötigt wird und somit jeder ortsauflösende Detektor 7 schneller ausgelesen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stirnfläche
- 2
- Lagerbauteil
- 3
- Stirnfläche
- 4
- Mantelfläche
- 5
- zentrale Mulde
- 6
- Lichtquelle
- 7
- ortsauflösender Detektor
- 8
- Auswerteelektronik
- 9
- Beleuchtungslicht
- 10
- Beleuchtungsgebiet
- 11
- Abbildungsoptik
- 12
- lichtempfindliche Fläche
- 13
- Detektionsgebiet
- 14
- Auswertebereich
- 15
- Auswertebereich
- 16
- Fehlerbereich
- 17
- Hellfeldbereich
- 18
- Dunkelfeldbereich
- 19
- Grenzbereich
- 20
- Zacken
