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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren oder dergleichen kontinuierlich erzeugten Gütern mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung, deren wenigstens eine Lichtquelle einen Oberflächenbereich des zu untersuchenden, schnell bewegten Prüflings mit von ihr ausgesandtem Licht beleuchtet, und mit einer Detektionseinrichtung, der die optische Informationen von dem beleuchteten Prüfling aufnimmt, und mit einem Steuermittel mit wenigstens einer elektronischen Schaltung, welches Steuermittel die Detektionseinrichtung steuert und von dieser empfangene Signale auswertet, wobei die Detektionseinrichtung mehrstufig ausgebildet ist und das Steuermittel abhängig vom Ergebnis einer Auswertung der optischen Information einer ersten Detektionsstufe die Durchführung der Aufzeichnung optischer Informationen einer zweiten Detektionsstufe auslöst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren.
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Eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächeninspektion kennt man bereits aus der
EP 0 275 469 B1 , in welcher die Untersuchung der Oberfläche eines Halbleiterplättchens auf Verunreinigungen durch Partikel, die sich bei der Herstellung von integrierten elektrischen Schaltkreisen auf der Oberfläche ablagern können, offenbart ist. Dabei werden Plättchen optisch abgetastet, das Abtasten der gesamten Plättchenoberfläche ist durch Relativbewegung in zwei Richtungen beschrieben. Hiermit sind die betreffende Vorrichtung und das zugehörige Verfahren aber auf das in der beschriebenen Situation durchaus ausreichende Funktionieren bei einer ebenen Fläche beschränkt.
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Viele Güter werden heutzutage jedoch als sogenannten Bahnwaren hergestellt, dieses können etwa Stränge, Profile, Drähte, Rohre, Fasern oder dergleichen mehr Gegenstände sein, deren Längserstreckung ihre Ausdehnung in der Breite um eine Vielfaches übertrifft.
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Die Länge dieser Gegenstände kann dabei durchaus in der Größenordnung von Kilometern liegen, so dass sie zum Transport und zur Bevorratung beispielsweise auf große Rollen oder Trommeln gewickelt sind.
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Beispielsweise aufgrund ihrer Formgebung oder aber bedingt durch ihr jeweiliges Herstellungsverfahren können die erwähnten Bahnwaren dabei mit unterschiedlichen Oberflächendefekten aus dem Produktionsvorgang hervor gehen. Solche Fehler können bei Gebrauch der betreffenden Ware leicht zu deren Versagen führen, was insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ein nicht hinnehmbarer Qualitätsmangel wäre. Daher werden solche Bahnwaren einer Oberflächeninspektion unterzogen, bevor sie zum Beispiel auf eine Trommel gewickelt werden. Bei der vorher erwähnten, möglichen Längserstreckung der Waren muss diese Inspektion mit einer erheblichen Geschwindigkeit von statten gehen, damit dieser Kontrollschritt innerhalb der Produktion mit Blick auf den zeitlichen Aufwand vertretbar bleibt. Gleichzeitig dürfen aber keine kritischen Defekte an der konkreten Bahnware übersehen werden. Dies wiederum kann nur mit einer hohen Fehlerempfindlichkeit der Detektionseinrichtung erreicht werden. Hierbei kommt es auch zu einer Anzahl von sogenannten „False-Positive”-Meldungen, bei denen trotz Meldung eines Fehlers ein solcher gar nicht vorliegt, die aber den Kontrollprozess verzögern.
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Sind die zu detektierenden Defekte der Oberfläche also klein, die Vorschubgeschwindigkeit aber sehr groß, bedeutet das für eine hundertprozentige Kontrolle, dass die zu inspizierende Fläche pro Zeit sehr groß wird. Selbst mit High-End-Bildverarbeitungssystemen ist dann die Grenze hinsichtlich Defektgröße und Vorschubgeschwindigkeit schnell erreicht. „Schnell bewegt” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der betreffende Prüfling mit Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich einiger Meter pro Sekunde an der Detektionseinrichtung vorbei bewegt werden kann.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Oberflächen von Bahnwaren mit möglichst hoher Fehlererkennungsrate und geringer Detektionsfehlerquote in vertretbarer Zeit zuverlässig kontrolliert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die erste Detektionsstufe der Detektionseinrichtung als Detektor mit einer Mehrzahl von Detektionskanälen vorgesehen ist, denen jeweils wenigstens ein Sensor zugeordnet ist und die Sensoren in einem vorgebbaren Abstand von dem Oberflächenbereich des Prüflings eine räumliche Anordnung bilden, in der die Sensoren von dem Oberflächenbereich gestreutes Licht erfassen, und dass die zweite Detektionsstufe als Bildverarbeitungssystem mit wenigstens einer Kamera, einem Objektiv und gegebenenfalls eigenständiger Beleuchtung ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird hierbei also die Defektdetektion in zwei Stufen aufgegliedert, bei denen die erste Stufe bevorzugt eine sehr schnelle, dafür aber eher unspezifische Erfassung von optischen Informationen und gegebenenfalls Fehlern durchführt. Unterschiedliche Fehlertypen an Oberflächenbereichen weisen hierbei jeweils ein charakteristisches Signalmuster auf. Die Detektion eines solchen charakteristischen Signals kann dann die Aufzeichnung optischer Informationen durch eine zweite Detektionsstufe auslösen, etwa dadurch, dass ein Triggerpuls des Steuermittels Bildaufnahmen der zweiten Detektionsstufe startet. Die Inspektionsvorrichtung kann mit ihrer zweiten Detektionsstufe als Bildverarbeitungssystem mit wenigstens einer Kamera, einem Objektiv und gegebenenfalls eigenständiger Beleuchtung ausgebildet sein, die in der Lage ist, wenigstens ein Bild des zuvor von der ersten Detektionsstufe als verdächtig identifizierten Oberflächenbereichs mit einem bildgebenden Verfahren zu visualisieren. Für den Fall, dass jeweils einzelne Bilder des betreffenden Oberflächenbereichs zur zuverlässigen Zuordnung einzelner Fehlstellen genügen, benötigt das erwähnte Bildverarbeitungssystem nicht einmal notwendiger Weise eine hohe Bildwiederholrate, da nur dann Bilder aufgezeichnet werden müssen, wenn aufgrund des mit dem mehrkanaligen Streulichtdetektor aufgezeichneten Signals überhaupt der Verdacht auf einen Fehler vorliegt.
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Eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung kann mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung versehen sein, die mit einem Laser als wenigstens einer Lichtquelle ausgebildet ist, dessen Strahl punkt- oder linienförmig auf der Oberfläche des Prüflings abgebildet ist, so dass die kontinuierlich in Vorschubrichtung bewegten Oberflächenbereiche mit scharf gebündeltem Licht hoher Intensität beleuchtet werden und in der Lage sind, dieses in Richtung der Detektionseinrichtung zu streuen. Es können dabei auch mehrere Laser zur Beleuchtung vorgesehen sein. Eine „punktförmige” Abbildung des Strahls ist dabei nicht streng wörtlich zu nehmen, da diese Abbildung immer einen gewissen Flächenanteil aufweisen wird und von der Fokussierung des Laserfokus abhängt.
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Dabei können die Sensoren in einer bevorzugten Weiterbildung in einem vorgebbaren Abstand von dem Oberflächenbereich des Prüflings eine räumliche Anordnung bilden, wobei sich der jeweilige Anordnungsort des Sensoren zumindest in seinem Winkel bezüglich einer Referenzebene, insbesondere der durch den beleuchteten Oberflächenbereich des Prüflings gebildete Ebene, unterscheidet. Durch Anordnung von zumindest zwei Sensoren in unterschiedlichem Winkel zu dem Prüfling wird also eine winkelaufgelöste Streulichtmessung erreicht.
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Besonders bevorzugt können die erwähnten Sensoren des Detektors an der ersten Detektionsstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Fotodioden gebildet sein.
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Um den potentiell mit einem Defekt behafteten Oberflächenbereich bei der Aufnahme mit einer zweiten Detektionsstufe gut sichtbar machen und dann weiter auswerten zu können kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Inspektionsvorrichtung der zweiten Detektionsstufe eine eigene, zweite Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein elektronisches Blitzgerät, zugeordnet sein. Dessen Auslösung kann wiederum durch das Steuermittel veranlasst und natürlich mit der Auslösung der Kamera des Bildverarbeitungssystems der zweiten Detektionsstufe synchronisiert sein.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung sind die Sensoren des mehrkanaligen Detektors mit einem Triggerelement des Steuermittels elektrisch verbunden, welches die einzelnen Sensorsignale gegebenenfalls A/D-wandelt und welches mit einem digitalen Ausgang versehen ist. Das Triggerelement veranlasst, wie bereits erwähnt, die Auslösung von Bildaufnahmen und deren Beleuchtung. Außerdem kann das Triggerelement mit Wandlern für die einzelnen Detektionskanäle versehen sein, um das jeweilige Signal zu digitalisieren. Die Triggerung von Kamera und Beleuchtung kann aber auch in analoger Schaltungstechnik ausgeführt sein, was die AD-Wandler überflüssig machte.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung, die eine schnelle Signalverarbeitung sicherstellt, weist das Steuermittel wenigstens eine zu einer schnellen Verarbeitung der Signale geeignete Recheneinheit, insbesondere einen als FPGA (field programmable gate array) ausgebildeten, integrierten Schaltkreis auf, der die Signale der einzelnen Sensoren mit hoher Abtastrate abtastet und anschließend weiter verarbeitet. Besonders bevorzugt beträgt die Abtastrate fS der Recheneinheit, also das sogenannte sampling, hierbei zwischen 1 ≤ fS ≤ 100 MHz. Ein solcher FPGA hat den Vorteil leistungsstark und frei konfigurierbar zu sein, erlaubt ein sampling auch oberhalb von 100 MHz, die Auswertung kann individuell gestaltet werden und es sind Verzögerungen einstellbar. Bei analoger Schaltung der betreffenden Logik könnten entsprechend FPAA (analog array) zum Einsatz kommen.
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Nach der Abtastung können anschließend die Signale der verschiedenen Kanäle miteinander verrechnet werden und die Signale selbst und die Ergebnisse der Berechnungen mit Schwellwerten abgeglichen werden. Bestimmte Signalmuster sind für bestimmte Fehlertypen auf der Oberfläche des Prüflings charakteristisch. Dabei kann auch ein Signal ab einer gewissen Intensität für einen Detektor charakteristisch sein. Wird ein solches charakteristisches Signal detektiert, wird über den digitalen Ausgang ein Triggerpuls ausgegeben, der am angeschlossenen Bildverarbeitungssystem eine (oder mehrere aufeinander folgende) Bildaufnahmen startet. Eine Triggerschwelle kann sich hierbei auch auf unterschiedliche Kriterien beziehen, etwa auf einen über alle Kanäle gemittelten Wert oder die Pegel bestimmter Kanäle.
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Schließlich kann der Vorrichtung in einer zweckmäßigen Ausführung ein Transportmittel zugeordnet sein, welches die Prüflinge der Bahnwaren mit einer Vorschubgeschwindigkeit v von mehr als 10 m/s bezüglich der Detektionseinrichtung translatorisch bewegt.
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Die oben gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Inspektionsvorrichtung, beispielsweise einer der vorstehend beschriebenen, bei welchem Verfahren erfindungsgemäß von einer ersten Detektionsstufe der Detektionseinrichtung kontinuierlich an Oberflächenbereichen des Prüflings gestreutes Licht erfasst und als Signal an das Steuermittel übergeben wird, bei dem das übergebene Signal durch das Steuermittel ausgewertet und anschließend durch dieses entschieden wird, ob der einem konkreten Signal zugeordnete Oberflächenbereich durch eine zweite Detektionsstufe der Detektionseinrichtung optisch erfasst wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass bei Erfassung eines für einen Oberflächenfehler charakteristischen Signalmusters durch die erste Detektionsstufe an einem digitalen Ausgang des Steuermittels ein Triggersignal ausgegeben wird, durch welches an der zweiten Detektionsstufe die Aufnahme eines oder einer Serie von Bildern ausgelöst wird. Weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens unterziehen die von der zweiten Detektionsstufe erfassten Bilder einer automatisierten Auswertung, die in der Regel wieder eng mit der Erkennung von für bestimmte Defekte eines Oberflächenbereichs charakteristischen Signalmustern verknüpft sind oder die Varianten verknüpfen von der zweiten Detektionsstufe erfasste Bilder von Oberflächenbereichen mit einer Ortsinformation, die die Auffindung des Oberflächenbereichs erleichtert. Beispielsweise kann für eine auf einer Trommel aufgewickelte Bahnware beim Wicklungsvorgang ein Drehgeber angeschlossen sein, dessen Werte die Zuordnung der Wicklungszahl zur Lage eines konkreten Defekts auf der Trommel gestattet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. In schematisierter Darstellung ist dabei in der einzigen Zeichnungsfigur 1 dabei zunächst eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren zu erkennen. Entlang der Inspektionsvorrichtung 1 transportiert ein Transportmittel 20 ebene Prüflinge 2 mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit v > 10 m/s in horizontaler Richtung für den Betrachter von links nach rechts, die Vorschubrichtung ist dabei durch den Pfeil 5 angedeutet. Ein Laser 4 der Beleuchtungseinrichtung 3 bescheint den an ihm vorbei laufenden Prüfling 2 mit seinem Laserstrahl 6 und projiziert an dessen Oberfläche eine Laserlinie, die sich, in der 1 nicht erkennbar, quer zur Vorschubrichtung erstreckt.
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Von der Oberfläche des Prüflings 2 wird Streulicht 7 zurück geworfen. Es gelangt oberhalb des Prüflings 2, in Vorschubrichtung hinter dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 6 an dessen Oberfläche, an einen bestimmten Raumwinkelbereich überdeckenden Detektor 8 mit mehreren Detektionskanälen, denen jeweils eine Fotodiode als Sensor 9 zugeordnet ist. Die Sensoren bilden also eine räumliche Anordnung. Der Detektor 8 bildet die erste Detektionsstufe 10.
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Eine zweite Detektionsstufe 11 bildet ein Bildverarbeitungssystem 12, das mit einer Kamera 13, einem Objektiv 14 und einer zweiten Lichtquelle 15 ausgestattet ist, wobei letztere durch den elliptischen Torus in der 1 schematisch angedeutet ist. Diese Lichtquelle 15 beleuchtet den durch die erste Detektionsstufe 10 als „verdächtig” identifizierten Oberflächenbereichs bei dessen Vorbeibewegung an der zweiten Detektionsstufe 11 und sorgt derart für die benötigte Belichtung von deren Aufnahme bzw. Aufnahmen.
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Ausgelöst wird die Aufnahme der zweiten Detektionsstufe 11 durch ein einem Steuermittel 16 zugeordneten Triggerelement 17, mit welchem die Sensoren 9 des mehrkanaligen Detektors 8 elektrisch verbunden sind. Die einzelnen Sensorsignale werden durch das Triggerelement 17 A/D-gewandelt und das Triggerelement 17 schaltet an seinem digitalen Ausgang 18 sowohl die Beleuchtung des zu inspizierenden Oberflächenbereichs durch die Lichtquelle 15, als auch die Aufnahme mittels der zweiten Detektionsstufe 11. Hierzu weist das Steuermittel 16 eine zu einer schnellen Verarbeitung der Signale geeignete Recheneinheit 19 auf, die als FPGA ausgebildet ist, der die Signale der Sensoren 9 zum einen mit hoher Abtastrate abtastet und anschließend dahingehend weiter verarbeitet, dass eine Entscheidung über das Auslösen weiterer Aufnahmen durch die zweite Detektionsstufe getroffen und notwendigenfalls die entsprechenden Pulse durch das Triggerelement 17 ausgelöst werden.
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Demgemäß betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung also eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren oder dergleichen kontinuierlich erzeugten Gütern mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung 3, deren wenigstens eine Lichtquelle 4, 15 einen Oberflächenbereich des zu untersuchenden, schnell bewegten Prüflings 2 mit von ihr ausgesandtem Licht beleuchtet, und mit einer Detektionseinrichtung 30, die die optischen Informationen von dem beleuchteten Prüfling 2 aufnimmt, und mit einem Steuermittel 16 mit wenigstens einer logischen Schaltung, welches Steuermittel 16 die Detektionseinrichtung 30 steuert und von dieser empfangene Signale auswertet. Um eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Oberflächeninspektion von Bahnwaren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Oberflächen von Bahnwaren mit möglichst hoher Fehlererkennungsrate und geringer Detektionsfehlerquote in vertretbarer Zeit zuverlässig kontrolliert werden können, ist die Detektionseinrichtung 30 mehrstufig ausgebildet ist und das Steuermittel 16 löst abhängig vom Ergebnis einer Auswertung der optischen Information einer ersten Detektionsstufe 10 die Durchführung der Aufzeichnung optischer Informationen einer zweiten Detektionsstufe aus.
