DE102016111544A1

DE102016111544A1 - Laser-Scan-System

Info

Publication number: DE102016111544A1
Application number: DE102016111544.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Braun
Original assignee: Hochschule Duesseldorf
Current assignee: Hochschule Duesseldorf
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28
Also published as: WO2017220452A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laser-Scan-System (2), zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte, umfassend eine Lasereinheit (4), die dazu eingerichtet ist, eine zu untersuchende Oberfläche (8) eines Objekts mit einem Laserstrahl zeilenartig zu überstreichen, einen Zeilensensor (16), der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektorelementen (14) in einer Längsrichtung (20) aufweist, wobei die Lasereinheit (4) und der Zeilensensor (16) derart zueinander angeordnet sind, dass eine von dem Laserstrahl zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge (10) auf die zu untersuchende Oberfläche (8) trifft, die ausgestrahlte Lichtmenge (10) zumindest teilweise von der Oberfläche (8) reflektiert wird, ein Teil der reflektierten Lichtmenge (12) wenigstens von einem Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) direkt erfassbar ist, und ein Lichtmuster auf dem Zeilensensor (16) erzeugbar ist, und eine Auswerteeinheit (18), über die die von dem wenigstens einen Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) erfasste Lichtmenge und/oder das auf dem Zeilensensor (16) erzeugte Lichtmuster auswertbar ist. Auf diese Weise wird ein Laser-Scan-System bereitgestellt, dass eine kostengünstige und zuverlässige Überprüfung von großflächigen lackierten Oberflächen, insbesondere im Automobilbereich, ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Scan-System zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Laser-Scan-Systems zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte im Bereich der Automobilindustrie, insbesondere im Bereich von automobilen Produktionslinien zur Lacküberprüfung, und ein Oberflächenprüfverfahren zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte.
Bevor ein Fahrzeug die Produktionshallen verlässt, durchläuft es einen finalen Check. Hierbei wird unter anderem die lackierte Oberfläche des Fahrzeugs auf etwaige Lackschäden überprüft. Eine durchaus übliche und gängige Methode zum Überprüfen der lackierten Oberfläche eines Fahrzeugs ist die durch eine oder mehrere geschulte Mitarbeiter durchgeführte visuelle Lacküberprüfung, unterstützt durch eine Inspektionsbeleuchtung. Hierbei kommen in der Regel Leuchtensysteme zum Einsatz, die das Licht direkt auf die lackierte Oberfläche des Fahrzeugs strahlen und durch die Erzeugung eines vertikalen Kontrastbilds eine Kontrolle der Oberfläche auf Lachschäden ermöglichen. Die Arbeit mit diesen Systemen ist häufig wenig ergonomisch und kann für die Augen durch Helligkeit und direkte Reflexion von der lackierten Oberfläche sehr anstrengend sein und das Erkennen von Lackschäden erschweren. Zudem ist die manuelle Lackprüfung zeit- und aufgrund des Personaleinsatzes kostenintensiv.
Kleine Oberflächen mit Kantenlängen von wenigen Dezimetern werden beispielsweise mit Kameras auf Oberflächenfehler abgescannt. Derartige Kameras weisen ein ablichtendes Objektiv auf, erzeugen hohe Datenvolumina und sind zudem aufgrund des ablichtenden Objektivs sehr teuer in der Anschaffung. Für das Erfassen von Oberflächenfehlern auf größeren Flächen, wie dies vorzugsweise im Bereich der Automobilindustrie beim Überprüfen von Lackfehlern gegeben ist, ist ein kamerabasiertes Verfahren zur Oberflächenprüfung daher weniger geeignet.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung ein Laser-Scan-System bereitzustellen, dass eine kostengünstige und zuverlässige Überprüfung von großflächig lackierten Oberflächen, insbesondere im Automobilbereich, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Laser-Scan-System zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte bereitgestellt, umfassend eine Lasereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine zu untersuchende Oberfläche eines Objekts mit einem Laserstrahl zeilenartig zu überstreichen, einen Zeilensensor, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektorelementen in einer Längsrichtung aufweist, wobei die Lasereinheit und der Zeilensensor derart zueinander angeordnet sind, dass eine von dem Laserstrahl zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge auf die zu untersuchende Oberfläche trifft, die ausgestrahlte Lichtmenge zumindest teilweise von der Oberfläche reflektiert wird, ein Teil der reflektierten Lichtmenge wenigstens von einem Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente direkt erfassbar ist, und ein Lichtmuster auf dem Zeilensensor erzeugbar ist, und eine Auswerteeinheit, über die die von dem wenigstens einen Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente erfasste Lichtmenge und/oder das auf dem Zeilensensor erzeugte Lichtmuster auswertbar ist.
Es ist somit ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass der Laser die zu untersuchende Oberfläche zeilenartig überstreicht bzw. scannt. Hierbei wird von dem Laser eine Lichtmenge zeilenartig auf die zu untersuchende Oberfläche ausgestrahlt. Wenigstens ein Teil der auf die zu untersuchende Oberfläche ausgestrahlten Lichtmenge reflektiert von der Oberfläche und ein Teil der reflektierten Lichtmenge wird von lichtempfindlichen Detektorelementen eines Zeilensensors direkt erfasst. Die direkte Erfassung bedeutet, dass zwischen der Oberfläche und dem Zeilensensor keine Kamera bzw. kein ablichtendes Objektiv angeordnet ist und die lichtempfindlichen Detektorelemente des Zeilensensors wenigstens ein Teil der reflektierten Lichtmenge direkt und demnach unmittelbar erfassen. Somit ist das Laser-Scan-System kamerafrei bzw. objektivfrei. Die von dem Zeilensensor direkt erfasste reflektierte Lichtmenge erzeugt auf dem Zeilensensor ein Lichtmuster. Die direkt erfasste Lichtmenge bzw. das auf dem Zeilensensor erzeugte Lichtmuster wird von einer Auswerteeinheit erfasst und mit nachfolgenden erfassten Lichtmengen bzw. Lichtmustern abgeglichen. Fehlstellen in der Oberfläche weisen im Vergleich zur unmittelbaren Umgebung der Fehlstelle einen geänderten Gradienten in der Oberfläche auf. Im Vergleich zur Umgebung der Fehlstelle wird im Bereich der Fehlstelle die auf die Fehlstelle auftreffende Lichtmenge aufgrund des geänderten Gradienten in der Oberfläche derart reflektiert, dass auf dem Zeilensensor ein entsprechend geändertes Lichtmuster bzw. Beugungsbild erzeugt wird. Auf diese Weise können durch das zeilenartige überstreichen bzw. scannen der zu untersuchenden Oberfläche und das direkte Erfassen der von der Oberfläche reflektierten Lichtmenge durch einen Zeilensensor großflächige lackierte Oberflächen kostengünstig und zuverlässig auf Lackschäden überprüft werden.
Unter einem lackierten Objekt wird vorzugsweise ein teilweise lackiertes Objekt verstanden, dass wenigstens in Teilbereichen eine lackierte Oberfläche aufweist. Vorzugsweise ist das lackierte Objekt ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein Anhänger für ein Kraftfahrzeug. Ganz besonders bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (PKW) oder ein Lastkraftwagen (LKW).
Unter einer großflächigen Oberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche eines Fahrzeugs zu verstehen. Besonders bevorzugt weist die Oberfläche eine Kantenlänge ≥ 1,00 m, vorzugsweise eine Kantenlänge ≥ 1,50 m und ganz besonders bevorzugt eine Kantenlänge ≥ 2,00 m, auf.
Die Lasereinheit erzeugt vorzugsweise einen Laserstahl mit dem ein kohärentes Licht erzeugt wird. Der Laserstrahl bzw. die vom Laser ausgestrahlte Lichtmenge wird zeilenartig auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert. Die zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge kann vorzugsweise gradlinig sein. Besonders bevorzugt weist die zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge eine oder mehrere Krümmungen auf. Auf diese Weise kann die zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge vorzugsweise bogenförmig ausgebildet sein.
Die lichtempfindlichen Detektorelemente sind vorzugsweise Fotodetektoren. Besonders bevorzugt werden einzelne lichtempfindliche Detektorelemente in einer Zeile lückenlos aneinandergereiht, um einen Zeilensensor zu bilden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit und der Zeilensensor derart zueinander angeordnet sind, dass der Laser die zu untersuchende Oberfläche zeilenartig in einer Richtung parallel zur Längsrichtung der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente überstreicht. Somit überstreicht bzw. scannt der Laser die zu untersuchende Oberfläche in einer Zeile und die von dem Laser überstrichene Zeile auf der zu untersuchenden Oberfläche verläuft in einer Richtung parallel zur Längsrichtung der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente und somit in einer Richtung parallel zur Längsrichtung des Zeilensensors. Auf diese Weise kann eine möglichst große Lichtmenge der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Lichtmenge von den lichtempfindlichen Detektorelementen direkt erfasst werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Lasereinheit dazu eingerichtet ist, die zu untersuchende Oberfläche zeilenartig mit wenigstens einer abschnittsweisen Lateralbewegung zu überstreichen. Auf diese Weise kann der Laser die ausgestrahlte Lichtmenge vorzugsweise in einem Bogen bzw. mit einer Krümmung auf die zu untersuchende Oberfläche aufbringen. Somit können vorzugsweise Wölbungen bzw. Krümmungen in der zu untersuchenden Oberfläche ausgeglichen. Es wird somit eine 2D-Laser-Scan-Einheit bereitgestellt, mit der ein Laserstrahl die zu untersuchende Oberfläche überstreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit in Richtung der Längsachse der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente des Zeilensensors angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Zeilensensor ein erstes Ende und ein in Längsrichtung der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente beabstandetes zweites Ende auf und die Lasereinheit ist an dem ersten Ende oder dem zweiten Ende angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Lasereinheit und der Zeilensensor derart angeordnet, dass wenigstens ein Teilbereich des Zeilensensors beabstandet zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet ist und die Lasereinheit beabstandet und versetzt zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet ist. Auf diese Weise trifft der Laserstrahl nicht frontal auf die zu untersuchende Oberfläche auf, sondern von einer Seite. Aufgrund der versetzten Anordnung der Lasereinheit zur zu untersuchenden Oberfläche kann die Winkelabhängigkeit der auf die Oberfläche auftretenden Lichtmenge erhöht werden. Auf diese Weise können kleine Fehlstellen, die im Vergleich zur unmittelbaren Umgebung der Fehlstelle einen geänderten Gradienten in der Oberfläche aufweisen, dazu führen, dass der Reflexionswinkel im Bereich der Fehlstelle geändert ist, wodurch die von der Oberfläche reflektierte Lichtmenge entsprechend von den lichtempfindlichen Detektorelementen erfasst und ein entsprechendes Lichtmuster bzw. Beugungsbild auf dem Zeilensensor erzeugt wird. Somit können vorzugsweise sehr kleine Fehlstellen, vorzugsweise kleiner 100 µm, erfasst werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit bezogen auf die Längsrichtung der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente den Laserstrahl in einem Winkel α zwischen 5° ≤ α ≤ 85°, vorzugsweise zwischen 10° ≤ α ≤ 80°, und besonders bevorzugt zwischen 15° ≤ α ≤ 75°, ausstrahlt. Bei einer beabstandeten Anordnung der Lasereinheit zur zu untersuchenden Oberfläche trifft der Laserstrahl und somit die ausgestrahlte Lichtmenge nicht frontal auf die zu untersuchende Oberfläche auf, sondern in einem Winkel.
Grundsätzlich kann der Zeilensensor mehrere Meter lang sein. Vorzugsweise orientiert sich die Länge des Zeilensensors an der Länge der von dem Laser gescannten bzw. überstrichen Zeile der zu untersuchenden Oberfläche. Bevorzugt ist die Länge des Zeilensensors größer als die Länge der von dem Laser gescannten bzw. überstrichenen Zeile der zu untersuchenden Oberfläche. Vorzugsweise weist der Zeilensensor eine Länge l zwischen 0,5 m ≤ l ≤ 10 m, vorzugsweise zwischen 1 m ≤ l ≤ 7 m und besonders bevorzugt zwischen 2 m ≤ l ≤ 6 m auf. Der Zeilensensor eignet sich somit vorzugsweise zur Überprüfung großer lackierter Oberflächen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zeilensensor gradlinig ausgebildet ist. Mit einem gradlinig ausgebildeten Zeilensensor können vorzugsweise großflächige und im Wesentlichen überwiegend ebene Oberflächen auf Lackschäden überprüft werden. Unter einer überwiegend ebenen Oberfläche werden vorzugsweise Seitenflächen von Fahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, sowie lackierte Außenflächen von Anhängern verstanden, die zumindest Abschnittsweise eine leichte Wölbung aufweisen können. Vorzugsweise ist der gradlinig ausgebildete Zeilensensor beabstandet und Wesentlichen parallel zu der überwiegend ebenen Oberfläche angeordnet. Im Wesentlichen parallel bedeutet dabei, dass eine Oberflächenseite eines Fahrzeugs, die zumindest Abschnittsweise eine Wölbung aufweisen kann, im Abstand zum gradlinigen Zeilensensor angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Lasereinheit und der Zeilensensor derart angeordnet, dass die zu untersuchende Oberfläche in einem Abstand a zwischen 0,20 m ≤ a ≤ 2,00 m, vorzugsweise zwischen 0,40 m ≤ a ≤ 1,50 m und ganz bevorzugt in einem Abstand 0,50 m ≤ a ≤ 1,00 m, zur Lasereinheit und zum Zeilensensor vorbeiführbar ist.
Bei einem Abstand a von 0,50 m ≤ a ≤ 1,00 m zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und dem Zeilensensor und Laser in Verbindung mit einer versetzten Anordnung des Lasers zur zu untersuchenden Oberfläche ist eine große Winkelabhängigkeit auf räumliche Gradienten in der zu untersuchten bzw. von dem Laser gescannten Oberfläche gegeben, so dass kleine Oberflächenfehler zu einer geänderten Reflexion der von dem Laser ausgestrahlten Lichtmenge führen und somit ein für Oberflächenfehler charakteristisches geändertes Lichtmuster auf dem Zeilensensor erzeugt wird.
Die zu untersuchende Oberfläche wird von der Lasereinheit zeilenartig überstrichen und die von der Oberfläche reflektierte Lichtmenge wird von dem Zeilensensor erfasst. Zur vollständigen Überprüfung einer Oberfläche muss der Laser die gesamte zu untersuchende Oberfläche zeilenartig überstreichen. Hierzu können die Lasereinheit und der Zeilensensor an der zu untersuchenden Oberfläche vorbeigeführt werden. Vorzugsweise sind die Lasereinheit und der Zeilensensor stationär ausgebildet und die zu untersuchende Oberfläche wird an der Lasereinheit und dem Zeilensensor vorbeigeführt. Auf diese Weise kann das Laser-Scan-System mit geringem Aufwand in eine bestehende Produktionsstraße integriert werden.
Die Auflösung von Oberflächenfehlern hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit, mit der die zu untersuchenden Oberfläche an der Lasereinheit und dem Zeilensensor vorbeigeführt wird und von der Scan-Wiederholrate des Lasers ab. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit eine Scan-Wiederholrate zwischen 100 Hz bis 1 kHz, vorzugsweise zwischen 100 Hz bis 500 Hz, aufweist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass über die Auswerteeinheit eine Änderung der erfassten Lichtmenge oder des erzeugten Lichtmusters erfassbar und kategorisierbar ist. Der Laser ist eine kohärente Lichtquelle. Bei einem von dem Laserstrahl überstrichenen Oberflächenfehler in der von dem Laserstrahl gescannten Zeile erzeugt die von der gescannten Oberfläche reflektierte Lichtmenge ein Lichtmuster bzw. ein Beugungsbild auf dem Zeilensensor, das der Fouriertransformierten des beugenden Oberflächenfehlers auf der gescannten Oberfläche entspricht. Das Beugungsbild bzw. das Lichtmuster sind charakteristisch für Oberflächenfehler, insbesondere Lackfehler. Auf diese Weise können die erzeugten Lichtmuster und somit die entsprechenden Oberflächenfehler durch eine Nachverarbeitung kategorisiert und vorzugsweise auf der gescannten Oberfläche lokalisiert werden.
Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung des erfindungsgemäßen Laser-Scan-Systems zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte im Bereich der Automobilindustrie, insbesondere im Bereich von automobilen Produktionslinien zur Lacküberprüfung von Fahrzeugen.
Es ist somit ein Aspekt der Erfindung, dass das erfindungsgemäße Laser-Scan-System zur Detektion von Oberflächenfehlern im Bereich der Automobilindustrie Anwendung findet. Auf diese Weise können Lackschäden von Fahrzeugen zuverlässig, berührungsfrei und kostengünstig erfasst werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit und der Zeilensensor derart zueinander angeordnet sind, dass die Lasereinheit in Richtung der Längsachse der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente angeordnet wird, wenigstens ein Teilbereich des Zeilensensors beabstandet zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet wird, und die Lasereinheit beabstandet und versetzt zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet wird. Auf diese Weise trifft der Laserstrahl nicht frontal auf die zu untersuchende Oberfläche auf, sondern von einer Seite. Aufgrund der versetzten Anordnung der Lasereinheit zur zu untersuchenden Oberfläche kann die Winkelabhängigkeit der auf die Oberfläche auftretenden Lichtmenge erhöht werden. Auf diese Weise können kleine Fehlstellen, die im Vergleich zur unmittelbaren Umgebung der Fehlstelle einen geänderten Gradienten in der Oberfläche aufweisen, dazu führen, dass der Reflexionswinkel im Bereich der Fehlstelle geändert ist, wodurch die von der Oberfläche reflektierte Lichtmenge entsprechend von den lichtempfindlichen Detektorelementen erfasst und ein entsprechendes Lichtmuster bzw. Beugungsbild auf dem Zeilensensor erzeugt wird. Somit können vorzugsweise sehr kleine Fehlstellen, vorzugsweise kleiner 100 µm, erfasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit und der Zeilensensor in einem Abstand zu einer Produktionslinie zur Lacküberprüfung der Oberfläche eines Fahrzeugs angeordnet werden, und der Abstand der Lasereinheit und des Zeilensensors zur Produktionslinie derart gewählt wird, dass der Abstand a der zu überprüfenden Oberfläche des in der Produktionslinie befindlichen Fahrzeugs zwischen 0,20 m ≤ a ≤ 2,50 m, vorzugsweise zwischen 0,4 m ≤ a ≤ 2,00 m und ganz bevorzugt in einem Abstand 0,5 m ≤ a ≤ 1,50 m, liegt. Bei einem Abstand von vorzugsweise 0,50 m ≤ a ≤ 1,00 m zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und dem Zeilensensor und Laser in Verbindung mit einer zur zu untersuchenden versetzten Anordnung des Lasers, ist eine große Winkelabhängigkeit auf räumliche Gradienten in der zu untersuchten bzw. von dem Laser gescannten Oberfläche gegeben, so dass kleine Oberflächenfehler zu einer geänderten Reflexion der von dem Laser ausgestrahlten Lichtmenge führen und somit ein geändertes Lichtmuster im Zeilensensor erzeugt wird, so dass vorzugsweise kleine Lackfehler detektierbar sind.
Die zu untersuchende Oberfläche wird von der Lasereinheit zeilenartig überstrichen und die von der Oberfläche reflektierte Lichtmenge wird von dem Zeilensensor direkt erfasst. Zum Überprüfen einer Oberfläche muss der Laser die gesamte zu untersuchende Oberfläche zeilenartig überstreichen. Hierzu können die Lasereinheit und der Zeilensensor an der zu untersuchenden Oberfläche vorbeigeführt werden. In einer bevorzugen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Lasereinheit und der Zeilensensor stationär ausgebildet sind und die zu untersuchende Oberfläche an der Lasereinheit und dem Zeilensensor, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelementen, vorbeigeführt wird. Auf diese Weise wird ein 3D-Profil des Fahrzeugs bzw. der von dem Laser überstrichenen Oberfläche erzeugt.
Grundsätzlich beziehen sich alle vorteilhaften und bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laser-Scan-Systems auch auf die erfindungsgemäße Verwendung des Laser-Scan-Systems zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte im Bereich der Automobilindustrie.
Die Erfindung betrifft zudem ein Oberflächenprüfverfahren, zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte, umfassend die Schritte:
Zeilenartiges Überstreichen eines zu überprüfenden Abschnitts einer Oberfläche mit einem Laserstrahl einer Lasereinheit;
Direktes Erfassen einer von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierten Lichtmenge von einer Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente eines Zeilensensors;
Erzeugen eines Lichtmusters basierend auf der von den lichtempfindlichen Detektorelementen empfangenen reflektierten Lichtmenge;
Auswerten der von der Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente erfassten reflektierten Lichtmenge und/oder des erzeugten Lichtmusters mittels einer Auswerteeinheit.
Es ist somit ein Aspekt der Erfindung, dass die zu untersuchende Oberfläche von der Lasereinheit bzw. dem Laserstrahl zeilenartig überstrichen und somit gescannt wird. Durch das überstreichen der Oberfläche mit dem Laser wird eine Lichtmenge auf die Oberfläche ausgestrahlt. Diese wird von der Oberfläche reflektiert. Ein Teil der von der Oberfläche reflektierten Lichtmenge wird direkt von einer Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente des Zeilensensor erfasst, wodurch ein Lichtmuster auf dem Zeilensensor erzeugt wird. Dieses wird mit einer Auswerteeinheit ausgewertet. Aufgrund der direkten Erfassung der reflektierten Lichtmenge von den lichtempfindlichen Detektorelementen wird ein kamera- und objektivfreies Verfahren zur Oberflächenprüfung bereitgestellt, dass eine kostengünstige und zuverlässige Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte ermöglicht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinheit in Richtung der Längsachse der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente angeordnet wird, wenigstens ein Teilbereich des Zeilensensors beabstandet zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet wird, und die Lasereinheit beabstandet und versetzt zur zu untersuchenden Oberfläche angeordnet wird. Vorzugsweise ist vorgehsehen, dass der Laserstrahl nicht frontal auf die zu untersuchende Oberfläche auftrifft, sondern von der Seite und somit in einem Einstrahlwinkel. Oberflächenfehler weisen einen geänderten Gradienten in der Oberfläche im Vergleich zur unmittelbaren Umgebung auf. Dies führt dazu, dass sich der Reflexionswinkel der reflektierten Lichtmenge im Bereich des Oberflächenfehlers ändert und somit der Zeilensensor ein im Vergleich zu einem zuvor durchgeführten Scan ohne Oberflächenfehler geändertes Lichtbild erzeugt. Auf diese Weise können sehr kleine Fehlstellen, vorzugsweise kleiner 100 µm, zu einem geänderten Lichtbild auf dem Zeilensensor führen und somit entsprechend erfasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Abgleich der von der Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente erfassten reflektierten Lichtmengen und/oder des erzeugten Lichtmusters mit ein oder mehreren vorherigen erfassten reflektierten Lichtmengen bzw. Lichtmustern. Zudem werden die Änderungen der erfassten Lichtmengen und/oder eines erzeugten Lichtmusters in Vergleich zu wenigstens einer zuvor, vorzugsweise einer unmittelbar zuvor, erfassten Lichtmenge und/oder eines Lichtmusters, erfasst.
Abschließend ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Kategorisierung der erfassten Änderung des Lichtmusters erfolgt.
Grundsätzlich beziehen sich alle vorteilhaften und bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laser-Scan-Systems auf das erfindungsgemäße Oberflächenprüfverfahren, zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
1 eine Seitenansicht eines Laser-Scan-Systems zur Detektion von Oberflächenfehlern an einem Fahrzeug, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 eine Aufsicht des Laser-Scan-System, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist eine Seitenansicht eines Laser-Scan-Systems 2 gezeigt. Das Laser-Scan-System 2 umfasst eine Lasereinheit 4 mit einem Laser 6 der eine zu untersuchende lackierte Oberfläche 8 zeilenartig überstreicht bzw. scannt. Die zu untersuchende Oberfläche 8 ist die lackierte Seitenfläche eines Lastkraftwagens 9.
Hierbei wird von dem Laser 6 eine Lichtmenge 10 zeilenartig auf die zu untersuchende Oberfläche 8 ausgestrahlt. Wenigstens ein Teil dieser auf die zu untersuchende Oberfläche 8 ausgestrahlt Lichtmenge 10 wird von der Oberfläche 8 reflektiert. Ein Teil der von der Oberfläche 8 reflektierten Lichtmenge 12 wird von lichtempfindlichen Detektorelementen 14 eines Zeilensensors 16 direkt erfasst und erzeugt auf dem Zeilensensor 16 ein Lichtmuster. Zwischen der Oberfläche 8 und dem Zeilensensor 16 ist weder eine Kamera noch ein ablichtendes objektiv angeordnet, so dass die lichtempfindlichen Detektorelemente 14 die reflektierte Lichtmenge 12 direkt erfassen.
Die von den lichtempfindlichen Detektorelementen 14 erfasste Lichtmenge bzw. das auf dem Zeilensensor 16 erzeugte Lichtmuster wird von einer Auswerteeinheit 18 erfasst und mit nachfolgenden erfassten Lichtmustern abgeglichen.
Die Lasereinheit 4 und der Zeilensensor 16 sind derart zueinander angeordnet, dass die Lasereinheit 4 in Richtung der Längsachse 20 der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente 14 versetzt zum Zeilensensor 16 angeordnet ist. Ein Teilbereich des Zeilensensors 16 ist im Abstand a zur zu untersuchenden Oberfläche 8 angeordnet. Der Abstand a des Zeilensensors 16 und der Lasereinheit 4 zur zu untersuchenden Oberfläche 8 beträgt 0,75 m.
Die Lasereinheit 4 ist beabstandet und versetzt zur zu untersuchenden Oberfläche 8 ausgerichtet. Auf diese Weise trifft der Laserstrahl des Lasers 6 bzw. die vom Laser 6 ausgestrahlte Lichtmenge 10 nicht frontal auf die zu untersuchende Oberfläche 8 auf, sondern von der Seite bzw. mit einem Einstrahlwinkel. Der Einstrahlwinkel, mit dem der Laser 6 die Oberfläche 8 abscannt variiert über die Länge des zeilenartigen Scans der zu untersuchenden Oberfläche 8.
Bezogen auf die Längsrichtung 20 der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente 14 wird der Laserstrahl bzw. die vom Laser 6 ausgestrahlte Lichtmenge 10 in einem Winkel α zwischen 10° ≤ α ≤ 80° ausgestrahlt.
Bei einem Abstand von 0,75 m zwischen der zu untersuchenden Oberfläche 8 und dem Zeilensensor 16 und Laser 6 in Verbindung mit einer versetzten Anordnung des Lasers 6 zur zu untersuchenden Oberfläche 8, ist eine große Winkelabhängigkeit auf räumliche Gradienten in der zu untersuchten Oberfläche 8 bzw. von dem Laser 6 gescannten Oberfläche 8 gegeben, so dass kleine Oberflächenfehler zu einer geänderten Reflexion der von dem Laser 6 ausgestrahlten Lichtmenge 10 führen und somit ein geändertes Lichtmuster bzw. ein Beugungsbild im Zeilensensor 16 erzeugt wird. Bei einem gescannten Oberflächenfehler entspricht das Lichtmuster bzw. Beugungsbild auf dem Zeilensensor 16, das der Fouriertransformierten des beugenden Oberflächenfehlers auf der gescannten Oberfläche 8. Das Beugungsbild bzw. das Lichtmuster sind charakteristisch für Oberflächenfehler, insbesondere Lackfehler. Auf diese Weise können die erzeugten Lichtmuster und somit die entsprechenden Oberflächenfehler durch eine Nachverarbeitung kategorisiert und vorzugsweise auf der gescannten Oberfläche lokalisiert werden.
In 2 ist ersichtlich, dass die Lasereinheit 4 und der Zeilensensor 16 stationär ausgebildet sind. Das Fahrzeug 9 ist in einer ersten Position 22 und einer zweiten Position 24 gezeigt, wobei die zweite Position durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Die erste Position 22 und die zweite Position 24 verdeutlichen, dass das Fahrzeug 9 mit der zu untersuchende Oberfläche 8 an der Lasereinheit 4 und dem Zeilensensor 16 vorbeigeführt wird. Dabei wird das Fahrzeug 9 und somit die zu untersuchende Oberfläche 8 in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelementen 14 vorbeigeführt und von dem Laser überstrichen bzw. abgescannt. Auf diese Weise wird ein 3D Profil von der untersuchten Oberfläche erzeugt.
Die Auflösung von Oberflächenfehlern hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit ab, mit der die zu untersuchenden Oberfläche 8 an der Lasereinheit 4 und dem Zeilensensor 16 vorbeigeführt wird und von der Scan-Wiederholrate des Lasers bzw. der Lasereinheit 4. Die Lasereinheit 4 weist eine Scan-Wiederholrate von 100 Hz auf. Auf diese Weise kann die Laser-Scan-Einheit in eine bestehende Produktionsstraße mit gängigen Taktzeiten von 300 Sekunden integriert werden und ein laterales Auflösungsvermögen von ≤ 1 mm ermöglichen.
Bezugszeichenliste

2: Laser-Scan-System
4: Lasereinheit
6: Laser
8: Oberfläche
9: Fahrzeug/Lastkraftwagen
10: Ausgestrahlte Lichtmenge
12: Reflektierte Lichtmenge
14: Lichtempfindliche Detektorelemente
16: Zeilensensor
18: Auswerteeinheit
20: Längsrichtung
22: Erste Position
24: Zweite Position

Claims

Laser-Scan-System (2), zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte, umfassend eine Lasereinheit (4), die dazu eingerichtet ist, eine zu untersuchende Oberfläche (8) eines Objekts mit einem Laserstrahl zeilenartig zu überstreichen, einen Zeilensensor (16), der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Detektorelementen (14) in einer Längsrichtung (20) aufweist, wobei die Lasereinheit (4) und der Zeilensensor (16) derart zueinander angeordnet sind, dass eine von dem Laserstrahl zeilenartig ausgestrahlte Lichtmenge (10) auf die zu untersuchende Oberfläche (8) trifft, die ausgestrahlte Lichtmenge (10) zumindest teilweise von der Oberfläche (8) reflektiert wird, ein Teil der reflektierten Lichtmenge (12) wenigstens von einem Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) direkt erfassbar ist, und ein Lichtmuster auf dem Zeilensensor (16) erzeugbar ist, und eine Auswerteeinheit (18), über die die von dem wenigstens einen Teil der Mehrzahl der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) erfasste Lichtmenge und/oder das auf dem Zeilensensor (16) erzeugte Lichtmuster auswertbar ist.
Laser-Scan-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) und der Zeilensensor (16) derart zueinander angeordnet sind, dass der Laser (6) die zu untersuchende Oberfläche (8) zeilenartig in einer Richtung parallel zur Längsrichtung (20) der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) überstreicht.
Laser-Scan-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Lasereinheit (4) dazu eingerichtet ist, die zu untersuchende Oberfläche (8) zeilenartig mit wenigstens einer abschnittsweisen Lateralbewegung zu überstreichen.
Laser-Scan-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) in Richtung der Längsachse (20) der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) angeordnet ist.
Laser-Scan-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) eine Scan-Wiederholrate zwischen 100 Hz bis 1kHz aufweist.
Laser-Scan-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Auswerteeinheit (18) eine Änderung der erfassten Lichtmenge oder des erzeugten Lichtmusters erfassbar und kategorisierbar ist.
Verwendung eines Laser-Scan-Systems nach einem der vorherigen Ansprüche zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte im Bereich der Automobilindustrie, insbesondere im Bereich von automobilen Produktionslinien zur Lacküberprüfung von Fahrzeugen.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) und der Zeilensensor (16) derart zueinander angeordnet sind, dass die Lasereinheit (4) in Richtung der Längsachse (20) der Anordnung der lichtempfindlichen Detektorelemente (14) angeordnet wird, wenigstens ein Teilbereich des Zeilensensors (16) beabstandet zur zu untersuchenden Oberfläche (8) angeordnet wird, und die Lasereinheit (4) beabstandet und versetzt zur zu untersuchenden Oberfläche (8) angeordnet wird.
Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) und der Zeilensensor (16) in einem Abstand zu einer Produktionslinie zur Lacküberprüfung der Oberfläche eines Fahrzeugs angeordnet werden, und der Abstand der Lasereinheit (4) und des Zeilensensors (16) zur Produktionslinie derart gewählt wird, dass der Abstand a der zu überprüfenden Oberfläche (8) des in der Produktionslinie befindlichen Fahrzeugs zwischen 0,20 m ≤ a ≤ 2,50 m, vorzugsweise zwischen 0,4 m ≤ a ≤ 2,00 m und ganz bevorzugt in einem Abstand zwischen 0,5 m ≤ a ≤ 1,50 m, liegt.
Oberflächenprüfverfahren, zur Detektion von Oberflächenfehlern lackierter Objekte, umfassend die Schritte: Zeilenartiges Überstreichen eines zu überprüfenden Abschnitts einer Oberfläche (8) mit einem Laserstrahl einer Lasereinheit (4); Direktes Erfassen einer von der zu überprüfenden Oberfläche (8) reflektierten Lichtmenge (12) von einer Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente (14) eines Zeilensensors (16); Erzeugen eines Lichtmusters basierend auf der von den lichtempfindlichen Detektorelementen (14) empfangenen reflektierten Lichtmenge (12); Auswerten der von der Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente (14) erfassten reflektierten Lichtmenge (12) und/oder des erzeugten Lichtmusters mittels einer Auswerteeinheit (18).