DE102019113477B4

DE102019113477B4 - Instrument und Verfahren zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix

Info

Publication number: DE102019113477B4
Application number: DE102019113477.3A
Authority: DE
Inventors: Yunhai JIA; Jiwen Chen; Liangjing Yuan; Chun Yang; Lei Yu; Qiaochu Zhang
Original assignee: Ncs Testing Tech Co Ltd; NCS TESTING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Ncs Testing Tech Co Ltd; NCS TESTING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: DE102019113477A1; CN109470698A; CN109470698B

Abstract

Instrument zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix, wobei das Instrument ein Mikrofotografiematrixsystem (1), eine numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank (2), eine Computerarbeitsgruppe und ein Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem umfasst, wobei ein Prüfstück (10) eine große Metallkomponente ist, und wobei:die numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank (2) einen horizontalen Objekttisch (8), der sich präzise entlang einer horizontalen X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung bewegt, zum Befestigen des Prüfstücks (10) umfasst, und ferner eine Z-Achse (9), die vertikal zu einer Ebene ist, in der sich die X-Achse und die Y-Achse befinden, umfasst;das Mikrofotografiematrixsystem (1) in einer auf und ab beweglichen Weise an der Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) befestigt werden kann und sich über dem auf dem horizontalen Objekttisch (8) befestigten Prüfstück (10) befindet; und das Mikrofotografiematrixsystem (1) mehrere Mikrofotografieeinheiten umfasst, die in einer Anordnung angeordnet sind;wobei jede Mikrofotografieeinheit oben eine Mikroskopkamera (6) und unten ein Mikroskop (7) mit großem Gesichtsfeld umfasst;die Computerarbeitsgruppe einen Server (3), einen Switch (4) und mehrere Workstations (5) umfasst; wobei der Server (3) mit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) verbunden ist, wobei der Server (3) durch den Switch (4) jeweils mit mehreren Workstations (5) verbunden ist und wobei jede der Workstations (5) mit mehreren Mikrofotografieeinheiten in dem Mikrofotografiematrixsystem (1) verbunden ist;wobei die Computerarbeitsgruppe den Betrieb der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) über das Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem steuert und die Position des Prüfstücks (10) schrittweise in der Weise bewegt, dass das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen der gesamten Fläche des Prüfstücks (10) durchläuft; wobei die Workstations (5) das Zusammenfügen von durch entsprechende Mikrofotografieeinheiten gesammelten Bildern abschließen und wobei der Server (3) daraufhin die Zusammenfügungsbilder jeder Workstation (5) zu einem vollständigen metallografischen Bild des Prüfstücks (10) zusammenfügt, wodurch er eine Fotomikrografie des Prüfstücks (10) in Originalgröße verwirklicht und eine Einschlusssuche, eine Flächenberechnung, eine Ortsbestimmung, eine Verstärkung der morphologischen Korngrößenverteilung und eine Analyse der statistischen Verteilung ausführt; unddie Analyseskala des Instruments an Proben von einem Millimeterniveau bis zu einem Meterniveau beträgt;wobei das Instrument eine schnelle Analyse von Einschlüssen an großen Metallkomponenten von 1000 mm × 500 mm ausführen kann und wobei die Analysezeit kleiner als 1 h ist;und wobei die Auflösung von Einschlüssen des Analyseinstruments 1 Mikrometer beträgt; ferner wobei die Verlagerungsgenauigkeit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) auf einem Mikrometerniveau liegt; wobei das Mikrofotografiematrixsystem (1) durch einen an der Matrix befestigten Träger in einer auf und ab beweglichen Weise mit einer Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) fest verbunden ist, wobei eine optische Achse des Systems jeder Mikrofotografieeinheit vertikal zu der Prüffläche des Prüflings (10) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung gehört zu dem technischen Gebiet der mikroskopischen Charakterisierung mit hohem Durchsatz auf Oberflächen von Materialien, insbesondere einem Instrument und einem Verfahren zur schnellen vollautomatischen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix.
Stand der Technik
Kernkomponenten wichtiger Projekte sind allgemein große Metallkomponenten. Einschlüsse großer Metallkomponenten sind Schlüsselfaktoren, die in Branchen wie Luftfahrt und Hochgeschwindigkeitszügen einen Defekt kritischer Komponenten verursachen. Gegenwärtig sind in China und in Überseeländern keine automatischen Detektionsmittel zum direkten und schnellen Messen von Einschlüssen großer Metallkomponenten verfügbar. Wenn ein herkömmliches metallografisches Verfahren mit optischem Mikroskop angenommen wird, können nur Einschlüsse auf Oberflächen von Metallkomponenten mit einer Größe kleiner als 10 mm × 10 mm detektiert werden und sollte eine große Probe in Proben mit einer Größe, die für die normale metallografische Analyse geeignet ist, geschnitten werden, so dass die Verarbeitung Zeit und Arbeit verbraucht, die Effizienz niedrig ist und Parameter eines Teils der Oberflächen wegen der Schneidverarbeitung deformiert werden können. Somit kann die normale metallografische Mikrotechnik nur zur Verarbeitung kleiner Proben genutzt werden und können solche metallografischen Informationen wie Einschlüsse großer Proben nicht erhalten werden.
Die Patentanmeldung aus den Vereinigten Staaten von Amerika mit der Nummer US 2006/0228018 A1 offenbart ein Inspektionssystem für ein Bildverarbeitungssystem. Das System umfasst mehrere einstellbar miteinander verbundene Zellen und mehrere Sichtelemente. Jeder Sichtelement kann innerhalb einer der Zellen verstellbar getragen werden. Die Zellen und die Sichtelemente können selektiv konfiguriert werden, um eine Sicht zu definieren Anordnung, die eine hochauflösende Prüfung eines Teils ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Auf das obige technische Problem gerichtet ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Instruments und eines Verfahrens zur schnellen vollautomatischen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Instrument zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden in dem Prozess, in dem das Mikrofotografiematrixsystem 1 die Prüfflächen der Prüflinge 10 durchläuft, durch jede Mikrofotografieeinheit in dem Mikrofotografiematrixsystem 1 aufgenommene Bilder der Prüfflächen der Prüflinge 10 nicht miteinander überlappt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Prüfling 10 auf dem horizontalen Objekttisch 8 befestigt und die Prüffläche des Prüflings 10 ist zu einer horizontalen Ebene parallel.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Mikrofotografieeinheiten auf der Grundlage der Größe des Prüflings 10 eingestellt; wobei die Anzahl der Workstations 5 auf der Grundlage der Anzahl der Mikrofotografieeinheiten eingestellt ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die Computerarbeitsgruppe eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) an.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die Mikroskopkamera 6 eine C-Schnittstellen-CMOS-Kamera eines CMOS-Sensors an und ist mit einer koaxialen Beleuchtungsquelle versehen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Workstation 5 mit 8 Mikrofotografieeinheiten verbunden und Anordnungen von 48 Mikrofotografieeinheiten bilden eine 12 × 4-Matrix.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt hinsichtlich einer maximal analysierbaren Größe des Prüflings 10, der durch das Analyseinstrument detektiert werden kann, die Länge × Breite 1000 mm × 500 mm, während hinsichtlich der minimalen analysierbaren Größe die Länge × Breite 2 mm × 2 mm beträgt.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Verwendung des Instruments für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 9 bereitgestellt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Prüffläche des Prüfstücks 10 in Schritt 1) parallel zu einer horizontalen Ebene.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiels werden in Schritt 4) in dem Prozess, in dem das Mikrofotografiematrixsystem 1 die Prüfflächen der Prüflinge 10 durchläuft, durch jede Mikrofotografieeinheit in dem Mikrofotografiematrixsystem 1 aufgenommene Bilder der Prüfflächen der Prüflinge 10 nicht miteinander überlappt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt In Schritt 4) ein Server 3 in der Computerarbeitsgruppe einen Befehl zum Beginnen des Aufnehmens von Bildern und steuert er den horizontalen Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 in der Weise, dass er sich an eine Anfangsposition bewegt, und steuert jede Workstation 5 die entsprechende Mikrofotografieeinheit zum Aufnehmen von Bildern, zum Sammeln von Bildern und zum Berechnen von Positionen und morphologischen Parametern von Einschlüssen in den Bildern;
gibt der Server 3 daraufhin erneut einen Bewegungsbefehl, bewegt sich der horizontale Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 an eine nächste Position und steuert jede Workstation 5 die entsprechende Mikrofotografieeinheit zum ununterbrochenen Aufnehmen von Bildern, Sammeln von Bildern und Berechnen von Positionen und morphologischen Parametern von Einschlüssen in den Bildern;
gibt der Server 3 erneut einen Bewegungsbefehl, bewegt sich der horizontale Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 ununterbrochen, bis das Mikrofotografiematrixsystem 1 die Prüfflächen aller Prüflinge 10 durchläuft; und
fügt jede Workstation 5 durch die entsprechende Mikrofotografieeinheit gesammelte Bilder zusammen, nachdem alle Bilder der Prüfflächen der Prüflinge 10 gesammelt worden sind, lädt jede Workstation 5 Bilder zu dem Server 3 herauf und sendet sie gleichzeitig solche Informationen wie die Position, die Morphologie und die Größe von Einschlüssen in verschiedenen Abtastgebieten, die in der Charge jeder Workstation 5 sind, an den Server 3, nachdem das Zusammenfügen abgeschlossen ist, und fügt der Server 3 die Bilder jeder Workstation 5 zu einem vollständigen metallografischen Bild einer großen Metallkomponente zusammen; und wird daraufhin eine Gesamtdatenverarbeitung und -analyse von Einschlüssen ausgeführt, um ein elektronisches metallografisches Bild mit der Einschlussposition in Originalgröße, die Morphologie, die Größe und die statistische Analyse zu erhalten.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt hinsichtlich einer maximal analysierbaren Größe des Prüflings 10, der durch Annahme des Verfahrens detektiert werden kann, die Länge × Breite 1000 mm × 500 mm, während hinsichtlich einer minimal analysierbaren Größe die Länge × Breite 2 mm × 2 mm beträgt.
Im Vergleich zum Stand der Technik weist die vorliegende Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen auf:

In der vorliegenden Erfindung sind eine Mikrofotografiematrix, eine numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank und eine schnelle Berechnung miteinander kombiniert, wodurch solche Vorteile wie eine vollautomatische schnelle Analyse von Einschlüssen auf Oberflächen großer Metallkomponentenproben mit einer Größe von 1000 mm × 500 mm, eine große Probenabtastgröße, eine hohe Präzision (ein Einschluss von 1 Mikrometer kann bis auf das Minimum analysiert werden und die Auflösung von Einschlüssen kann 1 Mikrometer betragen) und eine hohe Geschwindigkeit (die maximale Probenanalysezeit ist weniger als 1 h) verwirklicht werden und wodurch sie die Analyseeffizienz von Einschlüssen in großen Proben weiter drastisch verbessert.

Im Vergleich zu herkömmlichen technischen Mitteln der metallografischen Analyse ist die Größe der Analyseprobe in der vorliegenden Erfindung stark erhöht und ist die Analyseeffizienz verbessert, wodurch eine automatische Charakterisierungsfunktion der Analyse der Einschlussverteilung auf der Oberfläche einer großen Metallkomponente verwirklicht wird, darüber hinaus der manuelle Eingriff verringert wird, wodurch ein durch Schneiden in einem Analyseprozess verursachtes Problem des Fehlens eines Teils der Charakterisierungen vermieden wird, die Genauigkeit der Analyse verbessert wird und eine gesamte und schnelle Analyse und genaue Ortsbestimmung verwirklicht wird. Im Vergleich zu den Analysearten des Standes der Technik kann durch Einrichten eines lokalen Netzes zum Berechnen und Steuern (das aus einem Server und mehreren Workstations zusammengesetzt ist) jede Workstation mit höchstens 8 Mikrofotografieeinheiten verbunden sein und können 6 Workstations höchstens eine Matrix, die aus 48 Mikrofotografieeinheiten zusammengesetzt ist, steuern. Mit einer numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank ist ein Server verbunden, wobei er über einen Switch mit Workstations verbunden ist, wodurch eine Fotomikrografie einer Probe in Originalgröße verwirklicht wird, so dass eine Probe mit einer Größe von maximal 1000 mm (Länge) × 500 mm (Breite) abgetastet werden kann und eine Einschlusssuche, eine Flächenberechnung, eine Ortsbestimmung, eine Verstärkung der morphologischen Korngrößenverteilung und eine Analyse der statistischen Verteilung schnell ausgeführt werden können, was, insbesondere in solchen Anwendungsanlässen, die die Bearbeitung und Detektion großer Metallkomponenten integrieren, für die schnelle Beurteilung von Verteilungsbedingungen von Einschlüssen vorteilhaft ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Strukturdarstellung eines Systems zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Strukturdarstellung einer Mikrofotografieeinheit.

Die Bezugszeichen in den Figuren sind wie folgt:

1: Mikrofotografiematrixsystem
2: numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank
3: Server
4: Switch
5: Workstation
6: Mikroskopkamera
7: Mikroskop mit großem Gesichtsfeld
8: horizontaler Objekttisch
9: Z-Achse
10: Prüfstück

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung zusammen mit beigefügten Zeichnungen und einer Ausführungsform weiter beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Instrument zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix der vorliegenden Erfindung: ein Mikrofotografiematrixsystem 1, eine numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank 2, eine Computerarbeitsgruppe sowie ein Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem.
Die numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank 2, die durch eine PLC präzise gesteuert wird und durch eine Leitspindel angetrieben wird, enthält einen horizontalen Objekttisch 8, der sich präzise entlang einer horizontalen X-Achse und Y-Achse bewegt und der zum Befestigen des Prüfstücks 10 konfiguriert ist, und enthält ferner eine Z-Achse 9, die zu einer Ebene, in der sich die X-Achse und die Y-Achse befinden, vertikal ist. Die Verlagerungsgenauigkeit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 ist ein Mikrometerniveau.
Das Prüfstück 10 ist auf dem horizontalen Objekttisch 8 befestigt und die Prüffläche des Prüfstücks ist parallel zu der horizontalen Ebene. Das Prüfstück 10 ist eine große Metallkomponente und hinsichtlich einer maximal analysierbaren Größe des Prüfstücks 10, die durch das Analyseelement detektiert werden kann, beträgt die Länge × Breite 1000 mm × 500 mm, während hinsichtlich einer minimal analysierbaren Größe die Länge × Breite 2 mm × 2 mm beträgt.
Das Mikrofotografiematrixsystem 1 ist in einer durch einen an der Matrix befestigten Träger auf und ab beweglichen Weise fest mit einer Z-Achse 9 verbunden und befindet sich direkt über dem Prüfling 10 des horizontalen Objekttischs 8. Das Mikrofotografiematrixsystem 1 enthält mehrere Mikrofotografieeinheiten, die in einer Anordnung angeordnet sind, wobei eine optische Achse des Systems jeder Mikrofotografieeinheit vertikal zu der Prüffläche des Prüfstücks 10 ist. Wie in 2 gezeigt ist, enthält dabei jede Mikrofotografieeinheit eine Mikroskopkamera 6 und ein Mikroskop 7 mit großem Gesichtsfeld, die von oben nach unten der Reihe nach angeordnet sind.
Die Mikroskopkamera 6 nimmt eine C-Schnittstellen-CMOS-Kamera eines CMOS-Sensors an und ist mit einer koaxialen Beleuchtungsquelle versehen.
Die Computerarbeitsgruppe enthält einen Server 3, einen Switch 4 und mehrere Workstations 5. Der Server 3 ist mit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 verbunden, der Server 3 ist jeweils über den Switch 4 mit mehreren Workstations 5 verbunden und jede der Workstations 5 ist mit mehreren Mikrofotografieeinheiten in dem Mikrofotografiematrixsystem 1 verbunden. Die Computerarbeitsgruppe steuert über das Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem den Betrieb (oder die Verlagerung) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 und steuert und überwacht außerdem Mikrofotografieeinheiten in dem Mikrofotografiematrixsystem 1 einschließlich der Überwachung und Steuerung des Öffnens, des Schließens, von Verbindungszuständen, der Parametereinstellung, der Echtzeitbildanzeige, der Kalibrierung und eines anomalen Zustands der Mikroskopkamera 6, wodurch eine Fotomikrografie des Prüfstücks in Originalgröße verwirklicht wird und eine Einschlusssuche, eine Flächenberechnung, eine Ortsbestimmung, eine Verstärkung der morphologischen Korngrößenverteilung und eine Analyse der statistischen Verteilung ausgeführt werden.
Die Computerarbeitsgruppe nimmt eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) an.
Vorzugsweise ist eine Workstation 5 mit 8 Mikrofotografieeinheiten verbunden. Die Anzahl der Workstations 5 kann auf der Grundlage der Anzahl der Mikrofotografieeinheiten eingestellt werden. Die Anordnung von 48 Mikrofotografieeinheiten bildet eine 12 × 4-Matrix. Die Anzahl der Mikrofotografieeinheiten kann auf der Grundlage der Größe des Prüfstücks 10 eingestellt werden.
Das Instrument zur schnellen vollautomatischen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage der Mikrofotografiematrix kann genutzt werden, um an großen Metallkomponenten von 1000 mm × 500 mm eine schnelle Analyse von Einschlüssen auszuführen, wobei die Analysezeit weniger als 1 h beträgt.
Ein Arbeitsprozess der vorliegenden Erfindung ist wie folgt:
Das Prüfstück 10 wird auf dem horizontalen Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 befestigt, wobei die Prüffläche des Prüfstücks 10 parallel zu einer horizontalen Ebene ist.
Der Server 3 gibt über ein Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem einen Kalibrierungsbefehl, die Workstation 5 führt an den Mikrofotografieeinheiten, die mit der Workstation 5 verbunden sind, nacheinander eine Winkel- und Positionskoordinatenkalibrierung aus; die Workstation 5 beginnt ein Selbsttestprogramm, um Zustände des Analyseinstruments zu detektieren, und daraufhin wird eine Brennweite des Mikroskops 7 mit großem Gesichtsfeld über die Z-Achse 9 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 auf eine optimale Position eingestellt.
Der Server 3 gibt einen Befehl zum Beginnen des Aufnehmens von Bildern und steuert den horizontalen Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2, um ihn an eine Anfangsposition zu bewegen, und jede Workstation 5 steuert die entsprechende Mikrofotografieeinheit, um Bilder aufzunehmen, Bilder zu sammeln und Positionen und die Morphologie und andere Parameter von Einschlüssen in den Bildern zu berechnen.
Daraufhin gibt der Server 3 erneut einen Bewegungsbefehl, bewegt sich der horizontale Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 an die nächste Position, steuert jede Workstation 5 die entsprechende Mikrofotografieeinheit dafür, ununterbrochen Bilder aufzunehmen, Bilder zu sammeln und Positionen und morphologische Parameter von Einschlüssen in den Bildern zu berechnen.
Der Server 3 gibt erneut einen Bewegungsbefehl, der horizontale Objekttisch 8 der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank 2 bewegt sich kontinuierlich, bis das Mikrofotografiematrixsystem 1 die Prüfflächen aller Prüfstücke 10 durchläuft.
Nachdem alle Bilder der Prüffläche des Prüfstücks 10 gesammelt worden sind, fügt jede Workstation 5 die durch die entsprechende Mikrofotografieeinheit gesammelten Bilder zusammen, lädt jede Workstation 5, nachdem das Zusammenfügen abgeschlossen ist, Bilder zu den Server 3 herauf und sendet sie gleichzeitig solche Informationen wie die Position, die Morphologie und die Größe von Einschlüssen in verschiedenen Abtastgebieten, die in der Charge jeder Workstation 5 sind, an den Server 3 und fügt der Server 3 die Bilder jeder Workstation 5 zu einem vollständigen metallografischen Bild einer großen Metallkomponente zusammen; woraufhin die Gesamtdatenverarbeitung und -analyse von Einschlüssen ausgeführt wird.
Oben ist eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, wobei die vorliegende Erfindung aber selbstverständlich nicht darauf beschränkt ist. Für den Fachmann sollen alle Änderungen und Umwandlungen, die unter der Voraussetzung gemacht werden, dass sie von dem Erfindungsgedanken und Wesen der vorliegenden Erfindung nicht abweichen, im Anwendungsbereich der Ansprüche der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Instrument zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix, wobei das Instrument ein Mikrofotografiematrixsystem (1), eine numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank (2), eine Computerarbeitsgruppe und ein Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem umfasst, wobei ein Prüfstück (10) eine große Metallkomponente ist, und wobei: die numerisch gesteuerte dreidimensionale Hochpräzisionswerkbank (2) einen horizontalen Objekttisch (8), der sich präzise entlang einer horizontalen X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung bewegt, zum Befestigen des Prüfstücks (10) umfasst, und ferner eine Z-Achse (9), die vertikal zu einer Ebene ist, in der sich die X-Achse und die Y-Achse befinden, umfasst; das Mikrofotografiematrixsystem (1) in einer auf und ab beweglichen Weise an der Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) befestigt werden kann und sich über dem auf dem horizontalen Objekttisch (8) befestigten Prüfstück (10) befindet; und das Mikrofotografiematrixsystem (1) mehrere Mikrofotografieeinheiten umfasst, die in einer Anordnung angeordnet sind; wobei jede Mikrofotografieeinheit oben eine Mikroskopkamera (6) und unten ein Mikroskop (7) mit großem Gesichtsfeld umfasst; die Computerarbeitsgruppe einen Server (3), einen Switch (4) und mehrere Workstations (5) umfasst; wobei der Server (3) mit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) verbunden ist, wobei der Server (3) durch den Switch (4) jeweils mit mehreren Workstations (5) verbunden ist und wobei jede der Workstations (5) mit mehreren Mikrofotografieeinheiten in dem Mikrofotografiematrixsystem (1) verbunden ist; wobei die Computerarbeitsgruppe den Betrieb der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) über das Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem steuert und die Position des Prüfstücks (10) schrittweise in der Weise bewegt, dass das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen der gesamten Fläche des Prüfstücks (10) durchläuft; wobei die Workstations (5) das Zusammenfügen von durch entsprechende Mikrofotografieeinheiten gesammelten Bildern abschließen und wobei der Server (3) daraufhin die Zusammenfügungsbilder jeder Workstation (5) zu einem vollständigen metallografischen Bild des Prüfstücks (10) zusammenfügt, wodurch er eine Fotomikrografie des Prüfstücks (10) in Originalgröße verwirklicht und eine Einschlusssuche, eine Flächenberechnung, eine Ortsbestimmung, eine Verstärkung der morphologischen Korngrößenverteilung und eine Analyse der statistischen Verteilung ausführt; und die Analyseskala des Instruments an Proben von einem Millimeterniveau bis zu einem Meterniveau beträgt; wobei das Instrument eine schnelle Analyse von Einschlüssen an großen Metallkomponenten von 1000 mm × 500 mm ausführen kann und wobei die Analysezeit kleiner als 1 h ist; und wobei die Auflösung von Einschlüssen des Analyseinstruments 1 Mikrometer beträgt; ferner wobei die Verlagerungsgenauigkeit der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) auf einem Mikrometerniveau liegt; wobei das Mikrofotografiematrixsystem (1) durch einen an der Matrix befestigten Träger in einer auf und ab beweglichen Weise mit einer Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) fest verbunden ist, wobei eine optische Achse des Systems jeder Mikrofotografieeinheit vertikal zu der Prüffläche des Prüflings (10) ist.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei in dem Prozess, in dem das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen der Prüflinge (10) durchläuft, durch jede Mikrofotografieeinheit in dem Mikrofotografiematrixsystem (1) aufgenommene Bilder der Prüfflächen der Prüflinge (10) nicht miteinander überlappt werden.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei der Prüfling (10) auf dem horizontalen Objekttisch (8) befestigt ist und wobei die Prüffläche des Prüflings (10) parallel zu einer horizontalen Ebene ist.
Instrument zur schnellen Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl der Mikrofotografieeinheiten auf der Grundlage der Größe des Prüflings (10) eingestellt ist; und wobei die Anzahl der Workstations (5) auf der Grundlage der Anzahl der Mikrofotografieeinheiten eingestellt ist.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei die Computerarbeitsgruppe eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) annimmt.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei die Mikroskopkamera (6) eine C-Schnittstellen-CMOS-Kamera eines CMOS-Sensors annimmt und mit einer koaxialen Beleuchtungsquelle versehen ist.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei eine Workstation (5) mit 8 Mikrofotografieeinheiten verbunden ist und wobei eine Anordnung von 48 Mikrofotografieeinheiten eine 12 × 4-Matrix bildet.
Instrument für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß Anspruch 1, wobei hinsichtlich einer maximal analysierbaren Größe des Prüflings (10), der durch das Analyseinstrument detektiert werden kann, die Länge × Breite 1000 mm × 500 mm beträgt, während hinsichtlich der minimalen analysierbaren Größe die Länge × Breite 2 mm × 2 mm beträgt.
Verfahren zur Verwendung des Instruments für die schnelle Multiskalenanalyse von Einschlüssen von Material auf der Grundlage einer Mikrofotografiematrix gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei der Prüfling (10) des Verfahrens eine große Metallkomponente ist und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Ein Prüfling (10) wird auf einem horizontalen Objekttisch (8) einer numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2), die sich präzise entlang einer horizontalen X-Achse und Y-Achse bewegt, befestigt; 2) das Mikrofotografiematrixsystem (1) kann in einer auf und ab beweglichen Weise an einer Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) befestigt werden, wobei das Mikrofotografiematrixsystem (1) durch einen an der Matrix befestigten Träger in einer auf und ab beweglichen Weise mit einer Z-Achse (9) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) fest verbunden ist, wobei eine optische Achse des Systems jeder Mikrofotografieeinheit vertikal zu der Prüffläche des Prüflings (10) ist; wobei das Mikrofotografiematrixsystem (1) mehrere Mikrofotografieeinheiten umfasst, die in Anordnungen angeordnet sind; 3) die Computerarbeitsgruppe wird wie folgt konfiguriert: Ein Server (3) wird mit einer numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) verbunden, der Server (3) wird über den Switch (4) jeweils mit mehreren Workstations (5) verbunden und jede der Workstations (5) wird mit mehreren Mikrofotografieeinheiten in dem Mikrofotografiematrixsystem (1) verbunden; 4) die Computerarbeitsgruppe steuert über das Steuerungs- und Datenverarbeitungssystem den Betrieb der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) und bewegt die Position des Prüflings (10) schrittweise in der Weise, dass das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen der gesamten Fläche des Prüflings (10) durchläuft; die Workstations (5) schließen das Zusammenfügen von durch entsprechende Mikrofotografieeinheiten gesammelten Bildern ab und daraufhin fügt der Server (3) die Zusammenfügungsbilder jeder Workstation (5) zu einem vollständigen metallografischen Bild des Prüflings (10) zusammen, wodurch er eine Fotomikrografie des Prüflings (10) in Originalgröße verwirklicht und eine Einschlusssuche, eine Flächenberechnung, eine Ortsbestimmung, eine Verstärkung der morphologischen Korngrößenverteilung und eine Analyse der statistischen Verteilung ausführt; und wobei die Analyseskala des Analyseverfahrens an Proben von einem Millimeterniveau bis zu einem Meterniveau beträgt; wobei das Verfahren genutzt werden kann, um an großen Metallkomponenten von 1000 mm × 500 mm eine schnelle Analyse von Einschlüssen auszuführen, wobei die Analysezeit weniger als 1 h beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Prüffläche des Prüfstücks (10) in Schritt 1) parallel zu einer horizontalen Ebene ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei in Schritt 4) in dem Prozess, in dem das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen der Prüflinge (10) durchläuft, durch jede Mikrofotografieeinheit in dem Mikrofotografiematrixsystem (1) aufgenommene Bilder der Prüfflächen der Prüflinge (10) nicht miteinander überlappt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei in Schritt 4) ein Server (3) in der Computerarbeitsgruppe einen Befehl zum Beginnen des Aufnehmens von Bildern gibt und den horizontalen Objekttisch (8) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) in der Weise steuert, dass er sich an eine Anfangsposition bewegt, und jede Workstation (5) die entsprechende Mikrofotografieeinheit zum Aufnehmen von Bildern, zum Sammeln von Bildern und zum Berechnen von Positionen und morphologischen Parametern von Einschlüssen in den Bildern steuert; der Server (3) daraufhin erneut einen Bewegungsbefehl gibt, sich der horizontale Objekttisch (8) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) an eine nächste Position bewegt und jede Workstation (5) die entsprechende Mikrofotografieeinheit zum ununterbrochenen Aufnehmen von Bildern, Sammeln von Bildern und Berechnen von Positionen und morphologischen Parametern von Einschlüssen in den Bildern steuert; der Server (3) erneut einen Bewegungsbefehl gibt, sich der horizontale Objekttisch (8) der numerisch gesteuerten dreidimensionalen Hochpräzisionswerkbank (2) ununterbrochen bewegt, bis das Mikrofotografiematrixsystem (1) die Prüfflächen aller Prüflinge (10) durchläuft; und nachdem alle Bilder der Prüfflächen der Prüflinge (10) gesammelt worden sind, jede Workstation (5) durch die entsprechende Mikrofotografieeinheit gesammelte Bilder zusammenfügt, nachdem das Zusammenfügen abgeschlossen ist, jede Workstation (5) Bilder zu dem Server (3) herauflädt und gleichzeitig solche Informationen wie die Position, die Morphologie und die Größe von Einschlüssen in verschiedenen Abtastgebieten, die in der Charge jeder Workstation (5) sind, an den Server (3) sendet, und der Server (3) die Bilder jeder Workstation (5) zu einem vollständigen metallografischen Bild einer großen Metallkomponente zusammenfügt; und daraufhin eine Gesamtdatenverarbeitung und -analyse von Einschlüssen ausgeführt wird, um ein elektronisches metallografisches Bild mit der Einschlussposition in Originalgröße, die Morphologie, die Größe und die statistische Analyse zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei hinsichtlich einer maximal analysierbaren Größe des Prüflings (10), der durch Annahme des Verfahrens detektiert werden kann, die Länge × Breite 1000 mm × 500 mm beträgt, während hinsichtlich einer minimal analysierbaren Größe die Länge × Breite 2 mm × 2 mm beträgt.