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Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem, zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers, insbesondere eines keramischen Prüfkörpers, mit einem auf dem Prüfkörper angeordneten Fluoreszenzmittel.
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Allgemein vorbekannte Oberflächenprüfungen von Prüfkörpern auf Fehlstellen erfolgen üblicherweise manuell. Das heißt, dass grundsätzlich ein menschlicher Prüfer erforderlich ist, der die entsprechende Oberflächenprüfung persönlich per Sichtprüfung vornimmt.
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Als Verfahren zum Feststellen von Fehlern in Keramikkörpern sind bisher die folgenden Verfahren bekannt gewesen: Es wird beispielsweise eine Flüssigkeit mit Eindringvermögen, die ein Farbmittel enthält, in feine Hohlräume, die in einem Keramikkörper vorhanden sind, eindringen gelassen, und danach wird überschüssige Flüssigkeit, die an der Oberfläche des Keramikkörpers anhaftet, abgewaschen. Als Folge bleibt an einem fehlerfreien Teil des Keramikkörpers kein Farbmittel haften, während das Farbmittel an einem etwaigen fehlerbehafteten Teil zurückbleibt. Folglich kann solch ein Fehler festgestellt werden, indem Vorhandensein oder Abwesenheit des Farbmittels mit bloßem Auge bestätigt wird. Ferner kann anstelle des Farbmittels eine Fluoreszenzfarbe verwendet werden, wobei in diesem Fall die Fluoreszenzfarbe in einen Keramikkörper eindringen gelassen und überschüssige Farbe mit Wasser abgewaschen wird. Dann wird der Keramikkörper in einer Dunkelkammer mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt, so dass etwaige Fehler in dem Keramikkörper durch Ausnutzung der Emission von Licht aus der in den Fehler eingedrungenen Fluoreszenzfarbe festgestellt werden können. Bei beiden Verfahren, die vorstehend erwähnt worden sind, ist Vorhandensein oder Abwesenheit eines Fehlers mit dem menschlichen Auge beurteilt worden.
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Da die vorstehend erwähnten Verfahren zum Feststellen von Fehlern auf der Beurteilung mit dem menschlichen Auge basieren, hängt die Fähigkeit zum Feststellen von Fehlern jedoch von der Geschicklichkeit oder Erfahrung der Gütekontrolleure ab oder kann ein kleiner Fehler übersehen werden. Da die Gütekontrolle auf das menschliche Auge angewiesen ist, wird ferner die Automatisierung aufeinanderfolgender Schritte behindert, was zu Fertigungsverfahren mit niedriger Produktivität führt. Dabei stellt die Überlagerung von Wellenlängen unterschiedlicher Strahlung ein wesentliches Problem der Gütekontrolle dar, da die Ultraviolettstrahlen und die Emission von Licht aus der in den Fehler eingedrungenen Fluoreszenzfarbe bei Automatisierungsversuchen zu Fehldetektionen führen. Diese Problematik kann bislang nur durch Geschicklichkeit oder Erfahrung der Gütekontrolleure gelöst werden.
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Eine Lösung, die Geschicklichkeit oder Erfahrung der Gütekontrolleure von der Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers, insbesondere eines keramischen Prüfkörpers, zu entkoppeln ist in der Offenlegungsschrift
DE 42 08 947 A1 vorgeschlagen. Diese offenbart ein Verfahren zum Feststellen von Fehlern in Keramikkörpern, wobei eine Flüssigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gutem Eindringvermögen in einen etwaigen Fehler einschließlich eines feinen Hohlraums eindringen gelassen wird, um in dem Fehler eine elektrisch leitende Schicht zu bilden. Weiterhin wird vorgeschlagen ein Verfahren unter Verwendung einer Flüssigkeit mit hohem Eindringvermögen, die fähig ist, durch eine Wärmebehandlung oder chemische Behandlung eine elektrisch leitende Schicht zu bilden, in einen solchen Fehler eindringen gelassen wird und danach durch die Wärmebehandlung oder chemische Behandlung in dem Fehler eine elektrisch leitende Schicht gebildet wird und dann das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Fehlers festgestellt wird, indem die elektrische Leitfähigkeit zwischen zwei gegebenen Stellen, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzgeschlossen werden, gemessen wird.
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Das vorgenannte Verfahren ermöglicht zwar eine Lösung, die die Geschicklichkeit oder Erfahrung eines Gütekontrolleurs zur Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers, insbesondere eines keramischen Prüfkörpers, außer Acht lässt, allerdings ist dieses Verfahren wegen der Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit mit einem hohen Aufwand verbunden. Weiterhin kann keine parallele redundante oder alleinige Sichtprüfung erfolgen.
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Die
US 2007 / 0 097 360 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose oder Bestimmung von Parametern für eine Anlage zur Feststellung offener Defekte in den Oberflächen von Teilen durch Schwitzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisierfähiges Prüfsystem und entsprechendes Verfahren, zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers, insbesondere eines keramischen Prüfkörpers, mit einem auf dem Prüfkörper angeordneten Fluoreszenzmittel anzubieten, um die vorgenannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere ist das Fluoreszenzmittel in Fehlstellen angeordnet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Prüfsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Demnach ist die Aufgabe gelöst durch ein Prüfsystem, zur optischen Oberflächenprüfung eines gewölbten Prüfkörpers mit einem auf dem Prüfkörper angeordneten Fluoreszenzmittel, wobei das Fluoreszenzmittel insbesondere in Fehlstellen angeordnet ist, aufweisend
ein Beleuchtungssystem, zur Beleuchtung des Prüfkörpers und des Fluoreszenzmittels mit Beleuchtungsstrahlung, mit mehreren Beleuchtungsmitteln, wobei die mehreren Beleuchtungsmittel als Ringlicht- oder Dom-Beleuchtung angeordnet sind und gleichmäßig voneinander beabstandet sind;
ein optisches Detektionssystem, um vom Prüfkörper mit dem Fluoreszenzmittel emittierte Fluoreszenzstrahlung zu detektieren;
ein Detektionsfiltersystem, das derart zum Filtern von Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems im Prüfsystem eingerichtet ist, dass das optische Detektionssystem nur Fluoreszenzstrahlung vom Fluoreszenzmittel detektiert.
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Nachfolgend werden die Grundidee der Erfindung und einzelne bevorzugte Aspekte des beanspruchten Erfindungsgegenstandes erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, dass störende Strahlung aus dem Detektionsprozess entfernt wird. Hierin liegt eine Lösung auf das Problem, das die Automatisierung bislang verhindert hat. So ist das Detektionsfiltersystem derart zum Filtern von Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems im Prüfsystem eingerichtet, dass das optische Detektionssystem nur Fluoreszenzstrahlung vom Fluoreszenzmittel detektiert. Das optische Detektionssystem detektiert somit nur noch von dem Fluoreszenzmittel emittierte Fluoreszenzstrahlung. Dieses Verfahren eignet sich bevorzugt für Keramikkörper, insbesondere bevorzugt für Keramikkugeln, als gewölbte Prüfkörper. Die Bedeutung der Formulierung Fluoreszenzmittel ist im wissenschaftlichen Sinne bevorzugt. Grundsätzlich erforderlich ist jedoch die Eigenschaft, dass das Fluoreszenzmittel als Anzeigemittel dahingehend geeignet ist, dass die Wellenlänge der emittierten Fluoreszenzstrahlung von der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung abweicht. Erst hierdurch kann das Detektionsfiltersystem seine Funktion erfüllen und das optische Detektionssystem die Fehlerprüfung frei von der Geschicklichkeit oder Erfahrung der Gütekontrolleure, insbesondere automatisiert, durchführen.
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Die Schritte der funktionellen Merkmale des Prüfsystems sehen somit folgendes Prüfverfahren vor: Eingangs wird ein vorgenannter Prüfkörper mit einem vorgenannten Fluoreszenzmittel als Anzeigemittel beschichtet. Dies kann nach Stand der Technik erfolgen. Dies kann unter Einfluss des Kapillareffekts erfolgen. Kapillarität oder Kapillareffekt ist das Verhalten von Flüssigkeiten, das sie bei Kontakt mit Kapillaren, zum Beispiel engen Spalten oder Hohlräumen, als Fehlstellen in Feststoffen, beispielsweise Prüfkörper, zeigen. Das weitere Fluoreszenzmittel kann beim Farbeindringverfahren beispielsweise abgewaschen oder abgewischt werden. Die Kapillareffekte werden durch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten selbst und die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeiten und der festen Oberfläche hervorgerufen. Dies bedeutet, dass das Fluoreszenzmittel in etwaige Fehlstellen, also Risse, Spalten oder Hohlräume, eindringt. Anschließend wird der das Fluoreszenzmittel in etwaigen Fehlstellen aufweisende Prüfkörper mit Beleuchtungsstrahlung eines Beleuchtungssystems mit mehreren Beleuchtungsmitteln beleuchtet. Sofern die Beleuchtungsstrahlung auf Fluoreszenzmittel trifft, emittiert dieses eine Fluoreszenzstrahlung. Wegen des Fluoreszenzeffekts weist die Beleuchtungsstrahlung eine andere Wellenlänge auf als die Fluoreszenzstrahlung. Weiterhin weist das Prüfsystem ein optisches Detektionssystem auf, um vom Prüfkörper mit dem Fluoreszenzmittel emittierte Fluoreszenzstrahlung zu detektieren. Um zu verhindern, dass eine falsche Detektion vermeintlicher Fluoreszenzstrahlung durch Einflüsse der Beleuchtungsstrahlung erfolgt, ist dem Detektionssystem ein Detektionsfiltersystem vorgeschaltet, das sämtliche auf das Detektionssystem weisende Beleuchtungsstrahlung herausfiltert, sodass das Detektionssystem nur Fluoreszenzstrahlung echter Fehlstellen detektiert. Diese detektierten Daten können anschließend durch ein Rechensystem zur Fehlstellendetektion ausgewertet beziehungsweise verwertet werden.
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In diesem Kontext können einzelne, bevorzugt jedoch alle Schritte automatisiert erfolgen.
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Anders formuliert ist vorgesehen, dass Keramikkugeln als Prüfkörper mittels automatisierter Prüfung mit einem optischen Prüfsystem, aufweisend beispielsweise eine Kamera, Beleuchtungsquellen und Filter, geprüft werden sollen. Dies führt zu einer Steigerung der Ausbringung und Taktzeit und Erhöhung der Reproduzierbarkeit.
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Eine auf Fehlstellen zu prüfende Keramikkugel wird beispielsweise mittels LED-UV-Licht geeigneter Beleuchtungsstrahlung eines Beleuchtungssystems beleuchtet. Hier ist ein Anteil von Beleuchtungsstrahlung anderer Wellenlänge enthalten, die im Bereich der durch Anregung abgestrahlten Wellenlänge des Fluoreszenzmittels liegt. Dieser Anteil der Beleuchtungsstrahlung beeinflusst die Prüfung negativ und wird durch das Detektionsfiltersystem herausgefiltert. Wesentlicher Vorteil hierdurch ist, dass es nur noch die vom Fluoreszenzmittel abgegebene Fluoreszenzstrahlung gibt die zur Kamera als optisches Detektionssystem gelangt. Es gibt keine Störreflexe durch Beleuchtung. Dies ist insbesondere bei Kugeln und Rollen sehr kritisch.
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Grundsätzlich ist somit eine zuverlässige automatisierbare Oberflächenprüfung gewölbter Prüfkörper möglich.
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Dies wird beispielsweise durch ein geeignetes Beleuchtungsfiltersystem vor/auf/in dem Beleuchtungssystem erreicht, das nur den erforderlichen Anrege-Wellenbereich für das Fluoreszenzmittel beziehungsweise der Fluoreszenzstrahlung durchlässt. Dies wird als Spektrumfiltern bezeichnet.
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Auf Seite des optischen Detektionssystems, also kameraseitig, wird durch ein geeignetes Detektionsfiltersystem im Strahlengang vor/auf/im/hinter dem optischen Detektionssystem, optional vor/auf/im/hinter einem Objektiv, nur die Wellenlänge des vom Fluoreszenzmittel abgegebene Fluoreszenzstrahlung zum optischen Detektionssystem durchgelassen.
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Insbesondere erfolgt mithin eine Anregung des Fluoreszenzmittels mit Beleuchtungsstrahlung einer UV-Beleuchtung als Beleuchtungssystem. Zurück gestrahlt wird insbesondere grünes Licht als Fluoreszenzstrahlung.
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Insbesondere werden Reflektionen von Beleuchtungsstrahlung der UV-Beleuchtung durch das Detektionsfiltersystem vor dem Detektionssystem vollständig herausgefiltert, also geblockt.
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Ein Beleuchtungsfiltersystem kann vorzugsweise dazu dienen die Bandbreite der Beleuchtungsstrahlung weiter zu reduzieren, beispielsweise um +-10 Nanometer.
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Somit reicht entweder eine schmalbandige Beleuchtungsstrahlung eines entsprechenden Beleuchtungssystems oder es wird eine breitbandige Beleuchtung mit einem Beleuchtungsfiltersystem verwendet.
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Während derzeit eine Oberflächenprüfung mittels Farbeindringverfahren vollständig manuell durch Mitarbeiter erfolgt, die wenige Teile pro Stunde über Sichtprüfung prüfen, ist künftig eine automatisierte Oberflächenprüfung mittels Farbeindringverfahren möglich.
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Zum Filtern beziehungsweise Auslöschen unerwünschter Wellen gelten als Detektionsfiltersystem oder auch Beleuchtungsfiltersystem klassische Filter, aber auch gleichwirkende Mittel, beispielsweise geeignet beschichtete Spiegel. Wesentlich ist eine Unterdrückung beziehungsweise Reflektion der zu filternden Wellenlängen.
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Der Prüfkörper und das Fluoreszenzmittel bilden nur zu prüfende Mittel und sind keine beanspruchten Merkmale.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prüfsystem ein Beleuchtungsfiltersystem aufweist, zum Spektrumfiltern der Beleuchtungsstrahlung, mit einem oder mehreren Beleuchtungsfilterelementen, wobei jedes Beleuchtungsfilterelement vorzugsweise derart im Prüfsystem angeordnet ist, dass es zwischen einem jeweiligen Beleuchtungsmittel und dem zu prüfenden Prüfkörper mit dem Fluoreszenzmittel angeordnet ist. Somit hängt das Detektionsergebnis weniger von der Güte der vom jeweiligen Beleuchtungsmittel emittierten Beleuchtungsstrahlung, sondern von der Güte der vom jeweiligen Beleuchtungsfilterelement durchgelassenen Beleuchtungsstrahlung. Dies erweitert die Flexibilität bei der Auswahl der Beleuchtungsmittel, ohne die Zuverlässigkeit der Oberflächendetektion zu beeinflussen.
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Optional kann vorgesehen sein, dass derart hochwertige Beleuchtungsmittel verwendet werden, die eine schmalbandige Beleuchtungsstrahlung emittieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Beleuchtungsfiltersystem die Beleuchtungsstrahlung derart spektrumfiltert, dass die Beleuchtungsstrahlung einschließlich plus/minus 10 Nanometer von der Vorgabewellenlänger abweicht. Es hat sich herausgestellt, dass Beleuchtungsstrahlung in diesem Wellenlängenband hinreichend eng ist, um eine zuverlässige Detektion zu gewährleisten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fluoreszenzmittel und die Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems derart wechselwirkend ausgewählt sind, dass die Fluoreszenzstrahlung in einem grünen Wellenlängenbereich liegt, insbesondere zwischen einschließlich 560 bis einschließlich 490 Nanometer. Es hat sich herausgestellt, dass Fluoreszenzstrahlung in diesem Wellenlängenbereich eine zuverlässige automatisierte Detektion mit geringer Fehlerquote gewährleistet. Grundsätzlich ist die Fluoreszenzstrahlung vom Fluoreszenzmittel abhängig und kann abweichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems in einem ultravioletten Wellenlängenbereich liegt, bevorzugt zwischen einschließlich 380 bis einschließlich 100 Nanometer, besonders bevorzugt UV-A zwischen einschließlich 380 bis einschließlich 315 Nanometer, UV-B zwischen einschließlich 315 bis einschließlich 280 Nanometer oder UV-C zwischen einschließlich 280 bis einschließlich 100 Nanometer. Es hat sich herausgestellt, dass Beleuchtungsstrahlung in diesem Wellenlängenbereich eine zuverlässige automatisierte Detektion mit geringer Fehlerquote gewährleistet. Insbesondere sprechen Fluoreszenzmittel gut auf diese Beleuchtungsstrahlung an beziehungsweise emittieren unter Bestrahlung dieser Beleuchtungsstrahlung eine zuverlässig detektierbare Fluoreszenzstrahlung. Die Wellenlänge der Anregung ist abhängig vom Fluoreszenzmittel abhängig und kann abweichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein oder mehrere Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems LED-Leuchtmittel ist oder sind. LED-Leuchtmittel haben beispielsweise die Eigenschaft, dass sie Beleuchtungsstrahlung unterschiedlicher emittieren können. Somit kann die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung auf die Eigenschaften des Fluoreszenzmittels angepasst werden, sodass eine zuverlässig detektierbare Fluoreszenzstrahlung entsteht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Detektionssystem eine Kamera ist, wobei die Kamera insbesondere ein Objektiv aufweist, wobei das Detektionsfiltersystem vor, auf, im oder hinter dem Objektiv angeordnet ist. Eine Kamera ist eine fototechnische Apparatur, die statische oder bewegte Bilder elektronisch auf ein digitales Speichermedium aufzeichnen oder über eine Schnittstelle übermitteln kann. Hierbei handelt es sich um ein kostengünstiges und zuverlässiges optisches Detektionssystem zur Oberflächenprüfung.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Beleuchtungssystems mehrere Beleuchtungsmittel umfasst und diese als Ringlicht- oder Dom-Beleuchtung angeordnet sind, wobei die Beleuchtungsmittel gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Unter einer Ringlicht-Beleuchtung wird verstanden, dass Beleuchtungsmittel auf einem Projektionsring angeordnet sind und dass der Prüfkörper zentral zu dem Projektionsring angeordnet ist. Beispielsweise können drei Beleuchtungsmittel auf einem Projektionsring in einem gleichmäßigen Kreisabstand, insbesondere jeweils 120 Grad zueinander, angeordnet sein. Dies erlaubt eine gute Detektion von Fehlstellen an ebenen und gewölbten Objekten. Sofern die Detektionsanforderungen besonders hoch sind, eignet sich die Dom-Beleuchtung, wobei eine gleichmäßige beziehungsweise homogene Ausleuchtung des Prüfkörpers erfolgt, sodass ebene, gewölbte und noch komplexere Objekte als Prüfkörper geprüft werden können.
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Alternativ zu Spots können die Beleuchtungsmittel auch kleine Flächenlichter, Balkenlichter oder ähnliche Lichtquellen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein oder mehrere Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems beweglich im Prüfsystem angeordnet sind. Dies erlaubt eine flexible Anpassung der Detektionsbedingungen auf die zu erwartende Fehlstellenbildung und -geometrie am Prüfkörper. Auch kann eine Abweichung der Prüfkörpergeometrie entsprechend berücksichtigt werden. Die Anordnung der Beleuchtungsmittel kann zu Beginn einer Detektionsserie manuell durchgeführt werden. Optional und bevorzugt kann dies durch einen maschinellen Algorithmus, insbesondere eine künstliche Intelligenz, erfolgen.
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Optional ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems unbeweglich im Prüfsystem angeordnet sind. Dies verhindert, dass Beleuchtungsmittel versehentlich verrückt werden oder sich durch beispielsweise eigene Gewichtskräfte derart weiterbewegen, dass die Güte der Detektion negativ beeinflusst wird.
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Eine weitere Option sieht vor, dass mindestens ein Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems unbeweglich und mindestens ein Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems beweglich im Prüfsystem angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Prüfsystem eine 3D-Detektionsvorrichtung aufweist, um Oberflächenverschmutzung am Prüfkörper zu detektieren. Aufgrund von möglicher Oberflächenverschmutzung am Prüfkörper, beispielsweise als Verunreinigungen auf einer Kugeloberfläche, kann es zu Fehlanzeigen aufgrund von Schmutz beziehungsweise Staub kommen. Oberflächenverschmutzungen sind grundsätzlich in ihrer Höhe, also radial zum Prüfkörper, messbar. Es wird zusätzlich zum Bestimmen der Fehlstellen durch das Auswertung der detektierten Fluoreszenzstrahlung geprüft, ob eine Erhöhung an der durch das Fluoreszenzmittel angezeigten Stelle vorliegt, also eine Abweichung von der erwarteten Fläche, dargestellt zum Beispiel durch Neigungsänderung oder auch Höhenänderung. Ist dies der Fall, handelt es sich nicht um eine Fehlstelle, die durch Fluoreszenzmittel bestimmt wurde, sondern um eine Scheinanzeige durch Oberflächenverschmutzung am Prüfkörper, etwa durch Staub/Schmutz. Durch diese Maßnahme können dann Scheinanzeigen unterdrückt und die Auswertequalität signifikant erhöht werden. Fehlbewertungen werden somit minimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die 3D-Detektionsvorrichtung ausgebildet zur Funktion eines Detektionsprinzips nach Shape from Shading, Deflektometrie, Stereokameras, Lasertriangulation und/oder Streifenlicht.
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Shape from Shading, auch bekannt als photometrisches Stereo, ist insbesondere eine Technik im Bereich der Bildverarbeitung, um die Oberflächennormalen von Objekten zu schätzen, indem man dieses Objekt unter verschiedenen Lichtverhältnissen beobachtet. Es basiert auf der Tatsache, dass die von einer Oberfläche reflektierte Lichtmenge von der Ausrichtung der Oberfläche in Bezug auf die Lichtquelle und den Beobachter abhängt. Durch die Messung der in eine Kamera reflektierten Lichtmenge wird der Raum möglicher Oberflächenorientierungen begrenzt. Bei ausreichender Anzahl von Lichtquellen aus verschiedenen Winkeln kann die Oberflächenorientierung auf eine einzige Ausrichtung beschränkt oder sogar übermäßig eingeschränkt sein.
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Deflektometrie bezeichnet insbesondere die berührungsfreie Erfassung beziehungsweise Vermessung spiegelnder Oberflächen. Hierbei kommen Techniken aus der Fotometrie beziehungsweise Radiometrie, der Fotogrammetrie, des Laserscannings oder der Laserentfernungsmessung zum Einsatz. Während diffus reflektierende Körper über eine Analyse der Helligkeitsverteilung reflektierter Lichtquellen erfasst werden können (Shape from Shading), werden bei ebenen oder gekrümmten, hochreflektiven Oberflächen die Spiegelbilder bekannter Muster analysiert, um die Form der Oberfläche zu bestimmen.
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Beim Detektionsprinzip der Lasertriangulation lassen sich beispielsweise Winkel wesentlich einfacher, nämlich berührungslos, und genauer messen als Strecken, besonders wenn diese sehr lang sind. Daher wird für sensible Vermessungen das Verfahren der Triangulation verwendet: Sind die Winkel zwischen den Seiten eines Dreiecks und die Länge einer der Dreiecksseiten bekannt, kann man beispielsweise die Längen der anderen Seiten mittels trigonometrischer Formeln berechnen.
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Das Detektionsprinzip mit Streifenlicht ist neben dem Laserscanning ein 3D-Scan-Verfahren, das es dem Benutzer ermöglicht, Objekte berührungslos und schonend zu digitalisieren und dreidimensional darzustellen. Die erfassten Oberflächeninformationen werden insbesondere in Form von Punktwolken im universellen ASCII-Format dokumentiert. Bei einem hierzu bevorzugten 3D-Lichtschnittscanner mit codiertem Lichtansatz handelt es sich um ein System, mit dem Tiefenauflösungen und Messgenauigkeiten um insbesondere circa 0,001 mm erreicht werden können. Um diese Genauigkeiten zu erreichen, können verschiedene Messprinzipien und Algorithmen wie das Triangulationsverfahren, das Lichtschnittverfahren, der codierte Lichtansatz, und/oder das Phasenshiftverfahren ineinandergreifen. Der Scanner umfasst beispielsweise mindestens einen Projektor und mindestens eine Kamera, die optional auf einem Stativ montiert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass sich der Prüfkörper und/oder die 3D-Detektionsvorrichtung bewegt oder bewegen zum Detektieren von Oberflächenverschmutzung mit der 3D-Detektionsvorrichtung. Es hat sich herausgestellt, dass sich hierdurch eine erhöhte Detektionsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
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Eine Stereokamera ist ein spezieller Aufbau zur Aufnahme von stereoskopischen Bildern. Stereokameras besitzen in der Regel zwei nebeneinander angebrachte Objektive und ermöglichen beim Auslösen die gleichzeitige Aufnahme der für 3D-Bilder erforderlichen beiden stereoskopischen (Halb)bilder. Die Belichtungssteuerung und Schärfeneinstellung beider Objektive sind gekoppelt. Vorzugsweise werden mindestens zwei Stereokameras verwendet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Oberflächenfehlstellenprüfung eines gewölbten Prüfkörpers unter Verwendung eines Prüfsystems mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale. Als gewölbte Prüfkörper werden vorzugsweise Keramikkugeln oder Rollen verwendet.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine symbolische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Prüfsystem zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
- 2: eine symbolische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Prüfsystem zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 3: eine symbolische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Prüfsystem zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers, auch hinsichlich Oberflächenverschmutzung, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils in getrennten Ausführungsbeispielen ein Prüfsystem 10, zur optischen Oberflächenprüfung eines Prüfkörpers 12 mit einem auf dem Prüfkörper 12 angeordneten Fluoreszenzmittel, aufweisend ein Beleuchtungssystem 14, zur Beleuchtung des Prüfkörpers 12 und des Fluoreszenzmittels mit Beleuchtungsstrahlung, mit mehreren Beleuchtungsmitteln 14a, 14b, 14c, 14d, 14e;
ein optisches Detektionssystem 16, um vom Prüfkörper 12 mit dem Fluoreszenzmittel emittierte Fluoreszenzstrahlung zu detektieren;
ein Detektionsfiltersystem 18, das derart zum Filtern von Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems 14 im Prüfsystem 10 eingerichtet ist, dass das optische Detektionssystem 16 nur Fluoreszenzstrahlung vom Fluoreszenzmittel detektiert. Dabei ist das Fluoreszenzmittel nicht explizit dargestellt, umgibt den Prüfkörper 12 jedoch. Die Anzahl der Beleuchtungsmittel ist gemäß beiden Figuren nur beispielhaft dargestellt und nicht limitierend.
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In beiden Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass das Prüfsystem 10 ein Beleuchtungsfiltersystem 20 aufweist, zum Spektrumfiltern der Beleuchtungsstrahlung.
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Gemäß 1 umfasst das Beleuchtungsfiltersystem 20 drei Beleuchtungsfilterelemente 20a, 20b, 20c, wobei jedes Beleuchtungsfilterelement 20a, 20b, 20c derart im Prüfsystem 10 angeordnet ist, dass es zwischen einem jeweiligen Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c und dem zu prüfenden Prüfkörper 12 mit dem Fluoreszenzmittel angeordnet ist.
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Die Anzahl der Beleuchtungsfilterelemente ist gemäß beiden Figuren nur beispielhaft dargestellt und nicht limitierend.
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Gemäß 2 umfasst das Beleuchtungsfiltersystem 20 fünf Beleuchtungsfilterelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, wobei jedes Beleuchtungsfilterelement 20a, 20b, 20c, 20d, 20e derart im Prüfsystem 10 angeordnet ist, dass es zwischen einem jeweiligen Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e und dem zu prüfenden Prüfkörper 12 mit dem Fluoreszenzmittel angeordnet ist.
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Insbesondere ist für beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass das Beleuchtungsfiltersystem 20 die Beleuchtungsstrahlung derart spektrumfiltert, dass die Beleuchtungsstrahlung einschließlich plus/minus 10 Nanometer von der Vorgabewellenlänger abweicht.
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Weiterhin ist für beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass das Fluoreszenzmittel und die Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems 14 derart wechselwirkend ausgewählt sind, dass die Fluoreszenzstrahlung in einem grünen Wellenlängenbereich liegt, insbesondere zwischen einschließlich 560 bis einschließlich 490 Nanometer. Die Wellenlänge der Anregung ist abhängig vom Fluoreszenzmittel abhängig und kann abweichen.
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Weiterhin ist für beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass die Beleuchtungsstrahlung des Beleuchtungssystems 14 in einem ultravioletten Wellenlängenbereich liegt, bevorzugt zwischen einschließlich 380 bis einschließlich 100 Nanometer, besonders bevorzugt UV-A zwischen einschließlich 380 bis einschließlich 315 Nanometer, UV-B zwischen einschließlich 315 bis einschließlich 280 Nanometer oder UV-C zwischen einschließlich 280 bis einschließlich 100 Nanometer. Die Wellenlänge der Anregung ist abhängig vom Fluoreszenzmittel abhängig und kann abweichen.
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Weiterhin ist für beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass ein oder mehrere Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e des Beleuchtungssystems 14 LED-Leuchtmittel ist oder sind.
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Weiterhin ist für beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass das Detektionssystem 16 eine Kamera ist, wobei die Kamera ein Objektiv 22 aufweist, wobei das Detektionsfiltersystem 18 vor dem Objektiv 22 angeordnet ist.
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Gemäß 1 ist vorgesehen, dass drei Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c des Beleuchtungssystems 14 derart angeordnet sind, dass sie als Ringlicht-Beleuchtung angeordnet sind, wobei die Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c bei der Ringlicht-Beleuchtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Dabei sind die Strahlgänge symbolisch mit Linien dargestellt. Gemessen am Ring sind die Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c aufeinanderfolgend in einem 120 Gradabstand zueinander angeordnet.
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Gemäß 2 ist vorgesehen, dass die Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e des Beleuchtungssystems 14 derart angeordnet sind, dass sie als Dom-Beleuchtung angeordnet sind, wobei die Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e bei der Dom-Beleuchtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Dies ist nur symbolisch dargestellt. Dabei sind einige Strahlgänge symbolisch mit Linien dargestellt.
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Grundsätzlich gilt, dass man eine Ringbeleuchtung erhält, wenn man die Anzahl der beispielhaften LED-Spots und deren Filter erhöht und sie auf einem Kreisband in äquidistantem Abstand anordnet. Wird die Anzahl der äquidistanten Ringe ebenfalls nach oben zu einer Halbkugel erweitert, erhält man eine Dombeleuchtung.
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Optional und unabhängig der Ausführungsbeispiele ist möglich, im oberen Bereich einen halbdurchlässigen Spiegel einzusetzen, ergänzend oder alleine.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Beleuchtungsmittel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e des Beleuchtungssystems 14 beweglich im Prüfsystem 10 angeordnet sind.
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Gemäß 3 ist vorgesehen, dass das Prüfsystem 10, zusätzlich zum Prüfsystem 10 nach 1, eine 3D-Detektionsvorrichtung 24 aufweist, um Oberflächenverschmutzung am Prüfkörper 12 zu detektieren. Dabei ist exemplarisch dargestellt, dass die 3D-Detektionsvorrichtung 24 einen Stereokameraaufbau aufweist. Möglich ist auch, dass die 3D-Detektionsvorrichtung 24 weitere Detektionsprinzipien nutzt. Dabei ist nach 3 möglich, dass sich der Prüfkörper 12 und/oder die 3D-Detektionsvorrichtung 24 bewegt oder bewegen zum Detektieren von Oberflächenverschmutzung mit der 3D-Detektionsvorrichtung 24.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Prüfsystem
- 12
- Prüfkörper (mit Fluoreszenzmittel)
- 14
- Beleuchtungssystem
- 14a
- Erstes Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems
- 14b
- Zweites Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems
- 14c
- Drittes Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems
- 14d
- Viertes Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems
- 14e
- Fünftes Beleuchtungsmittel des Beleuchtungssystems
- 16
- Detektionssystem
- 18
- Detektionsfiltersystem
- 20
- Beleuchtungsfiltersystem
- 20a
- Erstes Beleuchtungsfilterelement des Beleuchtungsfiltersystems
- 20b
- Zweites Beleuchtungsfilterelement des Beleuchtungsfiltersystems
- 20c
- Drittes Beleuchtungsfilterelement des Beleuchtungsfiltersystems
- 20d
- Viertes Beleuchtungsfilterelement des Beleuchtungsfiltersystems
- 20e
- Fünftes Beleuchtungsfilterelement des Beleuchtungsfiltersystems
- 22
- Objektiv
- 24
- 3D-Detektionsvorrichtung
