DE102022203006A1

DE102022203006A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie

Info

Publication number: DE102022203006A1
Application number: DE102022203006.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Ranft
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2023186635A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie, umfassend eine Laserquelle (1) die einen Laserstrahl (2) auf eine Prüfoberfläche (7) zur Bildung eines Messbereiches (8) emittieren kann, und eine Beobachtungseinrichtung (B) zu thermographischen Beobachtung der Prüfoberfläche (7), die sich dadurch auszeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (B) ferner zur Erkennung von fehlerverursachenden Oberflächen (9) auf der Prüfoberfläche (7) eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung eine Abschattungseinrichtung (A) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Messbereich (8) zu verändern, dergestalt, dass ein neuer Messbereich (10) unter Aussparung der fehlerverursachenden Oberfläche (9) entsteht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Es werden Prüfkörper mit Hilfe von aktiver Laserthermografie geprüft. Diese Mess-Methodik wird jedoch durch inhomogene Oberflächen bezogen auf Ihren Absorbtions- und Emissionsgrad elektromagnetischer Wellen beeinflusst. Typischerweise sind dabei Kontaminationen auf der Prüfoberfläche gemeint, die i. d. R. von vorlaufenden Prozessen herbeigerufen werden. Dies kann zu fehlerhaften Messungen durch problematische Oberflächen führen. Einmal kontaminiert ist eine Nachprüfung nur durch eine vorlaufende Reinigung der Prüfoberflächen möglich. Dies beeinflusst jedoch die Ausbringung der Prüfmaschine negativ.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie vorzuschlagen, insbesondere eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche die oben skizzierten Probleme abstellt, mindestens jedoch mindert. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie vorgeschlagen werden, die Messfehler vermeidet, zumindest aber mindert und/oder eine höhere Ausbringung bzw. kürzere Taktzeiten für die Messung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Beobachtungseinrichtung B ferner zur Erkennung von fehlerverursachenden Oberflächen auf der Prüfoberfläche eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung eine Abschattungseinrichtung A umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Messbereich zu verändern, dergestalt, dass ein neuer Messbereich unter Aussparung der fehlerverursachenden Oberfläche entsteht, können die oben skizzierten Nachteile überwunden, zumindest aber gemildert werden. Mit Hilfe von der Manipulation des Messbereiches, insbesondere hinsichtlich Größe, Geometrie, Position, etc. können die fehlerverursachenden Bereiche von der Messung ausgeschlossen werden. Diese ausgeschlossenen Bereiche werden für die weiterführende Auswertung nicht berücksichtigt. Die Manipulation des Messbereiches kann mit mechanischer Bewegung des Prüfkopfes, spotvariierender Laseroptiken, Spiegelsystemen und/oder Blenden erfolgen.
Auch kann eine Erhöhung der Prüfgeschwindigkeit und der erreichbaren Ausbringung erreicht werden. Da die Messzeit bedingt durch die bauteilspezifische Messfrequenz ist, ist vor allem durch die Beschleunigung oder dem Ersatz von Manipulationsprozessen eine Erhöhung der Performance zu erwarten. Eine teilweise Ausblendung des Messbereiches wird dann als akzeptabel betrachtet, wenn der weiterhin auszuwertende Bereich ausreichend groß ist um die zu prüfenden Merkmale sinnvoll bewerten zu können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Beobachtungseinrichtung ein Beobachtungsmittel oder ein Beobachtungsmittel und einen halbtransparenten Spiegel umfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Beobachtungsmittel eine Wärmebildkamera umfasst bzw. als Wärmebildkamera ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abschattungseinrichtung einen ersten beweglichen Spiegel und einen zweiten beweglichen Spiegel umfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abschattungseinrichtung eine erste Blendscheibe mit einem Blendscheibenantrieb, sowie eine zweite Blendscheibe mit einem Blendscheibenantrieb umfasst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform.

Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:

A: Abschattungseinrichtung
B: Beobachtungseinrichtung
1: Laserquelle / Laseroptik
2: Laserstrahl
3: Beobachtungsmittel
4: Spiegel
5: (erster) beweglicher Spiegel
6: (zweiter) beweglicher Spiegel
7: Arbeitsbereich / Prüfoberfläche
8: Ursprünglicher Messbereich
9: Fehlerverursachende Oberfläche
10: Neu entstandener Messbereich
11: (erste) Blendscheibe
12: Blendscheibenantrieb für erste Blendscheibe
13: (zweite) Blendscheibe
14: Blendscheibenantrieb für zweite Blendscheibe

Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder“ jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen.
Eine Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie umfasst im Wesentlichen eine Laserstrahlquelle bzw. Laseroptik 1 der einen Laserstrahl 2 emittiert, eine Beobachtungseinrichtung B und eine Abschattungseinrichtung A.
Die Beobachtungseinrichtung B kann ein Beobachtungsmittel 3 oder ein Beobachtungsmittel 3 und einen Spiegel 4 umfassen.
Bei dem Beobachtungsmittel 3 kann es sich insbesondere um eine Wärmebildkamera handeln.
Die Abschattungseinrichtung A kann einen ersten beweglichen Spiegel 5 und einen zweiten beweglichen Spiegel 6 umfassen.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand nachfolgender Beschreibung eines Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie mittels der Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie. Es versteht sich, dass hier nur einige ausgewählte Verfahrensschritte dargestellt sind, wie sie für das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens hilfreich sind. Das Verfahren kann weitere, dem Fachmann bekannte, Schritte bzw. Zwischenschritte umfassen.
Aus der Laserquelle 1 mit variierbarem Laserspot tritt der Laserstrahl 1, welcher mit Hilfe der beweglichen Spiegel 5 und 6 abgelenkt wird. Die reflektierten Strahlen treffen auf einen Arbeitsbereich 7. Es erfolgt eine Bestrahlung eines Messbereiches 8 und eine parallele Beobachtung durch die Beobachtungseinrichtung B. Die Beobachtung kann dabei über das Beobachtungsmittel 3 und den halbtransparente Spiegel 4 entlang des Strahlengangs, oder unabhängig vom Spiegelsystem, also nur mit dem Beobachtungsmittel 3 erfolgen. Im Messbereich 8 befindet sich eine fehlerverursachende Oberfläche 9.
Die Beobachtungseinrichtung B, insbesondere das Beobachtungsmittel 3, erkennt die fehlerverursachende Oberfläche 9, insbesondere Verschmutzungen. Die Informationen können an eine geeignete Datenverarbeitungsanlage übermittelt werden, die ihrerseits die Abschattungseinrichtung A ansteuern kann. Als Datenverarbeitungsanlage kommt ein Personalcomputer in Frage, auf dem geeignete Bildverarbeitungsalgorithmen laufen.
Es erfolgt eine Verschiebung des Messbereiches 8 insbesondere durch die Veränderung der Laserstrahlbreite und Verstellung der Spiegel 5 und 6. Der neu entstandene Messbereich 10 kann dabei durch die Aufnahme von mehreren Bildern zusammengesetzt werden.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet.
Auch die alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie umfasst eine Laseroptik 1 aus der ein Laserstrahl 2 austritt. Die Abschattungseinrichtung A umfasst hier im Wesentlichen eine erste Blendscheibe 11 mit einem Blendscheibenantrieb 12, sowie eine zweite Blendscheibe 13 mit einem Blendscheibenantrieb 14.
Ferner umfasst auch die eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Beobachtungseinrichtung B, umfassend ein Beobachtungsmittel 3.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand nachfolgender Beschreibung eines Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie mittels der Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie. Es versteht sich, dass hier nur einige ausgewählte Verfahrensschritte dargestellt sind, wie sie für das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens hilfreich sind. Das Verfahren kann weitere, dem Fachmann bekannte, Schritte bzw. Zwischenschritte umfassen.
Aus einer Laserquelle 1 tritt ein Laserstrahl 2, welcher auf die Blendscheiben 3 und 4 mit Öffnungen trifft. Der dabei entstehende Laserspot trifft auf die Prüfoberfläche 7. Dieser Vorgang wird mittels der Beobachtungseinrichtung B, insbesondere dem Beobachtungsmittel 3 beobachtet. Im Messbereich befindet sich eine fehlerverursachende Oberfläche. Es erfolgt eine Justierung der Blendscheibe 3 oder 4, sodass durch die resultierende Blendwirkung die fehlerverursachenden Bereiche abgeschattet werden.
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Beobachtungseinrichtung B, insbesondere dem Beobachtungsmittel 3, im Hinblick auf die Erkennung und Auswertung von fehlerverursachenden Oberflächen kann auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Es ist ersichtlich, dass den Ausführungsformen der erfindungsgemäße Grundgedanke zu Grunde liegt, eine Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie, umfassend die Laseroptik 1 die einen Laserstrahl 2 auf eine Prüfoberfläche zur Bildung eines Messbereiches emittieren kann, und eine Beobachtungseinrichtung B zu thermographischen Beobachtung der Prüfoberfläche vorzuschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung B ferner zur Erkennung von fehlerverursachenden Oberflächen auf der Prüfoberfläche eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung eine Abschattungseinrichtung A umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Messbereich zu verändern, dergestalt, dass ein neuer Messbereich unter Aussparung der fehlerverursachenden Oberfläche entsteht.

Claims

Vorrichtung zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie, umfassend eine Laserquelle (1) die einen Laserstrahl (2) auf eine Prüfoberfläche (7) zur Bildung eines Messbereiches (8) emittieren kann, und eine Beobachtungseinrichtung (B) zu thermographischen Beobachtung der Prüfoberfläche (7), dadurch gekennzeichnet, dass - die Beobachtungseinrichtung (B) ferner zur Erkennung von fehlerverursachenden Oberflächen (9) auf der Prüfoberfläche (7) eingerichtet ist, wobei - die Vorrichtung eine Abschattungseinrichtung (A) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Messbereich (8) zu verändern, dergestalt, dass ein neuer Messbereich (10) unter Aussparung der fehlerverursachenden Oberfläche (9) entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung ein Beobachtungsmittel (3) oder ein Beobachtungsmittel (3) und einen halbtransparenten Spiegel (4) umfasst.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsmittel (3) eine Wärmebildkamera umfasst bzw. als Wärmebildkamera ausgebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschattungseinrichtung (A) einen ersten beweglichen Spiegel (5) und einen zweiten beweglichen Spiegel (6) umfasst.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschattungseinrichtung (A) eine erste Blendscheibe (11) mit einem Blendscheibenantrieb (12), sowie eine zweite Blendscheibe (13) mit einem Blendscheibenantrieb (14) umfasst.
Verfahren zur Messung inhomogener Flächen mittels aktiver Laserthermographie mit einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Emittieren eines Laserstrahls (2) auf eine Prüfoberfläche (7) zur Bildung eines Messbereiches (8); - thermographische Beobachtung der Prüfoberfläche (7), sowie Erkennung von fehlerverursachenden Oberflächen (9) auf der Prüfoberfläche (7) durch die Beobachtungseinrichtung (B); - Veränderung des Messbereiches (8) durch Aussparung einer detektierten fehlerverursachenden Oberfläche (9) durch die Abschattungseinrichtung A; - Weiterführung der Messung ohne die fehlerverursachende Oberfläche (9) in einem neu entstandenen Messbereich (10).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Messbereiches (8) durch Verschiebung des Messbereiches erfolgt, nämlich durch die Veränderung der Laserstrahlbreite und Verstellung der Spiegel (5 und 6).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Messbereiches (8) durch eine Justierung der Blendscheibe (3 und/oder 4) erfolgt, sodass durch die resultierende Blendwirkung die fehlerverursachenden Bereiche (9) abgeschattet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der neu entstandene Messbereich (10) durch die Aufnahme von mehreren Bildern zusammengesetzt werden kann.