DE10251295A1

DE10251295A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten

Info

Publication number: DE10251295A1
Application number: DE2002151295
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Mähner, Bernward
Current assignee: MAEHNER, BERNWARD, 82205 GILCHING, DE
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2004-06-03

Abstract

Zur Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere der Rauhigkeit, werden tastende und berührungslose Messverfahren eingesetzt, welche das Prüfobjekt entlang von Linien oder punktuell untersuchen. Zur flächendeckenden Überprüfung des Objektes müssen folglich zahlreiche Einzelmessungen durchgeführt werden, die insgesamt eine lange Messzeit verursachen. DOLLAR A Durch ein neuartiges Messverfahren, bei dem das Objekt bestrahlt wird, die Strahlung vom Objekt reflektiert wird und ein Sensor entweder die diffus zurückgestreute oder die spiegelnd reflektierte Strahlung erfasst, wird über das Reflexionsverhalten auf die Oberflächenbeschaffenheit zurückgeschlossen. Der Sensor arbeitet flächenhaft, so dass eine Vielzahl von Oberflächenpunkten simultan erfasst wird. DOLLAR A Das neue Verfahren gewährleistet somit eine schnelle, flächendeckende Überprüfung der Objektoberfläche. Dies ermöglicht beispielsweise die automatische Überwachung von Bearbeitungsschritten an Werkstücken.

Description

Es ist bekannt, dass zur Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten, wie zum Beispiel metallischen Werkstücken, Rauhigkeitsmessverfahren eingesetzt werden. Diese arbeiten entweder mit einem berührenden, abtastenden Messfühler oder mit einem berührungslosen bzw. nicht abtastenden Messkopf. Zu den letztgenannten Verfahren gehört beispielsweise das Kondensatorverfahren. Genützt wird dabei die Beziehung zwischen Kapazität und Plattenabstand eines elektrischen Kondensators. Die Messelektrode wird unter Zwischenlage einer dielektrischen Schicht auf die Oberfläche des Objektes aufgelegt. Aus der ermittelten Kapazität wird auf die Obenflächenrauhigkeit zurückgeschlossen (Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau, 16. Auflage, Seite V 26). Ein berührungslos arbeitendes, optisches Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauhigkeit ist unter dem Namen Streulicht – Rauhigkeitsmessgerät bekannt (Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau, 16. Auflage, Seite V 26). Hierbei werden die durch die Oberflächenbeschaffenheit hervorgerufenen Streulichtverteilungen in Rauhigkeitsparameter umgesetzt. Dabei wird ein kleiner Fleck der Oberfläche mit senkrecht zur Objektoberfläche ausgerichtetem Licht bestrahlt. Das von der Objektoberfläche zurückgestreute Licht wird über eine Optik eingefangen und die Intensitätsverteilung des zurückgestreuten Lichts in Abhängigkeit vom Reflexionswinkel ermittelt.

Die genannten berührungslosen Messverfahren prüfen jeweils nur kleine Ausschnitte der Objektoberfläche, wobei für diesen Ausschnitt ein Kennwert ermittelt wird. Zur flächendeckenden Überprüfung der Oberfläche muß der Sensor folglich die Oberfläche z.B. in einer meanderförmigen Bewegung abfahren. Dies erfordert einen großen mechanischen und zeitlichen Aufwand.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine schnelle, flächige Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten ermöglichen. Das Verfahren soll dabei insbesondere auch bei nachgiebigen bzw. leicht verformbaren Objekten einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren und die in Patentanspruch 21 angegebene Vorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Erfindungsgemäß wird die Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts geprüft, indem das Objekt mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, das Objekt dabei mit einem flächenhaft arbeitenden Sensor beobachtet wird und der Sensor ferner die erzeugte und vom Objekt zurückgeworfene Strahlung erfasst. Bei der elektromagnetischen Strahlung handelt es sich dabei vorzugsweise um optische Strahlung. Erfindungsgemäß werden die Strahlquellen, das Objekt und der Sensors so zueinander positioniert, dass die von der Oberfläche des Objektes durch spiegelnde Reflexion zurückgeworfene Strahlung für jeden vom Sensor beobachteten Teilbereich der Objektoberfläche von dem Sensor entweder erfasst wird oder nicht erfasst wird. Die beiden sich daraus ergebenden Ausführungsvarianten werden im Folgenden weiter erläutert.

Erfindungsgemäß wird für die beobachteten Teilbereiche von dem Sensor die Intensität der vom Objekt zurückgeworfenen Strahlung gemessen. Im Falle einer optischen Strahlung besteht der Sensor dabei vorzugsweise aus dem Bildsensor einer Kamera z.B. dem CCD-Chip einer Videokamera. Hierdurch wird eine Vielzahl von Messpunkten bzw. kleinen Teilbereichen der Objektoberfläche gleichzeitig erfasst. Aus der für die besagten Teilbereiche ermittelten Strahlungsintensität, wird erfindungsgemäß das Reflexionsverhalten der Objektoberfläche bestimmt. Aus dem Reflexionsverhalten der Objektoberfläche wird in einem weiteren Verfahrensschritt dann die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes ermittelt. Allgemein gilt hierbei, dass Oberflächen bzw. Teile der Oberfläche, welche die Strahlung überwiegend spiegelnd reflektieren, glattflächig sein werden. Mit zunehmender Oberflächenrauhigkeit nimmt der Anteil an spiegelnd reflektierter Strahlung ab und gleichzeitig der Anteil an diffus zurückgestreuter Strahlung zu.

Bei spiegelnder Reflexion gilt das allgemein bekannte Reflexionsgesetz. Für die diffus zurückgestreute Strahlung gilt nicht das Reflexionsgesetz, sondern die Strahlung wird hier über einen größeren Winkelbereich verteilt zurückgeworfen. Zur Erfassung der diffus zurückgestreuten Strahlung, kann demnach der Sensor relativ frei positioniert werden. Bei Verwendung einer Kamera als Sensor muss im Wesentlichen nur darauf geachtet werden, dass der von den Strahlungsquellen bestrahlte Teil des Objektes auch von der Kamera abgebildet wird. Zur Erfassung der spiegelnd reflektierten Strahlung müssen hin gegen Strahlungsquellen Objekt und Sensor unter Berücksichtigung des Reflexionsgesetztes exakt zueinander ausgerichtet werden.

Bei der Anwendung des neuen Verfahrens erfolgt die Ausrichtung von Strahlungsquellen, Objekt und Sensor also primär unter dem Gesichtspunkt, ob die spiegelnd reflektierte Strahlung vom Sensor erfasst werden soll oder nicht.

Wird gemäß einem Aspekt der Erfindung die durch die Strahlungsquellen auf das Objekt aufgebrachte und von diesem spiegelnd reflektierte Strahlung vom Sensor nicht erfasst, so wird der Sensor für überwiegend spiegelnd reflektierende Oberflächen nur eine sehr geringe hingegen bei diffus zurückstreuenden Oberflächen eine relativ hohe Strahlungsintensität messen. Wird dagegen gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung die durch die Strahlungsquellen auf das Objekt aufgebrachte und von diesem spiegelnd reflektierte Strahlung vom Sensor erfasst, so wird der Sensor bei spiegelnd reflektierenden Oberflächen eine wesentlich höhere Intensität messen als bei diffus zurückstreuenden Oberflächen. In beiden Ausführungsvarianten besteht somit ein direkter Zusammenhang zwischen der vom Sensor registrierten Strahlungsintensität und dem Reflexionsverhalten der Objektoberfläche.

Um vom Reflexionsverhalten auf die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes zu schließen, werden die ermittelten Messwerte vorteilhafterweise mit den Messwerten von Referenzmessungen verglichen. Ein solcher Vergleich kann vorteilhafterweise auch eine Differenzbildung oder eine Normierung beinhalten. Durch die Normierung werden die ortsabhängigen Einflüsse auf das Messergebnis beseitigt, wodurch sich alle nachfolgenden Auswerteschritte vereinfachen. Die Referenzmessungen werden vorteilhafterweise an ausgewählten Prüfobjekten mit bekannten Oberflächeneigenschaften durchgeführt. Zur Messung des Objektes werden dann am Prüfsystem insbesondere die Strahlleistung der Strahlungsquellen und die Empfindlichkeit des Sensors nicht mehr verändert. Hierdurch wird die Vergleichbarkeit der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Referenzmessungen gewährleistet. Im Falle eines Sensors in Form einer Kamera wird der Vergleich von Messergebnissen mit den Ergebnissen aus Referenzmessungen bildpunktweise durchgeführt. Daraus ergibt sich ein Beurteilung der Objektoberfläche mit hoher Ortsauflösung.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird durch den Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen aus Referenzmessungen die untersuchte Objektoberfläche in mehrere Kategorien eingeteilt. Im einfachsten Fall wird nur zwischen zwei Kategorien, beispielsweise bearbeitet/nicht bearbeitet oder gut/schlecht, unterschieden.

Bei der Zuordnung von Messergebnissen in Kategorien kann die Verwendung von Schwellwerten vorteilhaft sein. Ist der Sensor flächenhaft ausgebildet, so werden diese Schwellwerte vorteilhafterweise für die einzelnen Messpunkte auf der Sensorfläche individuell festgelegt oder das Messergebnis wird normiert.

Wird das System gemäß einem Aspekt der Erfindung so ausgelegt, dass der Sensor die vom Objekt spiegelnd reflektierte Strahlung erfasst, so kann vorteilhafterweise ein weiterer zusätzlicher Sensor verwendet werden, welcher lediglich die diffus zurückgestreute Strahlung erfasst, nicht aber die spiegelnd reflektierte Strahlung. Diese Vorgehensweise ermöglicht dann eine genauere Bestimmung der Anteile von diffus zurückgestreuter und spiegelnd reflektierter Strahlung.

Bei ebenen oder einfach gekrümmten Objektoberflächen lässt sich das neue Verfahren besonders gut anwenden, da hier die Anordnung von Strahlungsquellen, Prüfobjekt und Sensor keine größeren technischen Schwierigkeiten bereitet.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1: ein System zur Erfassung ausschließlich der von einem Objekt diffus zurückgestreuten Strahlung.
2a: ein mittels des Systems aus 1 erzeugtes Referenzbild eines Objektes mit spiegelnd reflektierender Oberfläche.
2b: ein mittels des Systems aus 1 erzeugtes Referenzbild eines Objektes mit diffus zurückstreuender Oberfläche.
2c: ein mittels des Systems aus 1 erzeugtes Bild eines Objektes mit teilweise spiegelnd reflektierender und teilweise diffus zurückstreuender Oberfläche.
2d: ein aus dem Bild der 2b und dem Bild der 2c erzeugtes Ergebnisbild. 2e: ein aus Bild 2c erzeugtes Ergebnisbild, wobei die Daten mit Hilfe der Bilder aus 2a und 2b normiert wurden.
2f ein aus Bild 2e erzeugtes Binärbild, wobei auf die Daten aus dem Bild der 2e eine Schwellwertoperation angewendet wurde.
3a: den Schnitt entlang der in 2c gezeigten Schnittlinie durch die Bilder aus 2a, 2b und 2c.
3b: den Schnitt entlang der in 2c gezeigten Schnittlinie durch das Bild aus der 2d.
3c: den Schnitt entlang der in 2c gezeigten Schnittlinie durch das Bild aus der 2e.
4a: ein System zur Erfassung der von einem Objekt spiegelnd reflektierten Strahlung in der Draufsicht.
4b: das System von 4a in der Vorderansicht.
4c: die Lichtquelle des Systems von 4a bzw. 4b in der Vorderansicht.
5a: ein mittels des Systems aus 4a erzeugtes Referenzbild eines Objektes mit spiegelnd reflektierender Oberfläche.
5b: ein mittels des Systems aus 4a erzeugtes Referenzbild eines Objektes mit diffus zurückstreuender Oberfläche.
5c: ein mittels des Systems aus 4a erzeugtes Bild eines Objektes mit teilweise spiegelnd reflektierender und teilweise diffus zurückstreuender Oberfläche.
6: den Schnitt entlang der in 5c gezeigten Schnittlinie durch die Bilder aus 5a, 5b und 5c.
7: das System aus der 4a welches um einen weiteren Sensor zur gleichzeitigen Erfassung der diffus zurückgestreuten Strahlung erweitert wurde.
Die 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung ausschließlich der von einem Objekt diffus zurückgestreuten Strahlung. Zwei Strahlungsquellen 1 und 2 in Form von Lampen bestrahlen das Objekt 3 mit Licht. Die dem Sensor 5 zugewandte Oberfläche des Objektes 3 ist eben. Durch die symmetrische Ausleuchtung des Objektes 3 mit den Lichtquellen 1 und 2 wird eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung des Objektes 3 erzielt. Das Objekt 3 wird über eine Optik 4 auf dem Sensor 5 abgebildet. Optik 4 und Sensor 5 können beispielsweise Bestandteile einer Videokamera sein. Die Randstrahlen der Beleuchtungskegel welche von den Lichtquellen 1 und 2 erzeugt werden und auf dem Objekt 3 auftreffen sind als Vektoren dargestellt. Es sind dies für die Lichtquelle 1 die Vektoren b11 und b12, und für die Lichtquelle 2 die Vektoren b21 und b22. Das Objekt 3 besitzt eine ebene Oberfläche. Wird der Lichtstrahl repräsentiert durch den Vektor b11 an der Oberfläche des Objektes spiegelnd reflektiert, so ergibt sich aus dem Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel), dass der reflektierte Strahl die durch den Vektor b 11' dargestellte Lage und Richtung hat. Ganz analog gilt dies für die anderen drei Randstrahlen b12, b21 und b22. Der reflektierte Strahl hat dann jeweils die Lage und Richtung von b12' bzw. b21' bzw. b22'. Es ist offensichtlich, dass sämtliche Strahlen, welche von der Lichtquelle 1 ausgehen und innerhalb des Beleuchtungskegels b11 und b12 auf der Oberfläche des Objektes 3 auftreffen, nach dem Reflexionsgesetz zwischen den Strahlen b 11' und b 12' ausfallen Ganz analog gilt dies für sämtliche Strahlen, welche von der Lichtquelle 2 ausgehen. Diese fallen ausnahmslos zwischen den Strahlen b21' und b22' aus. Durch die Positionierung des Sensors 5 außerhalb der durch die Vektoren b11' und b12' sowie b21' und b22' jeweils aufgespannten Lichtkegel wird erreicht, dass keiner der Lichtstrahlen, welcher von den Lichtquellen 1 und 2 ausgeht und auf der Objektoberfläche spiegelnd reflektiert wird, auf dem Bildsensor 5 auftrifft. Demzufolge registriert der Sensor 5 nur die von den Lichtquellen 1 und 2 ausgehende Strahlung, welche diffus an der Oberfläche des Objektes 3 zurückgestreut wird.
Die 2a bis 2f zeigen eine mit der in 1 gezeigten Vorrichtung durchgeführte Untersuchung an Prüfobjekten. Bei den Prüfobjekten handelt es sich um Laufstreifen für Fahrzeugreifen. Die Laufstreifen bestehen aus Gummimaterial und werden zur Runderneuerung von Fahrzeugreifen verwendet. Hierzu wird die alte Lauffläche des gebrauchten Reifens fast bis zum Erreichen der ersten Gürtellage abgefräst und anschließend ein neuer Laufstreifen aufvulkanisiert. Die Innenseite der neugefertigten Laufstreifen ist zunächst glatt und glänzend. Um eine optimale Verbindung mit der Reifenkarkasse zu gewährleisten, muss diese glatte Innenseite aufgerauht werden. Erfolgt dieses Aufrauhen nicht lückenlos, so ergeben sich später wegen mangelnder Haftung des Laufstreifens auf der Reifenkarkasse Probleme. Die 2a zeigt ein mit dem System aus der 1 aufgenommenes Bild eines nicht aufgerauhten Laufstreifens.
Die 2b zeigt ein mit dem System aus der 1 aufgenommenes Bild eines einwandfrei aufgerauhten Laufstreifens. Gegenüber diesem Bild ist das Bild aus 2a vom nicht aufgerauhten Reifen erheblich dunkler, da das Licht an der glatten, glänzenden Oberfläche der Laufstreifeinnenseite weitgehend spiegelnd reflektiert wird und somit nicht auf dem Bildsensor einfällt. Hingegen wird das auf dem aufgerauhten Laufstreifen einfallende Licht weitestgehend diffus zurückgestreut und ein erheblicher Anteil dieses zurückgestreuten Lichtes fällt auf dem Bildsensor ein.
Die 2c zeigt ein mit dem System aus der 1 aufgenommenes Bild eines nicht flächendeckend aufgerauhten Laufstreifens. Die nicht aufgerauhten Bereiche erscheinen als dunkle Flecken. Im Bild sind dies zwei dunkle Flecken im linken unteren Bildviertel. Die 2d zeigt das Bild aus 2c von dem das Bild aus der 2b subtrahiert und von der Differenz der Betrag gebildet wurde. Die Differenzbildung ist hierbei gleichbedeutend mit der Berechnung der Abweichung des Istwertes vom Sollwert, weil das Bild der 2b ein fehlerfrei bearbeitetes Werkstück darstellt. Durch die erzielte Vereinheitlichung der Nullpunktslage für die diffus zurückstreuenden Bereiche, wird das Erkennen der spiegelnd reflektierenden Bereiche sichtlich erleichtert. Formelmäßig gilt für die Berechnung des Bildes der 2d: Idiff(x,y) |=| I(x,y) – Iref(x,y)mit
x : horizontale Bildkoordinate
y : vertikale Bildkoordinate
I(x,y) : gemessene Intensität am Bildpunkt (x, y)
I_ref (x,y) : Referenzintensität am Bildpunkt (x, y)
I_diff (x,y) : Differenzintensität am Bildpunkt (x, y)
Die 2e zeigt das Bild aus 2c, welches mit Hilfe der Bilder aus den 2a und 2b normiert wurde. Die Lesbarkeit wird hierdurch gegenüber dem Bild aus der 2d nochmals verbessert. Eine Normierung wird dann mit Vorteil eingesetzt, falls beispielsweise obige Differenzbildung die Ortsabhängigkeit der Ergebniswerte noch nicht hinreichend beseitigt. Zur Normierung der Ergebniswerte werden wenigstens zwei verschiedene Referenzbilder benötigt. Vorteilhafterweise bestehen diese aus einem ersten Referenzbild, welches eine vollständig reflektierende Oberfläche zeigt (2a), und einem zweiten Referenzbild, welches eine vollständig diffus reflektierende Oberfläche zeigt (2b). Diese Referenzbilder stellen dann in guter Näherung die untere bzw. die obere Einhüllende eines Messbildes wie aus der 2c dar. Es gelten die folgenden formelmäßigen Zusammenhänge: Inorm(x,y) = (I(x,y) – Irefmin (x,y))/(Irefmax (x,y) – Irefmin (x,y))mit
x : horizontale Bildkoordinate
y : vertikale Bildkoordinate
I(x,y) : gemessene Intensität am Bildpunkt (x, y)
I_refmax(x,y) : Referenzintensität am Bildpunkt (x, y) der oberen Einhüllenden
I_refmin(x,y) : Referenzintensität am Bildpunkt (x, y) der unteren Einhüllenden
I_norm(x,y) : normierte Intensität am Bildpunkt (x, y)
Stellt wie im angegebenen Beispiel die obere Einhüllende den Sollwert dar, so ist es zweckmäßig, den normierten Wert zu invertieren. Die fehlerhaft bearbeiteten Stellen erscheinen dadurch als helle Flecken auf einem dunklen Hintergrund, wie dies im Bild er 2e gezeigt ist. Bei der Invertierung gilt: I'norm(x,y) = 1 – Inorm(x,y)mit
x : horizontale Bildkoordinate
y : vertikale Bildkoordinate
I_norm(x,y) : normierte Intensität am Bildpunkt (x, y)
I'_norm(x,y) : invertierte normierte Intensität am Bildpunkt (x, y)
Die 2f zeigt das Ergebnis einer Schwellwertoperation welche auf das Bild der 2d angewendet wurde, um spiegelnd reflektierende und diffus zurückstreuende Bereiche zu markieren. Die weißen Flächen markieren die spiegelnd reflektierenden und die schwarzen Flächen die diffus zurückstreuenden Bereiche der untersuchten Objektoberfläche. Die Anwendung der Schwellwertoperation auf die normierten Bilddaten ist denkbar einfach, weil der Schwellwert in diesem Fall ortsunabhängig, d.h. konstant gewählt werden kann.
Es gilt
mit
x : horizontale Bildkoordinate
y : vertikale Bildkoordinate
S: Schwellwert (S ∊ [0..1])
I_norm(x,y) : normierter Ergebniswert am Bildpunkt (x, y)
I_binär(x,y) : binarisierter Ergebniswert am Bildpunkt (x, y)
Zur besseren Darstellung der numerischen Bilddaten zeigen die nachfolgend beschriebenen 3a bis 3c jeweils Intensitätsprofile entlang von Schnittlinien durch die Bilddaten aus den 2a bis 2e.
Die 3a zeigt die Intensitätsprofile entlang der in 2c eingezeichneten Schnittlinie S100 aus den Bildern der 2a, 2b und 2e. Die Schnittlinie S101 entstammt dabei dem in 2a gezeigten Bild, die Schnittlinie S102 dem Bild aus 2b und die Schnittlinie 103 dem Bild aus 2c. Dem Profil der Schnittlinien S101 und S102 ist zu entnehmen, dass weder die Intensität der diffus zurückgestreuten noch der spiegelnd reflektierten Strahlung entlang der Schnittlinie konstant ist. Die Ursache liegt u.a. in einer nicht völlig gleichmäßigen Ausleuchtung des Prüfobjekts begründet. Die nicht aufgerauhten Bereiche entlang der Schnittlinie S103 sind dennoch unschwer daran zu erkennen, dass das Intensitätsprofil hier erheblich unterhalb des Intensitätsprofils der fehlerfrei aufgerauhten Bereiche verläuft.
Die 3b zeigt das Profil entlang der Schnittlinie S100 aus 2c durch die Bilddaten der 2d. Das Profil entspricht also dem Betrag der Differenz der Schnittlinien S103 und S102 aus 3a. Durch die Betragsbildung ergibt sich die Invertierung des Schnittlinienprofils. Die Vereinheitlichung der Nullpunktslage durch die Differenzbildung ist deutlich zu erkennen.
Die 3c zeigt das Profil entlang der Schnittlinie 5100 aus 2c durch die Bilddaten der 2e. Durch die Normierung ergibt sich ein Wertebereich zwischen 0 und 1 der ggf. zur Darstellung des Ergebnisbildes umskaliert wird.
Die 4a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung der von einem Objekt spiegelnd reflektierten Strahlung in der Draufsicht. Das Objekt 3 besitzt eine ebene Fläche und wird mit dem Licht einer flächig emittierenden Beleuchtungseinrichtung 6 bestrahlt. Die Beleuchtungseinrichtung 6 kann aus einer Vielzahl von LEDs bestehen, welche gleichmäßig auf einer Platine verteilt angeordnet bzw. montiert sind. In diesem Falle sind die Lichtquellen, wie in der 4a gezeigt, auf einer ebenen Fläche angeordnet. Das Objekt 3 wird vom Sensor 5 beobachtet. Die Anordnung von Beleuchtungseinrichtung 6, Objekt 3, Optik 4 und Bildsensor 5 ist so gewählt, dass gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung jeder Teilbereich des Objektes derart beleuchtet wird, dass bei spiegelnder Reflexion der Strahlung innerhalb dieses Teilbereiches der Objektoberfläche die reflektierte Strahlung auf dem Sensor 5 auftrifft. Neben der Positionierung von Beleuchtungseinrichtung 6, Objekt 3, Optik 4 und Sensor 5 ist hierzu die Bestimmung der notwendigen flächigen Ausdehnung der Beleuchtungseinrichtung 6 von essentieller Bedeutung. Diese wird zweckmäßigerweise durch die Zurückverfolgung der Beleuchtungsstrahlen, also ausgehend vom Bildsensor 5, ermittelt. Die eingezeichneten Begrenzungsstrahlen t1' und t2' treffen jeweils am linken bzw. rechten Rand des Objektes auf. Durch Anwendung des Reflexionsgesetzes ergibt sich dann die erforderliche Lage und Richtung der äußersten Beleuchtungsstrahlen t1 und t2. Da diese Beleuchtungsstrahlen von der Beleuchtungseinrichtung 6 erzeugt werden sollen, ergibt sich folglich, dass die Beleuchtungseinrichtung 6 mindestens die eingezeichnete Breite besitzen muss.
Die 4b zeigt die Verhältnisse des in der 4a gezeigten Systems in der Vorderansicht. Durch die Rückverfolgung der Strahlen vom Sensor 5 zur Beleuchtungseinrichtung 6 ergibt sich die erforderliche Mindesthöhe der Beleuchtungseinrichtung 6. Für die linke Seite der Beleuchtungseinrichtung 6 sind hierbei die Strahlen t1o und t1u bzw. nach der Reflexion am Objekt 3 die Strahlen t1o' und t1u' maßgebend. Für die rechte Seite der Beleuchtungseinrichtung 6 sind die Strahlen t2o und t2u bzw. nach der Reflexion am Objekt 3 die Strahlen t2o' und t2u' maßgebend.
Die 4c zeigt die sich aus den 4a und 4b ergebende Formgestalt der Beleuchtungseinrichtung 6 in der Vorderansicht mit einer möglichen rasterartigen Anordnung von Leuchtdioden. Es ist aber auch jede andere Beleuchtungseinrichtung geeignet, die die gezeigte minimale Fläche einschließt.
Die 5a bis 5c zeigen eine mit der in 4a gezeigten Vorrichtung durchgeführten Untersuchung an Prüfobjekten. Bei den Prüfobjekten handelt es sich wiederum um die besagten Laufstreifen für Fahrzeugreifen.
Die 5a zeigt ein mit dem System aus der 4a aufgenommenes Bild eines nicht aufgerauhten Laufstreifens. Das Bild ist sehr hell, da das Licht an der glatten, glänzenden Oberfläche der Laufstreifeninnenseite weitgehend spiegelnd reflektiert wird und somit auf dem Bildsensor einfällt.
Die 5b zeigt ein mit dem System aus der 4a aufgenommenes Bild eines einwandfrei aufgerauhten Laufstreifens. Das Bild des Laufstreifens ist fast schwarz, da nur eine geringer Teil des Lichts durch diffuses Zurückstreuen in die Kamera gelangt.
Die 5c zeigt ein mit dem System aus der 4a aufgenommenes Bild eines nicht flächendeckend aufgerauhten Laufstreifens. Die nicht aufgerauhten Bereiche erscheinen als helle Flecken in einer dunklen Umgebung. Im Bild sind zwei helle Flecken im linken unteren Bildviertel zu sehen.
Die 6 zeigt die Intensitätsprofile entlang der in der 5c eingezeichneten Schnittlinie S200 aus den Bildern der 5a, 5b und 5c. Die Schnittlinie S201 entstammt dabei dem in 5a gezeigten Bild und stellt somit das Intensitätsprofil eines nicht aufgerauhten Laufstreifens dar. Demgegenüber entstammt die Schnittlinie S202 dem Bild der 5b und zeigt somit das Intensitätsprofil eines einwandfrei aufgerauhten Laufstreifens. Die Schnittlinie S203 entstammt dem Bild der 5c und zeigt somit das Intensitätsprofil eines fehlerhaft aufgerauhten Laufstreifens. Die nicht aufgerauhten Bereiche sind unschwer daran zu erkennen, dass das Intensitätsprofil hier erheblich oberhalb des Intensitätsprofils des fehlerfrei aufgerauhten Laufstreifens verläuft.
Der Verlauf der Schnittlinien zeigt, dass die Intensität der diffus zurückgestreuten Strahlung gegenüber der Intensität der spiegelnd reflektierten Strahlung nahezu vernachlässigbar ist. Um die Sicherheit bei einer automatischen Bewertung der Ergebnisse zu erhöhen ist es dennoch vorteilhaft jedes Ergebnis mit Referenzwerten zu vergleichen bzw. zu normieren.
Die 7 zeigt das System aus der 4a welches um einen weiteren Sensor 8 zur gleichzeitigen Erfassung der vom Objekt 3 diffus zurückgestreuten Strahlung erweitert wurde. Diese Anordnung ermöglicht eine gegenüber dem System aus 4a wesentlich genauere Bestimmung der vom Objekt 3 diffus zurückgestreuten Strahlung. Die Empfindlichkeit des Sensors 5 muss zur Erfassung der spiegelnd reflektierten Strahlung relativ klein sein, um eine Übersteuerung des Intensitätssignals zu verhindern. Der Sensor 5 wird deshalb den Anteil diffus zurückgestreuter Strahlung nur ungenau bzw. praktisch nicht erfassen. Dieses Manko wird durch die Verwendung des Sensors 8 ausgeglichen, dem eine eigene Abbildungsoptik 7 vorgeschaltet ist. Der Sensor 8 kann in seiner Empfindlichkeit optimal auf den Intensitätsbereich der diffus zurückgestreuten Strahlung justiert werden, da auf ihn keine spiegelnd reflektierte Strahlung einfallen kann. Durch die somit verbesserte Ermittlung von spiegelnd reflektierten und diffus zurückgestreuten Strahlungsanteilen kann die Oberflächenbeschaffenheit exakter bestimmt werden.

Claims

Mess- und Prüfverfahren, bei dem die Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts ermittelt wird, indem das Objekt mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, das Objekt mit einem flächenhaft arbeitenden Sensor beobachtet wird und der Sensor die vom Objekt zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anordnung der Strahlquellen, des Objektes und des Sensors zueinander so gewählt wird, dass die von den Strahlquellen erzeugte und von der Oberfläche des Objektes durch spiegelnde Reflexion zurückgeworfene Strahlung für jeden vom Sensor beobachteten Teilbereich der Objektoberfläche von dem Sensor entweder erfasst wird oder nicht erfasst wird, für die beobachteten Teilbereiche jeweils die Strahlungsintensität der von der Objektoberfläche zurückgeworfenen und auf dem Sensor auftreffenden Strahlung bestimmt wird, aus den erhaltenen Strahlungsintensitäten das Reflexionsverhalten der Objektoberfläche bestimmt wird und aus dem Reflexionsverhalten die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung eine optische Strahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt auf dem Sensor optisch abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des Sensors kalibriert wird und mittels der Kalibrierdaten die räumliche Anordnung der vom Sensor erfassten Oberflächenpunkte des Objektes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt durch mehrere Strahlungsquellen bestrahlt wird, von denen jede einzelne jeweils einen Teilbereich der Objektoberfläche derart bestrahlt, dass bei spiegelnder Reflexion der Strahlung innerhalb dieses Teilbereiches die reflektierte Strahlung auf dem Sensor auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher flächenhaft arbeitender Sensor verwendet wird, der die von den Strahlungsquellen erzeugte und vom Objekt diffus zurückgestreute Strahlung erfasst hingegen die spiegelnd reflektierte Strahlung nicht erfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der vom Objekt zurückgeworfenen Strahlung durch die Sensoren gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Strahlung in einem Winkel von 20° bis 70° auf der Objektoberfläche auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit die ermittelten Messwerte mit den Messwerten von Referenzmessungen verglichen oder verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlleistung der Strahlungsquellen und die Empfindlichkeit des Sensors bei den Messungen gegenüber den Referenzmessungen unverändert bleiben.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung von Messwerten und Referenzmesswerten eine Differenzbildung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte unter Verwendung von Referenzmesswerten normiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse durch Vergleich mit Schwellwerten in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, wobei jede Kategorie einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwerte für jeden Messpunkt in Abhängigkeit von seiner Position auf der Sensorfläche gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Kategorien mittels Referenzmessungen an ausgewählten Prüfobjekten festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Messergebnissen die mechanisch bearbeiteten und unbearbeiteten Oberflächenanteile von Prüfobjekten bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung von aufgerauhten und nicht aufgerauhten Oberflächenanteilen an Gummiteilen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Gummiteilen um Profillaufstreifen für Fahrzeugbereifung handelt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Gummiteilen um Reifenkarkassen vor der Aufbringung eines neuen Laufstreifens handelt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung von mechanisch bearbeiteten und unbearbeiteten Flächenanteilen an metallischen Werkstücken verwendet wird.
Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten, mit Strahlungsquellen (1), (2) bzw. (6), welche das Objekt (3) bestrahlen und einem flächenhaft arbeitenden Sensor (5) welcher das Objekt beobachtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1), (2) bzw. (6) das Objekt (3) und der Sensor (5) so zueinander angeordnet sind, dass die von den Strahlungsquellen (1), (2) auf das Objekt (3) gerichtete Strahlung vom Sensor (5) genau dann erfasst oder genau dann nicht erfasst wird, wenn diese von der Oberfläche des Objektes (3) spiegelnd reflektiert wird, Mittel zur Erfassung von spiegelnd reflektierter oder diffus zurückgestreuter Strahlung, Mittel zur Bestimmung der Strahlungsintensität von spiegelnd reflektierter oder diffus zurückgestreuter Strahlung, Mittel zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche, Mittel zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit des Objektes daraus.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1), (2) bzw. (6) optische Strahlung emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) über eine Optik (4) auf dem Sensor (5) abgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) das Objektiv und der Sensor (5) den Bildsensor einer Kamera bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera aus einer Videokamera besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera eine fixierbare Verstärkung (fixed gain) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Videokamera aufgenommenen Bilddaten einem digitalen Bildverarbeitungssystem zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1), (2) bzw. (6) aus einer Vielzahl von Leuchtdioden (LEDs) bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden im infraroten Bereich emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1), (2) bzw. (6) aus parallel zueinander angeordneten Leuchtstoffröhren bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen eine flächig oder annähernd flächig emittierende Lichtquelle (6) bilden, die jeden Teilbereich der vom Sensor (5) beobachteten Objektoberfläche aus einer Richtung bestrahlt, dass bei spiegelnder Reflexion der Strahlung innerhalb dieses Teilbereiches die reflektierte Strahlung auf dem Sensor (5) auftrifft.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiterer Sensor (8) verwendet wird, der die von der Lichtquelle (6) ausgehende und an der Ojektoberfläche spiegelnd reflektierte Strahlung nicht erfasst hingegen die von der Objektoberfläche diffus zurückgestreute Strahlung erfasst.