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Vorrichtung zur photoelektrischen Oberflächenabtastung In verschiedenen
Industriezweigen, insbesondere in der Papier-, Textil-, Kunststoff-, Blechindustrie,
besteht die Aufgabe, eine ablaufende Materialbahn bzw. Bögen oder sonstige Gegenstände
auf optisch erkennbare Abweichungen, wie Flecke, Falten, Löcher, Risse, Fremdkörpereinschlüsse
od. dgl., zu untersuchen und in Abhängigkeit von diesem Ergebnis die fehlerhaften
Teile auszusortieren. Bei dem heutigen Bestreben zur Automatisierung ist man bemüht,
die Untersuchungen nicht wie früher durch Menschen, sondern durch eine technische
Einrichtung vorzunehmen. Zur Lösung dieses Problems bietet sich die photoelektrische
Abtastung an.
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Zur photoelektrischen Oberflächenabtastung eignen sich insbesondere
diejenigen Einrichtungen, bei denen zur Abtastung ein Lichtfleck vorgesehen ist,
der mittels eines Dreh- oder Schwenkspiegels zeilen weise über die zu prüfenden
Gegenstände bewegt wird und der mindestens teilweise auf einen photoelektrischen
Empfänger, den Fehlersignalgeber, einwirkt. Optisch erkennbare Abweichungen bewirken
eine Änderung des auf den Fehlersignalgeber einwirkenden, an dem Gegenstand reflektierten
Lichtstromes und damit eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals des photoelektrischen
Empfängers.
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Bei einem derartigen Abtastverfahren treten jedoch verschiedene Probleme
auf.
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Im Hinblick auf eine hohe Abtastgeschwindigkeit haben sich die vielflächigen
Spiegelräder gegenüber den Schwenkspiegeln durchgesetzt. Bei einer derartigen Abtastung
ist zu bedenken, daß am Fehlersignalgeber ein Ausgangssignal entsteht und einen
Fehler vortäuscht, wenn der Lichtfleck vom Gegenstand auf die Unterlage bzw. umgekehrt
wandert.
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Man hat sich bisher beispielsweise damit beholfen, zusätzliche Photoempfänger
an den Begrenzungen des zu prüfenden Gegenstandes anzubringen und die Anlage für
Signale des Fehlersignalgebers zu sperren, wenn der Lichtfleck diese zusätzlichen
Empfänger beaufschlagt (Austastung).
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Hinzu kommt, daß durch optische Ungenauigkeiten in der Abtasteinrichtung
das Ausgangssignal des Fehlersignalgebers während der Abtastung einer Zeile, d.
h. bei der Bewegung mit einem Einzelspiegel, keine konstante Höhe hat oder von einem
Einzelspiegel zum nächstfolgenden Unterschiede aufweist. Die Schwankungen können
dabei recht beträchtlich sein und einer genauen Auswertung der Fehlersignale entgegenwirken.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur photoelektrischen Oberflächenabtastung
von Gegenständen auf optisch erkennbare Abweichungen, bei der mittels
eines Dreh-
oder Schwenkspiegels ein Lichtfleck zeilenweise über die zu prüfenden Gegenstände
bewegt wird und der von der Oberfläche reflektierte Lichtanteil mindestens teilweise
auf einen photoelektrischen Empfänger einwirkt, löst unter anderem obige Probleme
auf überraschend einfache Weise.
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Speicheranordnung, in
die der Verlauf der Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers bei Abtastung
eines fehlerfreien Gegenstandes als Sollwert eingespeichert ist, welcher synchron
mit der Abtastbewegung abgefragt wird, und durch eine Vergleichseinrichtung, in
welche der Sollwert und der Verlauf der Ausgangssignale bei der Fehlerprüfung (Istwert)
eingegeben wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgende Vorteile auf: Da
sowohl der gespeicherte Sollwert als auch der Istwert dieselben optischen Unregelmäßigkeiten
enthalten und die Differenz der beiden Werte zur Auswirkung kommt, können sich in
vorteilhafter Weise die optischen Unregelmäßigkeiten nicht auswirken. Weiterhin
kann bei exakter Führung der Gegenstände unter Umständen auf zusätzliche Mittel
zur Ausstattung verzichtet werden, da sowohl im Soll- als auch im Istwert die Signalsprünge
an den seitlichen Begrenzungen der Gegenstände vorhanden sind. Solange kein Fehler
auftritt, ist die Differenz der beiden Werte zumindest annähernd gleich Null.
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Man kann auch beispielsweise auf einer zweiten Spur der Speicheranordnung
den Auswertebereich und Sperrbereich in Form einer Rechteckspannung aufnehmen, die
man beispielsweise von einer untergelegten Schablone gewinnen kann. Diese Spur kann
dann den Fehlersignalverstärker öffnen und sperren wie die Austast-Photodioden gemäß
den bekannten bzw. vorgeschlagenen Anordnungen.
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Es kommt folgendes hinzu: Es ist bekannt, einen Verstärker nachzuschalten,
der zur Ausschaltung störender Effekte vorzugsweise als Wechselspannungsverstärker
ausgebildet ist und åer damit auf die Änderung des reflektierten Lichtstromes anspricht.
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Ist in derartiger Verstärker vorgesehen, so ist ohne zusätzliche Hilfsmittel
sein Ausgangssignal unabhängig von dem Grundreflexionsvermögen (Grundpegel) des
zu prüfenden Gegenstandes. Beispielsweise ausgedehnte Stellen mit verminderter Reflexionsfähigkeit
(Glanzfehler) können nur schwer erfaßt werden. Mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
kann in vorteilhafter Weise auch eine solche Stelle bzw. ganz allgemein der Grundpegel
erfaßt werden, da sich dies in einer Abweichung zwischen dem gespeicherten Soll-
und anstehenden Istwert ausdrückt.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
wird an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer photoelektrischen
Abtasteinrichtung, die Gegenstand der deutschen Auslegeschrift 1162 102 ist und
bei der die erfindungsgemäße Steuervorrichtung vorteilhaft angewendet werden kann.
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Diese Abtasteinrichtung weist einen verbreiterten Spalt, z. B. eine
rhombusähnliche Blendenöffnung ABCD auf. Diese Blendenöffnung liegt zweckmäßig innerhalb
des von einer Lichtquelle 10 bzw. einer Optik 11 erzeugten Lichtkreises. Durch eine
Optik 4 wird die beleuchtete Blende über ein rotierendes vielflächiges Spiegefrad
2 unmittelbar vor einer Zylinderlinse 5 abgebildet. Das so erhaltene Spaltbild A'B'C'D'
liegt dabei nur oberhalb eines Teiles der Zylinderlinse. Durch diese Zylinderlinse
werden die auffallenden Lichtbündel zu einem Lichtstrich 6 fokossiert. Bei der Drehung
des Spiegelrades 2 im dargestellten Sinne wandert der Lichtstrich 6 zeilenweise
längs der Abtastlinie EF in Pfeilrichtung über die auf Fehler zu untersuchende Oberfläche,
z.B. von einer Papierbahn oder von Papierbögen. Dieser Lichtstrich wird nach dem
Autokollimationsprinzip zurück abgebildet. Von der oberhalb der Zylinderlinse 5
zu denkenden rechteckigen Lichtfläche GHKL, die über den Drehspiegel 2 von der Optik
4 in die Spaltebene ABCD abgebildet wird, fällt der Teil A'B'C'D' in die Lichtquelle
zurück, während auf den unterhalb bzw. oberhalb des Belenchtungsspaltes angeordneten
Beobachtungsspalt A"'B" nur der strichliest eingezeichnete Teil A"B' der Lichtfläche
abgebildet wird. Dieser Lichtanteil wird von einem Prisma 8 umgelenkt und mittels
einer Optik 9 auf einen Empfänger 7, der vorzugsweise ein Multiplier ist, abgebildet.
Von dem Empfänger 7 werden nur solche Lichtstromänderungen registriert, die vom
Lichtstrichanteil 6 ausgehen. Das übrige reflektierte Licht fällt neben den Beobachtungsspalt
A"'B" und wird damit nicht registriert.
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Als Speicheranordnung im Sinne der erfindung gemäßen Steuervorrichtung
ist vorzugsweise ein Magnetband vorgesehen, das auf einer Scheibe 13 befestigt ist,
die synchron mit dem Drehspiegel 2 umläuft. An Stelle der dargestellten mechanischen
Kopplung zwischen Spiegelrad und Speicheranordnung kann die Synchronisation zwischen
beiden Elementen auch beispielsweise durch Synchronisiersignale, die vom Spiegelrad
abgeleitet werden, erfolgen. Es können natürlich auch andere Speicher-
anordnungen
als das Magnetband, z. B. Magnettrommeispeicher od. dgl., verwendet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Magnetkopf 14 (A) zur
Speicherung von Signalen und ein Magnetkopf 15 (W) zur Wiedergabe von gespeicherten
Signalen vorgesehen. Es können auch andere Abtastelemente als Magnetköpfe, z. B.
Hallgeneratoren od. dgl., vorgesehen sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es
zweckmäßig, den Wiedergabekopf um 1800 versetzt gegenüber dem Aufnahmekopf anzuordnen
und auf dem Magnetband zwei Spiegelumdrehungen abzubilden, beispielsweise mittels
eines 1: 2-Getriebes zwischen Spiegelrad 2 und Scheibel3. Zweckmäßiger ist es jedoch,
ein Element für Aufnahme und Wiedergabe vorzusehen.
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Bei der Abtastung eines fehlerfreien Prüfobjektes soll das Ausgangssignal
des Multipliers 7 auf dem Magnetband gespeichert werden. Zu diesem Zweck sind eine
mindestens annähernd proportional wirkende Vorverstärkerstufe 12 sowie ein Umschaltkontakt
16 vorgesehen, der vorzugsweise mit einem Umschaltkontakt 17 gekoppelt ist. Wird
der Kontakt 16 umgeschaltet, so beeinflußt das Ausgangssignal des Verstärkers 12
den Aufnahmekopf 14. Es wird damit auf dem Magnetband gespeichert. Der Signalverlauf
des Verstärkers 12 bei der Bewegung des Spiegelrades 2 über drei Einzelspiegelflächen
kann dabei etwa so, wie in Fig.2 dargestellt (Spiegell und 2) sein. Die horizontale
Linie ist die Nulllinie, die einem Signal entspricht, das bei der Abtastung der
im allgemeinen schwarzen Unterlage auftritt.
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Verfolgt man den Signalverlauf in F i g. 2 von links nach rechts,
so befindet sich der Lichtfleck 6 (F i g. 1) zunächst noch auf der Unterlage. Gelangt
er am Punkt F auf die im allgemeinen stärker reflektierende Prüfoberfläche, so steigt
die Ausgangsspannung sprunghaft an und sollte dann während der Abtastung einer fehlerfreien
Zeile, d. h. bis zum PunktE, konstant bleiben. Durch Ungenauigkeiten im optischen
System ändert sich jedoch die Ausgangsspannung in störender Weise. Damit diese Schwankungen
nicht zur Auswirkung kommen, werden die Schalter 16, 17 nach der Speicherung des
Signalverlaufes am Verstärker 12 bei Abtastung eines fehlerfreien Objektes in die
gezeichnete Stellung umgelegt. Bei der nunmehr folgenden Prüfung von Gegenständen
1, die Fehler aufweisen können, wird der gespeicherte und mit dem Wiedergabekopf
15 abgenommene Sollwert in einer Vergleichseinrichtung 18 mit dem Ausgangssignal
des Verstärkers 12, das jetzt den Istwert darstellt, verglichen. Die Vergleichsstufe
18 hat damit nur dann ein Ausgangssignal, wenn beide Signale nicht gleich sind.
Die optischen Unregelmäßigkeiten können sich somit nicht auswirken, da sie in beiden
Signalen in gleicher Weise vorhanden sind. Lediglich dann, wenn ein Fehler auftritt
(Spiegel 3 der F i g. 2), entsteht eine Differenz zwischen beiden Signalen, die
den Verstärker 19 beaufschlagt und die in einer nachgeschalteten Abschneidestufe
20 nach ihrer Größe sortiert wird. Überschreitet das Ausgangssignal des Verstärkers
19 eine bestimmte Höhe, so gibt die Abschneidestufe ein Sortiersignal, das z.B.
Registriervorrichtung und/oder Schaltvorrichtungen betätigt, die ein Aussondern
des fehlerhaften Gegenstandes bewirken.
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Wie man aus F i g. 2 erkennt, hängt die Höhe des Fehlersignals durch
die optischen Unregelmäßigkeiten
von der Lage des Lichtfleckes
6 innerhalb der Abtastlinie EF ab. Zur Vermeidung dieses Umstandes wird nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung der gespeicherte Signalverlauf in der Abtastphase
EF mit einem Sollwert 22 in einer Vergleichseinrichtung 21 verglichen, wobei der
Sollwert dem im Signalzug nach F 1 g. 2 maximal auftretenden Wert entspricht. In
Abhängigkeit von der Differenz der Werte kann man den Verstärkungsfaktor des Verstärkers
19 entsprechend nachstellen, z. B. mittels einer Regelröhre, oder auch die Höhe
der Abschneidestufe verändern, was im allgemeinen die Änderung der Gittervonspannung
einer Röhre betrifft. Durch diese Maßnahme wird mit Vorteil erreicht, daß alle Fehlersignale
auf ein längs der Abtastlinle EF konstantes Grundniveau bezogen werden.
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Es wurde bereits erwähnt, daß bei exakter Führung der Gegenstände
1 keine Austastung notwendig ist, da dann die in der Einrichtung 18 zu vergleichenden
Signalzüge keine Phasenverschiebung aufweisen.
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Sicherheitshalber ist es jedoch zweckmäßig, eine Auslastung vorzusehen.
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Der Verstärker 19 kann ein Wechselspannungsverstärker mit geeigneter
Bandbreite sein. Die Höhe der Signale vor der Abschneidestufe 20 entspricht damit
der Änderung des reflektierten Lichtstromes. Es kann aber auch ein Gleichspannungsverstärker
vorgesehen sein.
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Aus Gründen der Anschaulichkeit ist darauf verzichtet worden, die
optischen Mittel zum Lichtweglängenausgleich, z.B. ein Parabolspiegel bzw. Umlenkspiegel,
in die F i g. 1 einzuzeichnen. Diese Mittel sind zwischen Drehspiegel 2 und Zylinderlinse
5 angeordnet zu denken.
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In F i g. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Abtasteinrichtung mit
geometrischer Lichtstellung und mit einem Kanal für das reflektierte Licht vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch bei einer Abtasteinrichtung
nach dem Autokollimationsprinzip mit geometrischer Lichtteilung und zwei Kanälen
für das reflektierte Licht angewendet werden. Bei einer derartigen Ausführung ist
ein dreigeteilter Spalt vorgesehen, von dem das mittlere Drittel beleuchtet ist
und die beiden anderen Spaitdrittel (Beobachtungsspalte) unter- bzw. oberhalb des
beleuchteten Spaltes angeordnet sind. Der beleuchtete Teil wird dabei über das mittlere
Drittel der Zylinderlinse abgebildet, während der reflektierte Lichtstrom durch
die beiden anderen Drittel der Zylinderlinse tritt. Durch Schrägstellung der Zylinderlinse
gegenüber einer abzutastenden Bahn, z. B. Papierbahn, erfaßt der eine Kanal insbesondere
die Flecke, der andere Kanal insbesondere die Falten.
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Natürlich kann die Spaltverbreiterung auch bei einer Abtasteinrichtung
nach dem Autokollimationsprinzip mit physikalischer Lichtteilung durch einen teildurchlässigen
Spiegel angewendet werden. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in der
deutschen Auslegeschrift 1036537 beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann auch bei einer Abtasteinrichtung
angewendet werden, bei der ein sehr kleiner Lichtfleck verwendet wird, der in seiner
Gesamtheit von fotoeiektrischen Empfängem beobachtet wird. Bei der Abtasteinrichtung
nach Fig. 1 wird dagegen ein relativ großer Lichtfleck verwendet, der durch Begrenzung
des reflektierten Lichtes nur teilweise auf den Multiplier 7 einwirkt.
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Die Abtasteinrichtungen sind zweckmäßig mit folgenden Hilfseinriohtungen
versehen.
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Den Stufen 19, 20 können Fehlerbewertungsstufen parallel geschaltet
sein, die nach verschiedenen Gesichtspunkten entscheiden, wann eine Oberfläche als
»gute zu bezeichnen oder ob das betreffende Objekt aussontiert werden muß. In vorgeschlagener
Weise kann der Fehler hinsichtlich der Ausdehnung erfaßt werden, z. B. in Abtastrichtung
durch die Dauer der Fehlensignale bzw. in Vorschubrichtung durch Abzählen der zu
einem Fehler gehörenden Fehler signale. Die Fehlerbewertungsstufe kann auch so aufgebaut
sein, daß Sortieimaßnahmen in Abhängigkeit von der Zahl der Felilersignale von nicht
zusammenliegenden Fehlern ausgelöst werden, die in einem Zähler erfaßt werden, der
bei Erreichen einer voreingestelliten Zahl ein Sortiersignal gibt.
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Stellt man den Zähler zurück, wenn nach einer bestimmten Zahl von
Abtastungen kein Fehlersignal auftritt, so erhält man dabei auch eine Häufigkeitsbewertung.
Der Sortierzähier für die Integration der Fehler kann auch von den Fehlersignalen
eines ausgedehnten Fehlers beaufischlagt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß man gleichzeitig die Ober- und die
Unterseite der Objekte bzw. zur besseren Erfassung von Falten die Objekte unter
zwei sich schneidenden Richtungen abtasten kann.
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Bei Sortierung von Bögen können in bekannter Weise auch Hiifsvorrichtungen
vorgesehen sein, die Fehlschaltungen - verursacht durch die Bogenzwischenräume -
verhindern.
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Zur reflexfreien Abtastung werden zweckmäßig Polarisaflonselemente
im Strahlengang angeordnet.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, in bekannter Weise die zu prüfende
Oberfläche während der Abtastung flach und flatterfrei zu führen, z. B. über eine
Saugwalze od. dgl.