DE19632269A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Analyse der Topographie einer Papieroberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen periodisch auftretender Veränderungen in der Rauheit einer Papieroberfläche. Vorrichtungen dieser Art sammeln im allgemeinen topographische Daten der Papieroberfläche, analy­ sieren diese Daten und vergleichen sie mit bekannten kenn­ zeichnenden Topographien der Beläge und Ausrüstung der Papier­ maschine, um die Stelle im Papierherstellungsverfahren zu bestimmen, an der die periodisch auftretenden Veränderungen in der Rauheit der Papieroberfläche erzeugt werden.

Bezogen auf Papier, ist die "Druckqualität" eine subjektive Beurteilung durch das menschliche Auge einer bestimmten Pa­ pieroberfläche im Hinblick auf das Druckprodukt auf dieser Oberfläche. Einer der maßgeblicheren, objektiven Faktoren, die sich auf die Druckqualität einer Papieroberfläche auswirken, ist die "Rauheit" dieser Oberfläche. Darüber hinaus wird Pa­ pier auch noch subjektiv nach der einfachen, unbedruckten, sichtbaren Oberflächenglätte beurteilt. Demzufolge wurden zahlreiche Verfahren zur Messung der Rauheit einer unbedruck­ ten Papieroberfläche entwickelt, um die Beschaffenheit des Druckprodukts im voraus besser beurteilen zu können.

Einige weit verbreitete, indirekte Meßverfahren für die Rau­ heit einer Papieroberfläche, die als Glätte nach Sheffield, Glätte nach Bekk und Parker Print Surf bezeichnet werden, um­ fassen Techniken, die mit dem Auslaufen von Luft arbeiten, wobei die Menge der zwischen der Papieroberfläche und einer Dichtung der Testeinrichtung auslaufenden Luft über einen festgelegten zeitlichen Abstand gemessen wird, oder, umge­ kehrt, die Zeit, die zum Auslaufen einer festgelegten Luft­ menge benötigt wird. Diese indirekten Meßverfahren für die Oberflächenrauheit liefern zwar einen zahlenmäßig quantifi­ zierbaren, relativen Wert der Oberflächenrauheit, sie haben sich aber nicht als konstante, zuverlässige Indikatoren für die Druckqualität erwiesen.

Die herkömmliche Messung der Oberflächenrauheit basiert auf dem Ziehen einer Linie durch eine Abtastvorrichtung über die Oberfläche, wie sie in der US-PS 4 888 983 (L.G. Dunfield et al.) dargestellt ist. Die Werte der Oberflächenrauhtiefe wer­ den in gleich beabstandeten Inkrementen in einer einzigen, senkrechten Bewertungsebene gemessen. Die hierdurch erhaltenen Werte der Oberflächenrauhtiefe werden digitalisiert und gemäß Dunfield et al. zur Bestimmung eines entsprechenden Druckqua­ litätsindexes algorithmisch verarbeitet.

Der Faserverlauf von maschinell gefertigtem Papier ist jedoch zur Maschinenfertigungslinie ausgerichtet. Der Großteil der zur Papierherstellung verwendeten Faser ist zur Laufrichtung der Maschine und nicht quer hierzu ausgerichtet. Übetrieben könnte man diesen Zustand der Faserausrichtung in Maschinen­ laufrichtung als Wellentopographie sehen. Bei Messung durch eine einzige Abtastvorrichtung mit vertikaler Bewegung quer zu den Wellenrippen würde die Prüfung eine "rauhe" Oberfläche mit großen, aber äußerst regelmäßigen Veränderungen des vertikalen Abstands zwischen den höchsten und niedrigsten Punkten erge­ ben. Bei Messung in einer zu den Wellenrippen parallelen Rich­ tung würde die Prüfung eine "glatte" Oberfläche ergeben, mit geringen Veränderungen des vertikalen Abstands. Nur durch eine dreidimensionale Messung läßt sich die Beschaffenheit der Oberfläche mit ihren parallel verlaufenden Rippen erkennen.

Hieraus geht hervor, daß eine dreidimensionale Topographie durch Längen-, Breiten- und Höhenkoordinaten definiert ist, wobei die Koordinaten für die Länge und Breite in der gleichen Ebene liegen und die Koordinaten für die Höhe senkrecht zur Ebene der Länge und Breite gemessen werden.

Die "sichtbare Glätte" von bedrucktem und unbedrucktem Papier wird oft durch Muster in der Rauheit beeinflußt. Papiermuster sind auf dem Papier normalerweise leicht zu erkennen, und in Situationen, in denen ein "glattes" Papier erforderlich ist, wird dies als unerwünscht empfunden. Die einfachste Methode, dies zu beheben, liegt darin, das Herstellungsverfahren des Papiers zu verändern und somit zu verhindern, daß das Muster weiterhin im Papier auftritt. Ein Problem, das bei dieser Methode auftritt, besteht darin, daß es schwierig ist, zu erkennen, welche Teile des Herstellungsverfahrens geändert werden müssen, um das Muster aus dem Papier zu entfernen, solange das Muster nicht eindeutig identifiziert werden kann.

Obwohl das Auge das Muster erkennen kann, ist es im allgemei­ nen kein gutes Hilfsmittel, um zu versuchen, den Ursprung des Musters eindeutig zu identifizieren. Einige der Gründe hierfür liegen darin, daß die wahrgenommenen Muster im Papier oft fein sind, daß mehr als ein Muster im Papier vorhanden sein kann, und daß die verschiedenen Herstellungsvorgänge, durch die Muster in einem Papier erzeugt werden können, sehr ähnliche, aber doch unterschiedliche Muster erzeugen können, die das Auge nicht zu unterscheiden vermag. Als Folge der genannten Situationen ist ein wiederholbares, nicht-subjektives Verfah­ ren zum Erkennen von in Papier vorhandenen Mustern wünschens­ wert.

Beispielsweise befaßt sich der Artikel "Measuring Fabric Mark in Board Using Image Analysis" von A. A. Koukoulas, N. Nguyen und B. D. Jordan, Journal of Pulp and Paper Science, Bd. 20, Nr. 8, Seiten J220-J225, mit dem Vorhandensein eines Musters in Papier. Koukoulas et al. beschreiben ein Verfahren zur Auswertung der relativen Stärke eines Musters, dessen Ursache im Papierherstellungsverfahren bekannt ist.

Die relative Stärke des Musters in Papierproben wird bestimmt, indem die zweidimensionale Fourier-Transformation auf optische Daten angewendet wird, die von den Papierproben gesammelt wurden. Eine Beschränkung der von Koukoulas et al. vorgestell­ ten Arbeit liegt darin, daß sie zwar ein Verfahren zum Messen der relativen Stärke eines Musters präsentieren, dessen Ur­ sprung in dem Papierherstellungsverfahren bekannt ist, daß aber kein Mittel zum Erkennen der Ursache von Mustern, deren Ursprung im Papierherstellungsverfahren unbekannt ist, angege­ ben wird. Das von Koukoulas et al. vorgestellte Verfahren ist auch dadurch extrem eingeschränkt, daß es nicht auf die Iden­ tifizierung der Herkunft von Mustern in der Rauheit der Ober­ fläche angewendet werden kann, da es bei dem Verfahren nach Koukoulas et al. erfoderlich ist, daß die Papierprobe in engem Kontakt mit einem Prisma ist, was nur möglich ist, wenn die Oberfläche des Papiers deformiert wird, indem die Papierprobe unter Druck mit Hilfe einer hydraulischen Presse gegen ein Prisma gedrückt wird.

Aus den obigen Angaben wird ersichtlich, daß in diesem techni­ schen Gebiet ein Bedarf an einem System zur Analyse einer Papieroberfläche besteht, das in der Lage ist, das Rauheits­ profil der Papieroberfläche genau zu messen, das aber gleich­ zeitig auch bestimmen kann, an welchem Punkt in dem Papierher­ stellungsverfahren der Papieroberfläche periodisch auftretende Veränderungen der Rauheit zugefügt werden. Die Erfindung hat den Zweck, diesem Bedarf und anderen Erfordernissen auf diesem technischen Gebiet auf eine Weise Rechnung zu tragen, die für den Fachmann durch die folgende Offenbarung besser ersichtlich wird.

Allgemein ausgedrückt trägt die Erfindung diesen Erfordernis­ sen Rechnung, indem sie ein Verfahren zur Analyse eines Ober­ flächenprofils von Papier schafft, das mit einer Papiermaschi­ ne mit Papierherstellungskomponenten erzeugt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Herstellung eines Pa­ pier-Probebogens durch die Papiermaschine; Sammeln topographi­ scher Daten des Papier-Probebogens; Sammeln topographischer Daten der Papierherstellungskomponenten; Analyse der topogra­ phischen Daten des Papier-Probebogens und der Papiermaschinen- Komponenten; Vergleichen der topographischen Daten des Papier- Probebogens und der Papiermaschinen-Komponenten; Identifizie­ ren von möglicherweise vorhandenen Signaturen der Verarbei­ tungskomponenten in den topographischen Daten des Papier-Pro­ bebogens, die mit den topographischen Daten der Papiermaschi­ nen-Komponenten in Wechselbeziehung stehen. Durch Anwendung dieses Verfahrens bei einer Papiermaschine kann daher - falls nötig - eine Einstellung der Papierherstellungskomponenten im Sinne einer Verringerung oder Beseitigung der Signature der Verarbeitungskomponenten in den topographischen Daten des Papier-Probebogens erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die topographi­ schen Daten des Bogens gesammelt, und eine Bestimmung eines zweidimensionalen Frequenzspektrums wird durchgeführt. Dar­ überhinaus werden die topographischen Daten der Papiermaschi­ nen-Komponenten direkt von den Papiermaschinen-Komponenten abgenommen, oder durch die Verwendung von Folienabdrücken der Komponenten, und die Bestimmung eines zweidimensionalen Fre­ quenzspektrums wird durchgeführt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können peri­ odisch auftretende Muster in der Oberflächenrauheit der Pa­ pierprobe erkannt werden, so daß korrigierend eingegriffen werden kann, um die Muster zu beseitigen.

Das bevorzugte System zur Analyse von Papieroberflächen nach der vorliegenden Erfindung hat folgende Vorteile: Hervorragen­ de Eigenschaften, was die Messung der Oberfläche der Papierma­ schinenkomponenten betrifft; hervorragende Eigenschaften, was die Messung der Papieroberfläche betrifft; hervorragende Ei­ genschaften, was die Identifizierung von Signaturen von Ver­ arbeitungskomponenten einer Maschine für die Papierherstellung betrifft; hohe Stabilität; lange Haltbarkeit; leichte Anwen­ dung; und vorteilhafte Wirtschaftlichkeit. Tatsächlich werden bei vielen der bevorzugten Ausführungsformen diese Faktoren der Eigenschaften bezüglich des Messen der Komponenten- und Papieroberflächen und der Identifizierung von Signaturen von Verarbeitungskomponenten bis zu einem Grad optimiert, der wesentlich hoher liegt als das, was bei früheren, bekannten Systemen zur Analyse von Papieroberflächen erreicht wurde.

Die obigen Merkmale und andere Merkmale der vorliegenden Er­ findung, die im Laufe der Beschreibung noch näher erläutert werden, sind am besten unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung verständlich, wobei in allen verschiedenen Darstellungen glei­ che Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der physikalischen Kom­ ponenten der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Abtastschema für die Bewegung des Probentisches gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 4 ein Detail im Schnitt der erfindungsgemäßen Befesti­ gungsvorrichtung für die Probe;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des für die Erfindung anwendbaren Rechnersoftware-Steuerprogramms;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Datenanalyseunterprogramms zur Bestimmung der Rauheit, auf das im Ablaufdiagramm in Fig. 5 Bezug genommen wird;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des Datenanalyseunterprogramms zur Bestimmung des Frequenzspektrums, auf das im Ablauf­ diagramm in Fig. 5 Bezug genommen wird;

Fig. 8 eine Darstellung eines Frequenzspektrums nach der vor­ liegenden Erfindung; und

Fig. 9 eine Darstellung des Frequenzspektrums aus Fig. 8 nach der vorliegenden Erfindung mit zusätzlichen Markierun­ gen bzw. Beschriftungen.

Der konstruktive Grundaufbau der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt und umfaßt eine zusammenwirkende Anordnung bestehend aus einer Vermessungseinheit 10 für die Probe, einem Rechner 11 zur digitalen Datenverarbeitung, einem mit einer Tastatur versehenen Steuerpult 12, einem Bildschirm 13, einer Vakuumpumpe 14, einem geregelten Vakuumbehälter 15 und einem Drucker 16.

Die Vermessungseinheit 10 für die Probe umfaßt einen massiven Auflagetisch 20, der eine oder mehrere Haltevorrichtungen 21 für eine Abtastvorrichtung aufweist. Jede Haltevorrichtung 21 trägt einen vertikal verstellbaren Kopf 22 zur Halterung der Abtastvorrichtung, der einen starren Arm 23 für die Abtastvor­ richtung aufweist. Die Abtastvorrichtung 25 als solches kann ein Gegenstand sein, wie er im einzelnen in der US-PS 4 669 300 (P.H. Hall et al.), erteilt am 02.06.87, beschrieben ist. Typische Spezifikationen für diese Abtastvorrichtung beinhal­ ten eine Diamantspitze mit einem Spitzenradius von 2,53 µm (0,0001 Zoll) zur Verwendung auf "feinem" Papier oder Schreib­ papier und eine kugelige Hartmetall-Spitze mit einem Spitzen­ radius von 0,25 mm (0,010 Zoll) für gebleichte Pappe.

Durch manuelles Drehen eines Stellrads 26 wird der Kopf 22 der Abtastvorrichtung in Führungshülsen 27 vertikal verschoben, um die Abstastvorrichtung 25 mittig relativ zur Ebene eines Probebogens S₁, S₂ oder S₃ zu kalibrieren.

Jeder Probebogen S ist auf der Fläche eines in einem kartesi­ schen Koordinatensystem bewegbaren Tisches 30 (Fig. 4) mittels einer Vakuumeinrichtung fixiert. Die translatorische Bewegung des Tisches 30 wird vom Rechner 11 über die Schrittmotoren 31 und 32 gesteuert. Nach einem Signal des Rechners sprechen einer oder beide Motoren 31 bzw. 32 auf den Schrittmotortrei­ ber 33 (Fig. 2) mit einem vorbestimmten Drehwinkel zur translatorischen Verschiebung der Position des Tisches 30 in zueinander senkrechten Richtungen unter den Armen 23 für die Abtastvorrichtung an, um eine quer verlaufende Reihe von par­ allelen Linien abzutasten, wobei jede Linie eine vorbestimmte Anzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten Halteposi­ tionen aufweist, um ein Raster aus äquidistanten Meßpunkten zu definieren, wie in dem Abtastschema in Fig. 3 dargestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Raster aus 128 parallelen Linien, die jeweils eine Länge von 8,13 cm (3,2 Zoll) aufweisen und über ein Breite von 8,13 cm (3,2 Zoll) angeordnet sind, jeweils 128 Meßpunkte auf einer Länge von jeweils 8,13 cm (3,2 Zoll), d. h. insgesamt (128)² gleichmäßig beabstandete Meßpunkte, oder ein Raster aus 256 parallelen Linien, die jeweils eine Länge von 4,06 cm (1,6 Zoll) aufweisen und über ein Breite von 4,06 cm (1,6 Zoll) angeordnet sind, umfaßt jeweils 256 Meßpunkte auf einer Länge von jeweils 4,06 cm (1,6 Zoll), d. h. insgesamt (256)² gleichmä­ ßig beabstandete Meßpunkte.

Der Abstand zwischen diesen Meßpunkten kann verändert werden, um Frequenzbereiche, die kennzeichnend für den zu prüfenden Rauheitsgrad sind, aufzulösen. Die maximale Frequenz, die aufgelöst werden kann, ist gleich der Hälfte der Frequenz des Meßpunktabstandes.

Um dünne Proben von geringem Gewicht, wie beispielsweise Pa­ pier, in ihrer Position zu fixieren, ist der in einem kartesi­ schen Koordinatensystem bewegbare Tisch 30 mit einem oder mehreren Vakuumschächten 35 (Fig. 4) versehen, die durch eine poröse Metallplatte 36 abgedeckt sind, die eine spezifizierte Planität aufweist. Die Größe der Poren der Platte 36 ist so gewählt, daß Luft durch die Platte strömen kann, ohne daß die Probe in die Porenschächte hinein verformt wird. Als Beispiel wird eine Metallgas-Filterplatte mit einer Porengröße von 10 Mikrometer und einer Planität von ± 0,025 mm (± 0,001 Zoll) der Mott Metallurgical Corp., Farmington, CT angegeben. Im Schacht 35 unter der Platte 36 wird durch ein mit einer Vakuumquelle, wie z. B. einer Pumpe 14, verbundenes Leitungs­ system 37 ein Vakuum erzeugt. Zwischen dem Schacht 35 und der Pumpe 14 ist im Leitungssystem 37 ein geregelter Vakuumbehäl­ ter 15 vorgesehen, der zur Dämpfung von jeglichen von der Vakuumquelle erzeugten Pulsationen ausgelegt ist.

Bezugnehmend auf Fig. 2, wird jedes analoge Signal 40 der Ab­ tastvorrichtung 25 durch einen Leistungs-Vorverstärker 41 ver­ stärkt. Das verstärkte Analogsignal 42 für die Abtastvorrich­ tung wird anschließend einem Analog-Digital-Wandler 43 zur Erzeugung von entsprechenden digitalen Datensignalen 44 in einer für den Rechner 11 geeigneten Form zugeführt.

Ein Vorgang zur Bestimmung der Rauheit eines Bogens beginnt mit dem Anordnen von einem oder mehreren Probebögen S₁, S₂ oder S₃ auf entsprechenden Probenhaltevorrichtungen 36 des Tisches 30 (Fig. 4). Die Abtastvorrichtungen 25 werden durch manuelle Betätigung von Stellrädern 26 auf den Probenoberflächen pla­ ziert und auf die Mitte des Wegstreckenbereichs der Abtastvor­ richtung eingestellt.

Bezugnehmend auf das Ablaufdiagramm für die Software in den Fig. 5 und 6 beginnt die Erfassung der Meßdaten mit der Bewegung des in kartesischen Koordinaten bewegbaren Tisches 30 auf dem in Fig. 3 vorbestimmten Weg, wobei an jedem Meßpunkt angehalten wird, um durch mechanische Bewegung verursachtes Rauschen im Signalsystem auf ein Minimum zu reduzieren. Die von den A/D-Wandlern 43 (Fig. 2) erzeugten digitalen Werte werden entsprechend ihrer zugehörigen Matrixadresse gespei­ chert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt bis der vor­ geschriebene Datenerfassungsweg beendet ist.

Selbstverständlich kann die hier beschriebene Meßvorrichtung in Form einer mechanischen Abtastvorrichtung auch durch eine Laserstrahl-Meßvorrichtung ersetzt werden.

Nach Fertigstellung der Matrix mit den Ursprungsdaten werden die entsprechend gespeicherten Daten mit einem zweidimensiona­ len Finite-extent Impulse Response Filter (FIR-Filter) oder einem digitalen nichtrekursiven Zero-phase Bandpaß-Filter, das mit einer Fensterfunktion, wie z. B. ein kreisförmiges Kaiser- Fenster, multipliziert wurde, gefaltet. Die Ursprungsdaten können aber auch so gefaltet werden, wie sie aufgenommen wur­ den, und dann zur späteren Verarbeitung bzw. Weiterverar­ beitung gespeichert werden. Das mit dem Fenster multiplizierte FIR-Filter wurde im Speicher des Rechners vor dem Datenerfas­ sungsvorgang aufgebaut und gespeichert. Die Filter/Fenster- Kombination wird daher zur Faltung aus dem Speicher abgerufen. Das FIR-Filter und das Fenster werden unter Verwendung von mathematischen Standardverfahren entworfen, die in "Multidi­ mensional Digital Signal Processing" von D.E. Dudgeon und R.M. Mersereau, Prentice-Hall, 1984, Seiten 29-31, und Seiten 118-124, beschrieben sind. Die Wahl der cut-off-Parameter des Filters beruht auf dem Grad der zu quantifizierenden Rauheit. Der quantifizierte Grad der Rauheit hängt von der subjektiven Beschaffenheit der Eigenschaft ab, deren Quantifikation ange­ strebt wird. Die Ausführung des Prozesses der Faltung wird von Dudgeon und Mersereau auf den Seiten 113-118 beschrieben.

Die aus jeder Faltung der Ursprungsdaten resultierende Matrix enthält sowohl "gute" als auch "schlechte" Daten. Die "guten" Daten werden aus der aus jeder Faltung resultierenden Matrix extrahiert, und anschließend wird der Effektivwert der Rauheit dieser "guten" Daten bestimmt und der Bedienperson per Anzeige auf dem Bildschirm 13 oder einem Drucker 16 (Fig. 1) präsen­ tiert.

Selbstverständlich kann der hier beschriebene Parameter für den Effektivwert (Root-mean-square) der Rauheit zur Berechnung eines Rauheitswertes alternativ auch durch einen anderen Rau­ heitsparameter, wie z. B. den Mittelwert der Rauheit ersetzt werden.

Für eine graphischere Darstellung dieses mathematischen Vor­ gangs können die Ursprungsdaten, die durch die relativen Hö­ henwerte an den Matrixmeßpunkten dargestellt sind, auf einen einzigen Effektivwert reduziert werden. Dieser Wert stimmt jedoch für gewöhnlich nicht mit den subjektiven Beurteilungen durch Anwender und Fachleute überein. Zur Ableitung eines Effektivwertes für eine spezifische Papiersorte, der mit den subjektiven Beurteilungen durch Fachleute tatsächlich überein­ stimmt, werden eine statistisch ausreichende Anzahl bedruckter und unbedruckter Beispielexemplare auf Proben einer spezifi­ schen Papiersorte durch Fachleute vergleichsweise bewertet. Solch ein Vorgehen ist zwangsläufig eine subjektive, visuelle und manuelle Bewertung. Mit der vorliegenden Erfindung werden bedruckte und unbedruckte Exemplare der gleichen spezifischen Papiersorte bewertet, um eine Teilfläche mit einer Teilober­ flächenfrequenz oder einem Teilfrequenzspektrum für eine spe­ zifische Papiersorte zu identifizieren, welche bzw. welches bei Reduzierung auf einen Effektivwert mit der subjektiven Beurteilung durch Fachleute übereinstimmt. Ist erst einmal die relevante Frequenz bzw. das relevante Spektrum für eine spezifische Papiersorte identifiziert, lassen sich sämtliche später produzierten Quantitäten dieser spezifischen Papiersor­ te durch den Effektivwert der Teilflächen mit diesem Frequenz­ bereich bewerten.

Umgekehrt wird die Datenmatrix, die die Ursprungsdaten einer Probenoberfläche innerhalb des Prüfungsbereichs darstellt, mathematisch in mehrere Nachbildungen zu Teiloberflächen um­ strukturiert, die jeweils einer Oberflächenprofilfrequenz innerhalb eines Spektrums solch besonderer Frequenzen entsprechen. Das vollständige Frequenzspektrum solcher Oberflächen-Nachbildungen ergibt zusammen die Ursprungsdaten- Oberfläche.

Mit diesem spektralen Bereich von Oberflächen-Nachbildungen wird ein mathematisches Filter gefaltet, das aus den vorste­ hend angegebenen Referenzen abgeleitet ist. Durch dieses Mo­ dell werden ausgewählte Oberflächenfrequenzen oder ein Sub­ spektrum des gesamten Oberflächenspektrums als Vergleichrele­ vanz mit subjektiven manuellen Beurteilungen isoliert. Hier­ durch wird eine kennzeichnende Frequenz oder ein kennzeichnen­ des Subspektrum identifiziert, welches sich anschließend auf jedes Exemplar der geprüften Papiersorte anwenden läßt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung werden die Ursprungsdaten für jeden Probebogen zwei- oder dreimal jeweils mittels eines anderen Filters gefaltet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Ursprungsdaten mit weniger oder mehr Filtern gefaltet werden, wodurch weniger oder mehrere Rauheitswerte erhalten werden, wobei ein Rauheitswert für jedes in einer Faltung verwendete Filter be­ stimmt wird.

Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, ein Frequenzspektrum von Oberflächenveränderungen in den gesammel­ ten topographischen Daten zu erzeugen. Ein Frequenzspektrum einer Oberfläche enthält Informationen über die Amplitude oder Größe von Sinuswellenoberflächen, die dazu verwendet werden, eine Oberfläche mathematisch zu charakterisieren, was die Identifizierung oder Erkennung von periodischen Veränderungen oder Mustern in der Topographie ermöglicht.

Wie in Fig. 7 dargestellt, können nach Vervollständigung der Ursprungsdatenmatrix mit der vorstehend beschriebenen, bevor­ zugten Ausführungsform die entsprechend gespeicherten Daten mathematisch so umgewandelt werden, daß sich das zweidimensio­ nale Frequenzspektrum der entsprechenden Daten ergibt, oder sie können mit einem zweidimensionalen Finite-extent Impulse Response Filter (FIR-Filter) oder einem digitalen nichtrekur­ siven Zero-phase Bandpaß-Filter, das mit einer Fensterfunktion multipliziert wurde, gefaltet werden, bevor sie umgewandelt werden, um das zweidimensionale Frequenzspektrum zu erhalten, wenn bestimmte Frequenzen von dem Spektrum ausgeschlossen werden sollen. Die mathematische Umwandlung wird durchgeführt unter Verwendung der zweidimensionalen Fast-Fouriertransfor­ mierten, worauf die Bestimmung der Größe der aus der zweidi­ mensionalen schnellen Fouriertransformierten resultierenden Werte folgt.

Als Einführung in die Verwendung und Interpretation von Fre­ quenzspektren wird ein einfaches Frequenzspektrum untersucht. Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines einfachen Frequenzspektrums. Die Frequenzkomponenten, die in jeder Oberfläche vorhanden sind, treten innerhalb und an den Grenzen des Halbkreises gemäß Fig. 8 auf. Eine Untersuchung des Frequenzspektrums gemäß Fig. 8 ergibt, daß es eine einzige signifikante Frequenzkomponente enthält.

Um die Erörterung der Interpretation von Frequenzspektren zu vereinfachen, ist das Frequenzspektrum aus Fig. 8 noch einmal in Fig. 9 dargestellt, mit einer Beschriftung, die nicht zur normalen Darstellung eines Frequenzspektrums gehört.

Ein Schlüsselmerkmal von Frequenzspektren ist, daß sie polar sind. Das heißt, die Frequenzkomponenten in einem Spektrum werden durch ihren Abstand von einem Ursprung auf dem Halb­ kreis und den Winkel, den sie mit einer Bezugsrichtung bilden, beschrieben. Die Frequenz einer Komponente wird bestimmt, indem der Abstand vom Ursprung zu dem Ort der Komponente ge­ messen und mit der Skala an der rechten Seite des Frequenz­ spektrums verglichen wird. Der Winkel einer Komponente wird bestimmt, indem der Winkel zwischen dem vertikalen Strahl auf dem Halbkreis, der die Maschinenrichtung anzeigt, und der Frequenzkomponente gemessen wird. Winkel rechts von der Ma­ schinenrichtung werden als positive Winkel beschrieben, und Winkel links von der Maschinenrichtung werden als negative Winkel beschrieben. Die Plus- und Minuszeichen außerhalb des Halbkreises sollen an das Vorzeichen des Winkels erinnern. Zur leichteren Handhabung sind Markierungen im Abstand von 10 Grad von der Maschinenrichtung weg entlang der Grenze des Halbkrei­ ses angebracht.

Die einzige in Fig. 9 dargestellte Frequenzkomponente hat eine Frequenz von 10 Zyklen pro 2,54 cm (Zoll) und einen Winkel von +30°, was das Vorhandensein einer periodischen Oberflächenver­ änderung mit einer Frequenz von 10 Zyklen pro 2,54 cm (Zoll) und einer Verlaufrichtung von 30° nach rechts bezüglich der Maschinenrichtung anzeigt.

Der absolute Winkel einer Frequenzkomponente bezüglich der Maschinenrichtung hängt von der Ausrichtung der Proben auf dem Tisch 30 (Fig. 4) mit den kartesischen Koordinaten ab. Der relative Winkel zwischen Frequenzkomponenten hängt nicht von der Ausrichtung der Proben ab.

Es ist für jeden Durchschnittsfachmann selbstverständlich, daß das Frequenzspektrum, wie es in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt ist, alternativ auch als Vollkreis oder als "vollständige" Darstellung eines Frequenzspektrums gezeigt werden kann, in der die Größe der Daten des Frequenzspektrums zweimal darge­ stellt sind.

Zusätzlich zu den Informationen über Frequenz und Richtung enthalten Frequenzspektren auch Informationen über die Ampli­ tude von Sinuswellenoberflächen, die dazu verwendet werden, eine Oberfläche mathematisch zu charakterisieren. Informatio­ nen über die Amplituden oder Größen als Funktion von Frequenz und Richtung sind als topographische Karten in den Frequenz­ spektren dargestellt. Diese Darstellung führt dazu, daß Fre­ quenzkomponenten mit großer Amplitude (starke Frequenzkompo­ nenten) als relativ große "Punkte" erscheinen, was auf viele dicht gedrängte Niveaulinien zurückzuführen ist, die an der Stelle der Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum gezogen werden. Also wird die Stärke einer Komponente durch den rela­ tiven Durchmesser der Komponente in den topographischen Dar­ stellungen der Frequenzspektren angezeigt.

Die Information über die Stärke bzw. Größe einer Komponente kann verwendet werden, um die relative Stärke oder Erhöhung eines Musters in einer Papieroberfläche zu bestimmen. Durch das Überwachen der Größe der Frequenzkomponenten von Verarbei­ tungssignaturen in einer Papieroberfläche ist es möglich, die Effektivität von Veränderungen des Papierherstellungsvorgangs zu bestimmen, die darauf ausgerichtet sind, ein Muster in einer Papieroberfläche zu reduzieren oder zu beseitigen. Liegt mehr als ein Muster in einer Papieroberfläche vor, so können die relativen Größen der Komponenten dazu verwendet werden, die relative Erhöhung der Muster in einer Papieroberfläche zu bestimmen. Die relativen Größen von Komponenten aufgrund eines einzigen Musters können auch einen Einblick in den Mechanismus gewähren, wie das Muster von der Verarbeitungskomponente auf die Papieroberfläche übertragen wird.

Der Durchschnittsfachmann sollte erkennen, daß die Informa­ tion, die in zweidimensionalen Frequenzspektren enthalten ist, in vielen verschiedenen Darstellungsformen gezeigt werden kann und daß diese Information viel über den Papierherstellungsvor­ gang aussagt.

Was die Identifizierung des Papierherstellungsvorgangs be­ trifft, bei dem die periodische Veränderung der Muster in der Papieroberfläche auftritt, so liegt der vorrangige Nutzen eines Frequenzspektrums nicht in der Untersuchung des Spek­ trums einer Probe an sich, sondern eher im Vergleich des Spek­ trums einer Probe mit den Spektren oder Signaturen von Maschi­ nen-Verarbeitungskomponenten, wie z. B. Walzen mit Bohrlöchern oder Nuten und die Beläge der Maschine. Die sichere Identi­ fizierung der Quelle eines Musters in einer Papieroberfläche ermöglicht es, den Herstellungsvorgang zu verändern, um das Muster zu beseitigen und bis zu einem gewissen Grad die Rau­ heit der Bögen zu verringern.

Die Identifizierung der Quelle von Mustern in Papierproben schließt die Erzeugung der Frequenzspektren oder Signaturen der Verarbeitungskomponenten zur Papierherstellung sowie die Erzeugung der Frequenzspektren der Papierproben ein. Die Er­ zeugung von Frequenzsignaturen, die Maschinenkomponenten zu­ zuordnen sind, beginnt damit, daß von den Oberflächen der Maschinenkomponenten Aluminiumfolienabdrücke gemacht werden.

Aluminium- oder andere geeignete Folienabdrücke von Maschinen­ komponenten werden vorzugsweise unter simulierten Betriebs­ bedingungen gemacht, um Muster der Papierherstellungskomponen­ ten zu erhalten, wie sie dem Papier auf der Papierherstel­ lungsmaschine gegeben würden. Aluminiumfolienabdrücke werden unter Verwendung des Oberflächenanalysators (10, 11, 12, 13, 14, 15 und 16 in Fig. 1) verarbeitet bzw. untersucht. Darüber­ hinaus werden Papierproben, die durch die gleichen Maschinen­ komponenten hergestellt wurden, unter Verwendung des gleichen Oberflächenanalysators (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 in Fig. 1) gemessen. Die Frequenzspektren der Aluminiumfolienabdrücke sind die Frequenzsignaturen der entsprechenden Maschinenkom­ ponenten. Durch den Vergleich der Frequenzspektren von Papier­ proben mit den Frequenzsignaturen von Maschinenkomponenten kann der Ursprung von Mustern in einer Papierprobe unter Ver­ wendung von (Teil-)Prozessen der Papierherstellung erkannt werden. Wenn der Ursprung des Musters erst einmal bestimmt wurde, können Alternativen zur Reduzierung oder Beseitigung des unerwünschten Musters erforscht werden.

Der Durchschnittsfachmann sollte erkennen, daß man die Fre­ quenzsignaturen einiger Verarbeitungskomponenten zur Papier­ herstellung von Verarbeitungskomponenten erhalten kann, indem man direkt die Topographie einer repräsentativen Probe der Komponente mißt, wie dies beispielsweise bei der Trockenfilz­ bespannung von Trocknern durchgeführt werden kann.

Obwohl eine einfache Idee hinter der Mustererkennung steckt, sind zur Mustererkennung durch Vergleichen von Spektren Vor­ sicht, Verständnis und Kenntnisse des Papierherstellungsver­ fahrens notwendig. Die Dynamik der Papiermaschine hat einen Einfluß darauf, wie die Signaturen der Komponenten auf die Proben übertragen werden. Die Signaturen der Papiermaschinen­ komponenten können zum Teil durch Hintergrundfrequenzen un­ deutlich gemacht oder durch Ausdehnen und Schrumpfen der Pa­ pierbögen verzerrt werden. Es ist möglich, daß unter bestimm­ ten Betriebsbedingungen der Maschine nur ein Teil einer Signa­ tur einer Komponente auf einen Bogen übertragen wird. Ver­ schiedene Komponenten der Papiermaschine können identische Signaturen haben; in diesem Fall ist es unter Umständen nicht möglich, einen einzigen Ursprung zu bestimmen. Darüberhinaus kann eine Papierprobe mehr als ein Muster aufweisen. Ein Mu­ ster, dessen Ursprung auf einer Seite der Papierbahn ist, kann auf die gegenüberliegende Seite übertragen werden. All diese Situationen führen dazu, daß der Vorgang der Mustererkennung als den Vorgang der Rauheitsmessung.

Eine Methode, Oberflächendaten darzustellen, die mit der Ober­ flächenanalysetechnik nach der vorliegenden Erfindung gesam­ melt wurden, ist die Graustufenabbildung. Bei einer Graustu­ fenabbildung werden die Oberflächenerhöhungen der mit der vorliegenden Erfindung gesammelten Daten in eine Schwarz-Weiß- Abbildungsintensität oder Graustufe umgewandelt. Bei der vor­ liegenden Ausführungsform entsprechen größere Erhöhungen hel­ leren Grauschattierungen, und kleinere Erhöhungen entsprechen dunkleren Grauschattierungen, obwohl ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen wird, daß auch andere Entsprechungen zwischen Erhöhung und Abbildungsintensität existieren könnten. Bei Graustufenabbildungen von Ursprungsdaten oder gefilterten Daten von Papierproben ist es jedoch oft schwierig, die Muster zu erkennen, die durch die Komponenten der Frequenzspektren angezeigt werden. Die Fähigkeit, die durch die Komponenten der Frequenzspektren angezeigten Muster optisch zu erkennen, ist wünschenswert, da eine Papierprobe mehr als eine Signatur des Herstellungsverfahrens aufweisen kann. Darüberhinaus ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, sichtbar darzustellen - wie bei einer Graustufenabbildung -, wie das identifizierte Verarbeitungskennzeichen in einer Probe auftritt, um eine Bestätigung dafür zu erhalten, welches der identifizierten Verarbeitungskennzeichen der Grund für das unerwünschte Muster war, das mit dem Auge in der Papierprobe entdeckt wurde. Aus diesen Gründen ist die Fähigkeit zur Abbildungsverstärkung der Oberflächenanalysetechnik nach der vorliegenden Erfindung entwickelt worden.

Ein Grund dafür, daß es schwierig ist, Muster in Graustufen­ abbildungen von Ursprungsdaten oder gefilterten Daten von Papier zu identifizieren, liegt darin, daß die Muster, falls sie nicht dominieren, durch "zufällige" Veränderungen in den topographischen Daten undeutlich gemacht werden können. Wenn also Graustufenabbildungen topographischer Daten zur Unter­ suchung von Mustern verwendet werden sollen, müssen die Muster in den topographischen Daten des Papiers bezüglich der "zufäl­ ligen" Veränderungen der Daten dominant gemacht werden. Dieses Verfahren wird als Muster- oder Abbildungsverstärkung bezeich­ net.

Der mathematische Ansatz für die Musterverstärkung beinhaltet zwei Schritte: Filtern der Daten, um nur die interessanten Frequenzkomponenten zu behalten, vorzugsweise die einer ein­ zigen Papierherstellungskomponente, und deutliches Verstärken der zurückbehaltenen interessanten Frequenzkomponenten bezüg­ lich der zurückbehaltenen uninteressanten Frequenzkomponenten. Die mathematischen Vorgänge für dieses Abbildungsverstärkungs­ verfahren werden durch die oben diskutierte Veröffentlichung von Dudgeon und Mersereau auf den Seiten 124-126 darge­ stellt. Nach der Musterverstärkung wird eine Grau­ stufenabbildung der verstärkten Daten erzeugt.

Der erste Schritt der Abbildungsverstärkung beginnt mit einer Untersuchung des Frequenzspektrums der Probe. Der Frequenzbe­ reich der Komponenten, die zurückzubehalten und zu verstärken sind, wird festgelegt. Die Wahl des Frequenzbereiches ist sehr wichtig und erfordert entsprechendes Wissen. Fast alle Fre­ quenzsignaturen der Maschinenkomponenten enthalten mindestens zwei Frequenzkomponenten, und häufig sogar mehr als zwei. Soll eine verstärkte Abbildung erzeugt werden, die mit einiger Sicherheit dem Muster der Maschinenkomponente ähneln soll, so müssen möglichst viele der Frequenzkomponenten, die Teil der Signatur sind, in den zu erhaltenden und zu verstärkenden Fre­ quenzbereich mit eingeschlossen werden. Wird jedoch zu viel in den Bereich mit eingeschlossen, so wird neben den gewünschten Frequenzkomponenten auch ein Rauschen zurückbehalten und ver­ stärkt, was wiederum zu schlechter Abbildungsverstärkung fü­ hrt. Ein weiterer Faktor, der die Qualität der verstärkten Graustufenabbildungen beeinflußt, ist die Beibehaltung von Hochfrequenzkomponenten. Hochfrequenzkomponenten sind notwen­ dig, um eine verbesserte Abbildungsschärfe zu erhalten. Die Schärfe der Abbildung muß jedoch im Gleichgewicht stehen mit dem Erfordernis, zu verhindern, daß die Qualität der verstärk­ ten Abbildung durch Fremdkomponenten, die bei hohen Frequenzen auftreten, vermindert wird. Häufig wird der optimale zu erhal­ tende und zu verstärkende Frequenzbereich durch eine Unter­ suchung der erzeugten verstärkten Abbildungen nach dem Prinzip "Trial and Error" gefunden.

Nachdem ein Frequenzbereich ausgewählt wurde, wird ein Band­ paß-Filter entworfen, das die gewünschten Frequenzen zurück­ behält und die unerwünschten Frequenzen beseitigt. Dann werden die Ursprungsdaten gefiltert. Nach dem Filtern wird das Muster in den gefilterten Daten verstärkt, indem jede Frequenzkom­ ponente der gefilterten Daten mit ihrer potenzierten Größe multipliziert wird. Die Wahl der Potenz bestimmt den Grad der Verstärkung. Im allgemeinen ergibt bei der vorliegenden Aus­ führungsform eine Zweierpotenz eine gute Verstärkung. Dieser Verstärkungsvorgang führt dazu, daß die dominanten Frequenz­ komponenten noch mehr dominieren, und er ermöglicht eine ver­ stärkte Abbildung der dominanten Frequenzkomponenten ohne signifikante Verzerrung. Dieses Verstärkungsverfahren basiert auf der relativen Stärke einer Frequenzkomponente. Die Frage der relativen Stärke wird durch die Wahl des Frequenzbereiches des Bandpaß-Filters bestimmt.

Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, daß mit einem gewis­ sen Maß an Genauigkeit ein Vergleich der verstärkten Graustu­ fenabbildung der Frequenzkomponenten von einer unbekannten Verarbeitungskomponente für die Papierherstellung mit den tatsächlichen Verarbeitungskomponenten für die Papierherstel­ lung zu einer Identifizierung der Verarbeitungskomponente, die für die periodische Oberflächenveränderung auf der Papierober­ fläche verantwortlich ist, führen kann.

Durch die obige Beschreibung werden dem Fachmann viele andere Merkmale, Abänderungen oder Verbesserungen nähergebracht. Derartige Merkmale, Abänderungen oder Verbesserungen werden daher als Teil dieser Erfindung angesehen, deren Schutzumfang durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Analyse eines Oberflächenprofils von Papier, das mit einer Papiermaschine mit Papierherstellungskompo­ nenten erzeugt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

• - Herstellung eines Papier-Probebogens durch die Papierma­ schine;
• - Sammeln topographischer Daten des Papier-Probebogens;
• - Sammeln topographischer Daten der Papierherstellungskom­ ponenten;
• - Analyse der topographischen Daten des Papier-Probebogens und der Papiermaschinen-Komponenten;
• - Vergleichen der analysierten topographischen Daten des Papier-Probebogens und der Papiermaschinen-Komponenten;
• - Identifizieren von möglicherweise vorhandenen Signaturen der Verarbeitungskomponenten in den topographischen Daten des Papier-Probebogens, die mit den topographischen Daten der Papiermaschinen-Komponenten korrelieren, anhand des Vergleichs der analysierten Daten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für das Sammeln topo­ graphischer Daten der Papierherstellungskomponenten Folien­ abdrücke eines oder mehrerer Papierherstellungskomponenten gemacht werden, so daß die Abdrücke im wesentlichen eine Topographie der Papierherstellungskomponenten darstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei das Analysieren der topographischen Daten des Papier-Probebogens das Identifi­ zieren periodischer Signaturen der Verarbeitungskomponente umfaßt, die sich in dem Papier-Probebogen befinden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Analysieren der topographischen Daten des Papier-Pro­ bebogens und der Papiermaschinenkomponenten eine Verstär­ kung der Signaturen der Verarbeitungskomponenten in den topographischen Daten des Bogens und der Komponenten um­ faßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Verstärken die Er­ stellung einer Graustufenabbildung der topographischen Daten des Bogens und der Komponenten umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Analysieren der topographischen Daten des Papier-Pro­ bebogens und der Papiermaschinenkomponenten die Bestimmung eines oder mehrerer Frequenzspektren der topographischen Daten des Bogens und der Komponenten umfaßt.

7. Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Papiermaschine mit mehreren Papierherstellungskomponenten, bei dem das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ana­ lyse eines Oberflächenprofils von Papier durchgeführt wird und bei dem bei Detektieren von nicht tolerablen Signaturen in den topographischen Daten des Papier-Probebogens eine oder mehrere Papierherstellungskomponenten im Sinne einer Verringerung der Signaturen beeinflußt werden.

8. Vorrichtung zur Analyse der Topographie einer Papierober­ fläche mit einer Vermessungseinheit zur Erfassung der Ober­ flächendaten eines Probebogens, der mittels einer Halteein­ richtung in der Vermessungseinrichtung fixierbar ist, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Aussteuerung der Vermessungseinheit und zur Analyse der erfaßten Oberflä­ chendaten, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit die Ver­ messungseinheit zur Datenerfassung in geeigneter Weise ansteuert und die Auswertung der Daten entsprechend dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durch­ führt.