DE19641349A1 - Beleuchtungsanordnung zur visuellen und automatisierten Inspektion von Oberflächenfehlern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Beleuchtungsanordnungen zur Erkennung von Oberflächenfehlern auf matten metallischen Oberflächen mit Feinstruktur oder auf matten Oberflächen mit sehr geringem Anteil gerichteter Reflexion.

Fehlerhafte Verformungen der Oberfläche z. B. Beulen, Erhebungen, die sich durch allmähliche oder sprunghafte Abweichungen vom fehlerfreien, gewünschten Verlauf der Krümmung von Oberflächen ergeben, lassen sich nach dem Stand der Technik an matten Oberflächen visuell nicht erkennen.

Zur Erkennung derartiger Fehler werden Oberflächen mit großem Glanzanteil benötigt. Benutzt man hochglänzende Oberflächen als Spiegel um eine gitter- oder streifenförmige Beleuchtungsstruktur zu beobachten, so zeigen sich Fehler als Verzerrungen, Lichtinseln oder dunkle Flecke und können somit leicht erkannt werden.

Aus diesem Grunde werden matte Oberflächen, z. B. Rohbauteile an Autokarosserien zur Inspektion mit einem stark glänzenden Überzug durch Spezialöl versehen. Dadurch werden die zu einer Erkennung der Beleuchtungsstruktur benötigten Reflexionseigenschaften auf der Oberfläche erzeugt und eine visuelle Fehler­ erkennung ermöglicht.

Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und deshalb unwirtschaftlich.

Erfindungsaufgabe ist es deshalb, eine Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie zu finden, welche die Fehlererkennung an matten Oberflächen ermöglicht. Weiterhin soll eine Leuchtdichtestruktur der Beleuchtung gefunden werden, die auftretende Fehler besonders deutlich macht.

Erfindungsgemäß wird eine Beleuchtungs- bzw. Leuchtdichtestruktur unter flachen Winkeln für Beobachter mit der zu inspizierenden Oberfläche als Spiegel präsentiert. Typisch sind Winkel größer als etwa 60° zur Normalen, optimal jedoch Winkel größer als etwa 75° zur Normalen der Oberfläche.

Dieser Erfindungsgedanke ist anwendbar, weil sich durch Untersuchungen und theoretische Ermittlungen überraschend ergeben hat, daß eine Vielzahl matter Oberflächen unter flachen Lichteinfallswinkeln einen sehr hohen Grad der gerichteten Reflexion besitzen. Dieser hohe Anteil der gerichteten Reflexion wird erfindungsgemäß um Spiegelungen zu erzeugen, die einen Rückschluß auf Oberflächenfehler erlauben, die sich durch allmähliche oder sprunghafte Abweichungen vom fehlerfreien, gewünschten Verlauf der Krümmung von Oberflächen ergeben also z. B. Beulen und Erhebungen.

Nach Fresnel nimmt der Grad der Reflexion an gerichtet reflektierender Oberflächen mit dem Lichteinfallswinkel zu.

Ein typischer Verlauf des Reflexionsgrades ist in Bild 1 dargestellt. Betrachtet man nun den Überzug der Oberfläche als Grenzfläche zu einem Material mit gegenüber der Luft vergrößerter Brechzahl so sind diese Gesetzmäßigkeiten für die hier betrachteten Oberflächen anwendbar.

Elektrisch leitende Materialien besitzen auch ohne Überzug durch ein glänzendes Medium den Effekt der Erhöhung der gerichteten Reflexion bis zur Totalreflexion unter sehr flachen Winkeln, also nahezu 90° zur Normalen.

Betrachtet man deshalb Bleche mit einer sehr feinen Struktur der Oberfläche, so schwanken im Feinbereich die Normalen um einen Mittelwert, so daß sich in einem gewissen von der Feinstruktur abhängigenen Winkelbereich flacher Lichteinstrahlung ausreichend große gerichtete Reflexionen ergeben, die erfindungsgemäß für eine Fehlererkennung ausgenutzt werden können.

Oberflächen für die der Erfindungsgedanke anwendbar ist können demnach beispielsweise Bleche mit feiner Struktur sein, insbesondere solche die durch den Verarbeitungsprozeß einen dünnen Belag an Schmiermitteln erhalten, so daß ein geringer Anteil an Glanz entsteht.

Die zugrundegelegte erfindungsgemäße geometrische Zuordnung von Beleuchtungsstandort, Oberfläche und Beobachterstandort ist in Bild 2 dargestellt. Eine Oberfläche wird unter dem Winkel i < 60° möglichst jedoch größer als 75° von einem Beobachter 3 betrachtet. Eine Beleuchtungsvorrichtung 2 ist im Spiegelwinkel angeordnet.

Entscheidend für die Möglichkeit der Fehlererkennung ist neben der geometrischen Zuordnung von Beleuchtungsvorrichtung, Oberfläche und Beobachter die Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungsvorrichtung.

Gemäß der Erfindungsaufgabe sollen durch die Art der Leuchtdichtestruktur der Beleuchtung Fehler in einem großen Bereich möglicher Beobachterstandorte sowohl für Planer als auch für einachsig oder zweiachsig gekrümmte Oberflächen erkennbar werden.

Erfindungsgemäß wird eine Hell-Dunkel-Kante unter Winkeln von ca. 60° besser ca. 15° oder kleiner zur Normalen der fehlerfreien Oberfläche einem Beobachter präsentiert, der die Oberfläche unter dem entsprechenden Spiegelwinkel betrachtet.

Die dadurch ermöglichte Fehlererkennung ist in Bild 3 dargestellt.

Eine Oberfläche 1 wird von einem Beobachter unter flachen Winkeln beobachtet. Die einen Fehler F umgebende Oberfläche erscheint hell, weil der Spiegelwinkel zur hellen Fläche 5 führt. Auf Grund der Oberflächenkrümmung am Fehler F erscheint ein Teil des Fehlers dunkel, weil der Spiegelwinkel zur dunklen Fläche 4 führt.

Für einachsig gekrümmte Flächen ist erfindungsgemäß vorgesehen die Hell-Dunkel- Kante dem Verlauf der Krümmung der Oberfläche folgt.

Dies ist in Bild 4 dargestellt. Die Hell-Dunkel-Kante 6 folgt der Krümmung der Oberfläche 1. Dadurch findet ein Beobachter der die Oberfläche quer zur Krümmung betrachtet in allen drei Standorten die gleichen lichttechnischen Verhältnisse vor.

Besonders vorteilhaft ist es, die Hell-Dunkel-Kante parallel zur ersten Kante zu wiederholen, so daß ein heller oder dunkler Streifen auf der Beleuchtungsanordnung entsteht.

Die Breite des Streifens ist experimentell zu ermitteln und so groß zu wählen, daß die gewünschte Erkennung der kleinsten vorkommenden Fehler möglich ist.

Die geometrischen Zusammenhänge sind in Bild 5 dargestellt.

Ein Fehler F im Vergleich zu Bild 3 erscheint nunmehr an zwei Stellen dunkel, weil sowohl weniger als auch mehr ausgelenkte Strahlen im Fehlerbereich zu dunklen Flächen 4 führen.

Um sehr große Flächen inspizieren zu können, ist es vorteilhaft mehrere Streifen übereinander anzuordnen.

Dies ist in Bild 6 dargestellt in dem zwei Beobachterstandorte 3.1 und 3.2 mit zwei übereinander angeordneten hellen und dunklen Streifen 4/5 korrespondieren.

Ähnliche Effekte wie oben dargestellt können auch erreicht werden durch eine erfindungsgemäße Beleuchtungsstruktur aus Streifen, die senkrecht oder schräg zu den betrachteten Oberflächen angeordnet sind.

In Bild 7 ist ein Beispiel für senkrechte Streifen dargestellt. Ein Fehler F markiert sich wiederum durch dunkle Flecke in heller Umgebung oder umgekehrt, bzw. durch eine Verzerrung der Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungsvorrichtung 2.

Vorteile können auch erreicht werden, wenn waagerechte Hell-Dunkel-Kanten mit schrägen oder senkrechten kombiniert werden, so daß helle und dunkle Felder miteinander abwechseln. Dies ist besonders vorteilhaft für zweiachsig gekrümmte Flächen.

Dies ist in Bild 8 dargestellt, bei der die Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungs­ vorrichtung 2 sich aus hellen und dunklen Feldern 4/5 darstellt.

In allen Anordnungen werden Fehler durch Verzerrungen der Hell-Dunkel-Kante erkennbar oder durch das Entstehen heller Flecken in dunkler Umgebung, bzw. dunkler Flecken in heller Umgebung.

Durch den Abstand der Hell-Dunkel-Kanten können Fehlstellen mit nur geringen Abweichungen der Normalen von der regulären Ausrichtung getarnt werden und sind ohne Veränderung des Beobachterstandortes nicht erkennbar.

Besonders gilt dies für gekrümmte, besonders zweiachsig gekrümmte Flächen z. B. an Fahrzeugkarossen.

In solchen Fällen ist es besonders vorteilhaft, wenn in einer Weiterbildung der Erfindung die Hell-Dunkel-Kanten bewegt werden.

Eine solche zeitliche und örtliche Veränderung der dargebotenen Struktur bewirkt, daß Fehler über das gesamte Sehfeld aufblinken und wieder unauffällig werden, so eine Dynamik der Fehlererkennung entsteht die einerseits die Fehlererkennung unterstützt und andererseits Tarnzonen in denen Fehler nicht erkannt werden, vermeidet.

Die Bewegung der Hell-Dunkel-Kanten kann beliebig erreicht werden, z. B. durch mechanisch bewegliche Blenden.

Weiterhin ist es möglich, bewegte Muster auf Projektionswände zu projektieren oder die Durchlässigkeit von Leuchtflächen elektronisch, z. B. mittels LCD zu steuern.

Besonders interessante Ausführungen bewegter Hell-Dunkel-Kanten sind Dreh­ scheiben mit Spiralmustern oder rotierende Zylinder mit umlaufenden schräg angeordneten Streifen.

Auch Abbildungen derartiger bewegter Strukturen an hochglänzenden Spiegeln können genutzt werden.

Vorteilhaft können auch Kombination zwischen feststehenden z. B. streifenförmigen Hell-Dunkel-Kanten und bewegten Hell-Dunkel-Kanten sein.

Bild 9 und 10 zeigen eine bewegte Hell-Dunkel-Kante in Spiralform, Bild 11 und 12 in Form spiralförmiger Streifen auf einem rotierenden Zylinder.

Bild 13 zeigt einer rotierenden Zylinder, der im Sehfeld durch eine Reflektoroptik abgebildet wird.

In Bild 9 dreht sich eine leuchtende Scheibe 7 um den Mittelpunkt M. Zwei parallele Kontrastkanten bilden die Spirale 8. Je nach Drehposition der Scheibe 7 haben die Kontrastkanten eine andere Position.

In Bild 10 ist die Beobachtungsgeometrie dargestellt.

Bild 11 zeigt einen Zylinder 9 der sich um die Achse M dreht. Parallele Hell-Dunkel- Kanten erzeugen eine Schraubenlinie 10, mit der sich die Hell-Dunkel-Kanten je nach Drehposition des Zylinders bewegen.

Eine mögliche Beobachtungsgeometrie ist in Bild 12 dargestellt.

Bild 13 zeigt die Beobachtungsgeometrie für einen Zylinder, dessen Leucht­ dichtestruktur mit Hilfe der Reflektoroptik 11 von einem Beobachter 3 betrachtet wird.

Der Beobachterstandort kann mit Hilfe einer Umlenkung des Beobachter­ strahlenganges durch einen umlenkenden Hilfsspiegel verändert werden. Dies ist in Bild 14 dargestellt, in dem ein Beobachter die in der Oberfläche 1 gespiegelte Hell- Dunkel-Kante 6, bzw. die hellen und dunklen Flächen 4/5 über einen Umlenkspiegel 12 betrachtet.

Eine erfinderische Variante ist es weiterhin wenn bei beweglicher oder statischer Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungsvorrichtung die zu inspizierende Oberfläche bewegt wird. Dies kann je nach Anforderungen eine transversale (Transport-) Bewegung, eine kreisende oder schaukelnde Bewegung sein.

Die Bewegung der Oberfläche erlaubt es auf großen Oberflächen die Fehler sukzessiv zu betrachten.

Bild 15 zeigt ein Beispiel für eine transversale Bewegung der Oberfläche 1 unter einer Beleuchtungsvorrichtung 2 bestehend aus hellen 5 und dunklen Streifen 4. Ein Beobachter 3 sieht die Fehler nunmehr in zeitlicher Folge.

Die dargebotenen Abbildungen der Hell-Dunkel-Kanten sind für eine visuelle Abmusterung vorgesehen, jedoch ist es auch möglich, diese Abbildungen mit einer Kamera aufzunehmen und mit einer entsprechenden Software auszuwerten. Die hellen und dunklen Felder der Beleuchtungsvorrichtung können miteinander vertauscht werden, so daß eine Umkehrung der Hell-Dunkel-Bilder entsteht. Die Schwarz/weiß Kontraste können erfindungsgemäß unterstützt oder ersetzt werden durch Farbkontraste.

Claims (22)

1. Beleuchtungsanordnung zur Inspektion auf matten, elektrisch leitenden oder matt glänzenden zumindest in Teilabschnitten kontinuierlich verlaufenden Oberflächen zur Erkennung von Fehlern, die mit einer Änderung des Verlaufs der Oberfläche verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Hell-Dunkel-Kanten mindestens zeitweise in einem Winkel größer 60°, vorzugsweise 75° zur Normalen der zu inspizierenden Oberfläche als Spiegel für einen Beobachter oder eine Kamera angeordnet sind.

2. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hell-Dunkel-Kante Teil einer Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung ist.

3. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hell-Dunkel-Kante der Krümmung der zu inspizierenden Oberfläche folgt.

4. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung aus einem streifenförmigen Feld besteht, das aus zwei im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Hell-Dunkel-Kanten besteht.

5. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung aus mehreren Hell-Dunkel- Kanten besteht.

6. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung aus Hell-Dunkel-Kanten senkrecht zur zu inspizierenden Oberfläche besteht.

7. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung aus Hell-Dunkel-Kanten schräg zu der zu inspizierenden Oberfläche besteht.

8. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung aus einer Kombination unterschiedlich angeordneter waagerechter, senkrechter oder schräger Hell-Dunkel- Kanten besteht.

9. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung während der Inspektion bewegt wird.

10. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung auf einer sich drehenden Scheibe angeordnet ist.

11. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der sich drehenden Scheibe eine Spirale ist, die aus mindestens zwei im wesentlichen zueinander parallel ausgerichteten Hell-Dunkel- Kanten besteht.

12. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf einem sich drehenden Zylinder angeordnet ist.

13. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf dem sich drehenden Zylinder aus mindestens zwei im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Hell-Dunkel-Kanten besteht, die in Schraublinien angeordnet sind.

14. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungsvorrichtung durch ein optisches System aus Linsen und/oder Reflektoren auf die zu inspizierende Oberfläche gespiegelt wird.

15. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung durch Projektion auf eine Bildwand erzeugt wird.

16. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur auf der Beleuchtungsvorrichtung sich aus einer Vielzahl in der Leuchtdichte steuerbarer kleiner Flächen zusammensetzt.

17. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Leuchtdichte steuerbaren kleinen Flächen durch eine Anordnung hinterleuchteter LCD′s bestehen.

18. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zu inspizierende Oberfläche bewegt wird.

19. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zu inspizierende Oberfläche transversal bewegt wird.

20. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zu inspizierende Oberfläche rotierend bewegt wird.

21. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zu inspizierende Oberfläche schaukelnd bewegt wird.

22. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichtestruktur der Beleuchtungsvorrichtung der Form des jeweils inspizierten Flächenteils der bewegten Oberfläche angepaßt wird.