DE19720308C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Detektion von Fehlern nach Größe und Art auf der Oberfläche eines bewegten Materials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Detektion von Fehlern nach Größe und Art auf der Oberfläche eines bewegten Materials, beispielsweise eines endlosen Mate­ rialbandes.

Vorrichtungen zur Überprüfung der Qualität von produzierten end­ losen Materialbändern sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Bei diesen Vorrichtungen kommt es darauf an, einerseits die Existenz von Fehlern auf der Oberfläche zu detektieren und andererseits die Fehler nach Größe und Art zu klassifizieren, um so eine Aussage über die Qualität und Verwendbarkeit des produ­ zierten endlosen Materialbandes machen zu können. Die Klassifi­ zierung der Fehler hat den Sinn, eine Aussage über die Verwend­ barkeit des Materialbandes trotz festgestellter Oberflächenfeh­ ler machen zu können.

Materialbänder, deren Oberfläche lückenlos überprüft werden sollen, können verschiedenster Art sein, beispielsweise zu Coils aufgewickelte Stahlbleche oder Rollfilme für fotografische Auf­ nahmen.

Bekannte Vorrichtungen zur Oberflächeninspektion weisen einen Laser auf, dessen von der Oberfläche reflektierter Strahl über bewegliche Spiegel auf eine Fotozelle gelangt. In einer Weiter­ entwicklung wird gleichzeitig eine Linie der Oberfläche des Ma­ terials beleuchtet und die beleuchtete Linie mit einer Zeilen­ kamera aufgenommen.

Es ist ferner bekannt, die von einer Strahlungsquelle bestrahlte Oberfläche des bewegten endlosen Bandes mit einer Matrixkamera aufzunehmen. Um dabei das unmittelbare reflektierte Licht zu er­ fassen, kann die Matrixkamera relativ zur Strahlungsquelle so angeordnet sein, daß für die von der Strahlungsquelle ausge­ sandte und zur Matrixkamera gelangende Strahlung an der Ober­ fläche die Bedingung "Einfallswinkel = Ausfallswinkel" gilt. In diesem Fall detektiert die Matrixkamera das Hellfeld auf der Oberfläche des bewegten Materialbandes.

Es ist ferner bekannt, die Matrixkamera so anzuordnen, daß die Reflektionsbedingung nicht erfüllt ist, so daß die Matrixkamera nur Licht aufnehmen kann, das von der Materialoberfläche so re­ flektiert wird, daß die optimalen Reflektionsbedingungen für eine fehlerfreie und hochreflektierende Oberfläche nicht erfüllt sind. Für eine fehlerfreie und hochreflektierende Oberfläche entsteht in der so angeordneten Matrixkamera kein Bild, so daß die Matrixkamera auf das Dunkelfeld der Oberfläche gerichtet ist. Von Fehlern an der Oberfläche gestreutes Licht kann von der Dunkelfeldkamera aufgenommen werden, so daß Fehler als helle Flecken detektierbar sind, während Fehler in der Hellfeldkamera durch verminderte Intensitäten gekennzeichnet sind.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Hellfeld- und Dunkel­ feldbeleuchtungen miteinander zu kombinieren, da manche Fehler im Dunkelfeld besser zu detektieren sind als im Hellfeld und umgekehrt. Die Realisierung von Dunkelfeld- und Hellfeldbeleuch­ tung ist entweder mit zwei Strahlungsquellen und einer Kameraan­ ordnung oder mit einer Strahlungsquelle und zwei Kameraanordnun­ gen realisiert worden.

Es hat sich gezeigt, daß mit den bekannten Vorrichtungen eine größere Anzahl von Fehlerarten nicht detektierbar ist und/oder Pseudofehler detektiert werden. Die detektierten Fehler sind nur in einem sehr begrenzten Umfang mit einiger Zuverlässigkeit klassifizierbar.

Aus der DE 32 32 885 A1 ist ein Verfahren zur automatischen Prü­ fung von Oberflächen bekannt, bei dem ein gerichteter kohärenter Laserstrahl punktförmig über die Oberfläche eines ruhenden Werk­ stücks geführt wird. Parallel zur Einfallsrichtung reflektiertes Licht wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel im Brennpunkt einer Fokussierlinse abgebildet, wo ein "Hellfeld"-Detektorele­ ment angeordnet ist. Ringförmig um dieses Detektorelement sind "Dunkelfeld"-Detektorelemente angeordnet, die zur Messung von unter geeigneten Winkeln an Unebenheiten der Werkstückoberfläche reflektierten Strahlen dienen.

Die DE 36 37 477 A1 offenbart ebenfalls eine Laserabtastung einer Werkstückoberfläche, die auf einem Werkstückträger gedreht oder verschoben werden kann. Das gerichtete Laserlicht fällt unter einem spitzen Winkel auf die Werkstückoberfläche und wird senkrecht zur Werkstückoberfläche detektiert, so daß ausschließ­ lich eine Dunkelfelddetektion erfolgt. Dabei können mehrere La­ serquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen und unterschied­ lichen Einfallswinkeln verwendet werden, um weitere Informatio­ nen über die bei der Dunkelfelddetektion detektierten Unebenhei­ ten zu erhalten. Die Trennung der Signale der unterschiedlichen Laserquellen kann durch unterschiedliche Impulsbetriebe oder unterschiedliche Wellenlängen erfolgen.

Schließlich ist aus der DE-AS 11 20 750 noch bekannt, einen ge­ richteten Lichtstrahl über einen seitlichen Bereich einer Zylin­ derlinse auf eine Werkstückoberfläche abzubilden, so daß das Licht unter einem Winkel auf die Werkstückoberfläche fällt. Das in demselben Winkel an Unebenheiten reflektierte Licht wird mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels ausgekoppelt und detek­ tiert. Ebenfalls kann das an der ebenen Oberfläche reflektierte Licht über den anderen seitlichen Bereich der Zylinderlinse auf einen Detektor geleitet werden, so daß aus dem Beleuchtungs- Lichtstrahl sowohl eine Hellfeld- als auch eine Dunkelfelddetek­ tion vorgenommen wird.

Die vorbeschriebenen Anordnungen weisen alle die oben erwähnten Nachteile auf.

Die vorliegende Erfindung geht daher von der Problemstellung aus, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine Verbesserung der Fehlerdetektion und der Klassifizier­ barkeit der Fehler nach Größe und Art erreichbar wird.

Ausgehend von dieser Problemstellung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs erwähnten Art folgende Merkmale auf:

• - eine als Quelle für diffuse Strahlung ausgebildete erste Strahlungsquelle für ein Hellfeld
• - eine als Quelle für eine gerichtete Strahlung ausgebildete zweite Strahlungsquelle für ein Dunkelfeld
• - die Ausstrahlung durch die beiden Strahlungsquellen erfolgt in voneinander separierter Form
• - separate Matrixkameras für den Empfang von aus dem Dunkel­ feld einerseits und aus dem Hellfeld andererseits reflek­ tierter Strahlung
• - beide aus Strahlungsquelle und Matrixkamera gebildeten Be­ obachtungssysteme für das Hellfeld oder das Dunkelfeld sind für eine Impulsbeobachtung eingerichtet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Kombination einer Hellfeld- und einer Dunkelfeldbeleuchtung bei der Auswer­ tung durch Matrixkameras nur dann die angestrebte Detektion we­ nigstens nahezu aller Fehlerarten ermöglicht, wenn für die Hell­ felddetekion und für die Dunkelfelddetektion sowohl separate Strahlungsquellen als auch separate Matrixkameras verwendet wer­ den. Dabei wird erfindungsgemäß die Hellfeldbeleuchtung nicht mit einer gerichteten sondern mit einer diffusen Strahlungs­ quelle durchgeführt, während die Dunkelfeldbeleuchtung mit ge­ richteter Strahlung erfolgt. Nur auf diese Weise sind bestimmte Fehlertypen detektierbar. Beide Beobachtungssysteme arbeiten im Impulsbetrieb mit vorzugsweise sehr kurzen Beobachtungsimpulsen, so daß sich eine stroboskopartige Beobachtung ergibt. Hierzu kann die jeweilige Strahlungsquelle, vorzugsweise beide Strah­ lungsquellen, im Impulsbetrieb arbeiten. Alternativ hierzu kann auch eine Dauerbeleuchtung vorgesehen werden und die Beobach­ tungsimpulse durch kurze Verschlußzeiten der zugehörigen Matrix­ kamera realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Separierung der Strahlung der beiden Strah­ lungsquellen kann durch eine räumliche Trennung von Hellfeld und Dunkelfeld erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Separierung, ggf. zusätzlich, dadurch vorzunehmen, daß die Strahlungsquellen die Strahlungsimpulse zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden.

Die erfindungsgemäße Kombination von Maßnahmen erlaubt erstmalig eine Fehlerdetektion auf der Oberfläche auch von schnell beweg­ tem Material mit einer hohen Zuverlässigkeit unter Vermeidung von Fehldetektionen und mit einer bisher nicht erreichten Klas­ sifizierbarkeit der Fehler nach Größe und Art.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sendet die eine Strahlungsquelle, vorzugsweise die für das Hellfeld, im wesentlichen sichtbares Licht und die andere Strahlungsquelle, vorzugsweise die für das Dunkelfeld, Strahlung im Infrarot- Wellenlängenbereich aus. Die Matrixkameras für das Hellfeld und das Dunkelfeld sind dabei für den jeweiligen Wellenlängenbereich besonders empfindlich und können mit entsprechenden Filtern zur Herabsetzung einer gegenseitigen Beeinflussung verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Fehlerdetektion gestaltet sich besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Sensoren für die Erfassung der Geschwindigkeit des bewegten Materials und mit einer Steuerung zur Synchronisation der Matrixkameras und/ oder der Strahlungsquellen mit der Geschwindigkeit des Materials versehen ist. Hierdurch wird nicht nur die Lokalisierbarkeit von detektierten Fehlern verbessert sondern auch eine etwaige Dop­ peldetektion von Fehlern vermieden, indem sichergestellt wird, daß keine überlappenden Bereiche ausgewertet werden, ohne die Überlappung erkannt zu haben. Durch die erfindungsgemäße Synchronisation der Bildaufnahme mit dem bewegten Materialband kann sichergestellt werden, daß die Auswertung von überlappenden Bereichen vollständig unterbleibt.

Die Matrixkameras für die Beobachtung des Dunkelfelds einerseits und des Hellfelds andererseits können jeweils durch eine Mehr­ zahl von zu einem Array zusammengestellten Einzelkameras gebil­ det sein, die für relativ breite Materialbänder, wie Stahlbän­ der, nebeneinander angeordnet sein können, um die Materialbänder auf der gesamten Breite mit einer hohen Auflösung zu beobachten. Eine Anordnung der Einzelkamera in Transportrichtung hinterein­ ander kann für hohe Transportgeschwindigkeiten sinnvoll sein. Die Kombination der Ausgangsdaten der verschiedenen Kameras ei­ nes Kamera-Arrays erfolgt durch eine geeignete Software.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zei­ gen:

Fig. 1 - eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit einer kompletten räum­ lichen Trennung der Hellfeld- und der Dunkelfeld­ beobachtung

Fig. 2 - eine schematische Darstellung einer räumlich zu­ sammengefaßten, dennoch separaten Dunkelfeld- und Hellfeldbeleuchtung und -beobachtung

Fig. 3 - ein Zeitdiagramm für die Aussendung von Hellfeld- und Dunkelfeldstrahlungsimpulsen

Fig. 4 - ein Diagramm für die Wellenlängen der Hellfeld­ strahlungsquellen und der Dunkelfeldstrahlungs­ quellen.

Fig. 1 zeigt ein Materialband 1, das zwischen Transport- und Führungsrollen 2 mit ggf. hoher Geschwindigkeit in Längsrichtung des Materialbandes 1 transportiert wird. Eine mechanische Anord­ nung 3 einer Vorrichtung zur Oberflächeninspektion ist in Fig. 1 nur schematisch als Kasten dargestellt und dient zur Befesti­ gung der nachstehend erläuterten Komponenten.

Eine erste Strahlungsquelle 4 ist mit einer Mattscheibe zur Aus­ sendung eines diffusen Lichts versehen, das demgemäß in unter­ schiedlichen Richtungen auf die Oberfläche des Materialbandes 1 fällt. Die erste Strahlungsquelle 4 ist für sichtbares Licht ausgelegt und so ausgerichtet, daß die mittlere Einfallsrichtung des diffus ausgestrahlten Lichts einem Ausfallswinkel ent­ spricht, in dem die optischen Achsen von Matrixkameras 5 ausge­ richtet sind. Die Matrixkameras 5 sind über die Breite des Mate­ rialbandes 1 nebeneinander angeordnet und dienen aufgrund der Ausrichtung ihrer optischen Achsen zur Beobachtung eines Hell­ felds 6, das durch die diffus aussendende Strahlungsquelle 4 auf der Oberfläche des Materialbandes 1 erzeugt wird.

In Förderrichtung stromaufwärts oder stromabwärts befindet sich eine zweite Strahlungsquelle 7 zur Aussendung von Infrarot- Strahlungsimpulsen, die so ausgerichtet sind, daß ihre Strahlung schräg auf die Oberfläche des Materialbandes 1 fällt und dort ein Dunkelfeld 8 erzeugt. Die Strahlung der Strahlungsquellen 7 ist gerichtet also im wesentlichen eine parallele Strahlung. Das Dunkelfeld 8 wird von nebeneinander angeordneten Matrixkame­ ras 10 für das Dunkelfeld 8 beobachtet, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Materialbandes 1 oberhalb des Dunkelfeldes 8 angeordnet sind. Selbstverständlich sind auch andere Beobachtungsrichtungen für die Kameras 10 möglich, die deutlich außerhalb des zum Einfalls­ winkel gehörenden Ausfallswinkel liegen. Bevorzugt ist jedoch die Anordnung der Kameras 10 senkrecht zur Oberfläche des Mate­ rialbandes 1.

Fig. 1 läßt erkennen, daß die Strahlungsquelle 7 und die Kame­ ras 10 für das Dunkelfeld 8 räumlich getrennt von der Anordnung der Strahlungsquelle 4 und der Kameras 5 für das Hellfeld 6 an­ geordnet sind.

Die Strahlungsquellen 4, 7 sind zur Aussendung von Strahlungs­ impulsen, also Strahlungsblitzen, ausgebildet. Die Aussendung wird durch eine Beleuchtungssteuerung 11 gesteuert, die vorzugs­ weise an (nicht dargestellten) Sensoren für die Ermittlung der Bandgeschwindigkeit des Materialbandes 1 angeschlossen ist und eine Synchronisation der Strahlungsquellen 4, 7 mit der Ge­ schwindigkeit des Materialbandes 1 bewirkt. Für einen Impulsbe­ trieb der Strahlungsquellen 4, 7 nimmt die Beleuchtungssteuerung 11 auch eine Synchronisation der Kameras 5, 10 mit den Impulsen der Strahlungsquellen 4, 7 vor.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das von der ersten Strahlungsquelle 4 erzeugte Hellfeld 6 und das von der zweiten Strahlungsquelle 7 erzeugte Dunkelfeld 8 weitgehend zusammenfal­ len. Die zum Hellfeld 6 gehörenden Strahlengänge sind in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien, die zum Dunkelfeld 8 gehörenden Strahlengänge gestrichelt dargestellt. Das Hellfeld 6 wird von der Kamera 5 beobachtet, deren optische Achse in der zum mitt­ leren Einfallswinkel der von der ersten Strahlungsquelle 4 aus­ gehenden Strahlung gehörenden Ausfallswinkel liegt. Fig. 2 ver­ deutlicht ferner, daß die erste Strahlungsquelle 4 diffuses Licht ausstrahlt, so daß sich der Strahlenkegel zum Materialband 1 hin erweitert.

Die Strahlung der Strahlungsquellen 7 für das Dunkelfeld 8 ist demgegenüber parallelisiert, also gerichtet, und fällt unter einem geringeren Winkel als der mittlere Einfallswinkel der Strahlung der ersten Strahlungsquelle 4 auf das Materialband 1. Die Beobachtung des Dunkelfelds 8 erfolgt durch Matrixkameras 10, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Material­ bandes 1 oberhalb des Dunkelfeldes 8 angeordnet sind.

Die zeitlich separierte Aussendung von Strahlungsimpulsen der Strahlungsquellen 4 bzw. 7 wird anhand von Fig. 3 erläutert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden Hellfeldblitze 13 der ersten Strahlungsquelle 4 mit einer geringeren Intensität als Dunkelfeldblitze 14 der zweiten Strahlungsquelle 7 ausge­ sandt. Innerhalb der Bildwechselperiode T der Kameras 5, 10 wer­ den drei zeitlich gleich beabstandete Hellfeldblitze 13, aber nur zwei Dunkelfeldblitze 14 ausgesandt. Die Aussendung der Hellfeldblitze 13 und der Dunkelfeldblitze 14 ist also mit der Bildwechselfrequenz T synchronisiert, vorzugsweise erfolgt eine Synchronisation der Strahlungsquellen 4, 7 und der Kameras 5, 10 mit der Transportgeschwindigkeit des Materialbandes 1. Die An­ zahl der Blitze 13, 14 richtet sich nach der für die zu detek­ tierenden Fehlerklassen benötigten Auflösung.

Fig. 4 verdeutlicht, daß die Hellfeldblitze 13 mit einer gerin­ geren Intensität im sichtbaren Wellenlängenbereich um 400 nm ausgesandt werden, während die Dunkelfeldblitze 14 mit einer höheren Intensität, aber schmalbandiger, im Infrarotbereich um 800 nm gebildet werden. Zwischen den von den beiden Blitzen 12, 13 belegten Wellenlängen befindet sich ein erheblicher Abstand, so daß Hellfeldblitze 13 und Dunkelfeldblitze 14 durch Filter vor den Kameras 5, 10 bequem voneinander getrennt werden können. Dies ist naturgemäß von besonderer Bedeutung, wenn gemäß Fig. 2 Hellfeld 6 und Dunkelfeld 8 räumlich zusammenfallen oder einan­ der überlappen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auch zur kontinuier­ lichen Fehlerdetektion auf vorgeförderten endlichen Material­ platten einsetzen, wobei es sinnvoll sein kann, die Position der Materialplatte zu detektieren, um nur Fehler auf der Material­ oberfläche zu erkennen. Dabei ist auch eine Fehlerdetektion auf vorgeformten Materialplatten möglich.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Detektion von Fehlern nach Größe und Art auf der Oberfläche eines bewegten Materials (1) mit folgenden Merkmalen:

• 1. eine als Quelle für diffuse Strahlung ausgebildete erste Strahlungsquelle (4) für ein Hellfeld (6)
• 2. eine als Quelle für eine gerichtete Strahlung ausge­ bildete zweite Strahlungsquelle (7) für ein Dunkelfeld (8)
• 3. die Ausstrahlung durch die beiden Strahlungsquellen (4, 7) erfolgt in voneinander separierter Form
• 4. separate Matrixkameras (5, 10) für den Empfang von aus dem Dunkelfeld (8) einerseits und aus dem Hellfeld (6) andererseits reflektierter Strahlung
• 5. beide aus Strahlungsquelle (4, 7) und Matrixkamera (5, 10) gebildeten Beobachtungssysteme für das Hellfeld (6) oder das Dunkelfeld (8) sind für eine Impulsbe­ obachtung eingerichtet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Dunkelfeld (8) und das Hellfeld (6) räumlich voneinander getrennt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Aussendung durch die beiden Strahlungsquellen (4, 7) in zeitlich und/ oder wellenlängenmäßig separierter Form erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die eine Strahlungs­ quelle (4) überwiegend sichtbares Licht und die andere Strahlungsquelle (7) Infrarotstrahlung aussendet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Sensoren für die Erfassung der Geschwindigkeit des bewegten Ma­ terials (1) und mit einer Steuerung (11) zur Synchronisa­ tion der Matrixkameras (5, 10) und/oder der Strahlungsquel­ len (4, 7) mit der Geschwindigkeit des Materials (1).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der we­ nigstens eine Strahlungsquelle (4, 7) für einen Impulsbe­ trieb eingerichtet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der wenigstens eine Strah­ lungsquelle (4, 7) Strahlungsimpulse (13, 14) mit einer Dauer zwischen 5 und 50 µs aussenden.