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Bei
der vorliegenden Erfindung auf dem Gebiet der Lichttechnik handelt
es sich um eine Beleuchtungseinrichtung, welche die visuelle Beurteilung
der Oberflächenqualität bestimmter
flacher Materialien ermöglicht.
Sie besteht aus einem speziell berechnetem Reflektor und einem dazu
passend angeordnetem Leuchtmittel.
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Das
Licht wird derartig fokussiert, dass sich die Strahlen nach der
weiteren Reflexion durch die zu prüfende Fläche in einem Punkt, nämlich dem
sog. Augenpunkt des Betrachters, gebündelt wird. Dadurch können Oberflächenfehler
bestimmter Materialien besonders schnell und sicher erkannt werden.
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Die
Erfindung dient somit als Arbeitsplatzbeleuchtung für die visuelle
Qualitätskontrolle.
Anstelle des Betrachters kann auch eine Kamera treten, so dass die
Fehlersuche entweder an einem Bildschirm oder aber vollautomatisch
durch eine entsprechende EDV-Software vorgenommen werden kann.
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Stand der
Technik
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Bei
der Beurteilung der Produktionsqualität von Materialen, deren Güte anhand
der Beschaffenheit ihrer Oberfläche
bestimmt wird, bedient man sich in der Industrie häufig der
Technik des sog. Ausspiegelns. Dabei wird der Prüfling so gegen eine helle Lichtquelle
gehalten (Fenster, Deckenstrahler), dass sich auf der Oberfläche die
Spiegelung der Lichtquelle abzeichnet. In diesem Bereich sind bestimmte Fehler,
die sonst nicht auffallen, besonders gut zu erkennen.
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Die
Größe dieser
Reflexionen ist jedoch begrenzt, was bedeutet, dass der Prüfling bewegt
werden muss, wenn der Betrachter die gesamte Oberfläche beurteilen
möchte.
Dies geschieht wegen der notwendigen Ausrichtung in der Regel von
Hand. Dadurch ist der Anwendungsbereich auf kleine Einzelteile oder
stichprobenartige Ausschnitte aus Bandware etc. beschränkt. Häufig wird
diese Technik deshalb auch nur als Improvisation außerhalb
des eigentlichen Kontrollprozesses bei Grenzfällen oder Nachkontrollen angewandt.
Nicht jedoch können
so automatisch transportierte Bandmaterialen wie Metalle und Folien
während
des laufenden Produktionsprozesses begutachtet werden. Dies wird
erstmals durch die vorliegende Erfindung ermöglicht.
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Beschreibung, Vorteile
und Anwendung der Erfindung
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Durch
die Stauchung lässt
sich das Licht in einem Punkt, dem Augenpunkt bündeln.
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Dem
Schutzanspruch 1 liegt das Problem zugrunde, dass Oberflächenfehler
auf bestimmten Materialien während
des automatischen Transports nicht sicher erkannt werden können. In
besonders kritischen Fällen
werden stichprobenartige Nachkontrollen gemacht.
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Dieses
Problem wird wie folgt gelöst:
Der
erfindungsgemäße Aufbau
ermöglicht
die Einrichtung einer Arbeitsplatzbeleuchtung mit einer speziellen
Anordnung des Leuchtmittels, des Reflektors, der Prüffläche und
des Betrachters zueinander. Durch die in Schutzanspruch 1 genannten
Merkmale lässt
sich die Beleuchtungseinrichtung so einstellen, dass sich die von
ihr abgegebenen Lichtstrahlen im Augenpunkt des Bedieners bündeln.
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Dadurch
stellt sich der gewünschte
Effekt des großflächigen Ausspiegelns
ein.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Prinzip wird im Querschnitt durch 1 anschaulich
dargestellt. Ein im Querschnitt (gedachtes) punktförmiges Leuchtmittel
emittiert Lichtstrahlen. Diese werden durch einen konkaven Reflektor
auf die Prüffläche gerichtet,
und zwar so, dass sie nach dieser zweiten Reflexion sich in einem
Punkt treffen. Dies ist der Augenpunkt, also die Position des Auges
des Betrachters bzw. der Kamera. Der Augenpunkt des Betrachters
ergibt sich aus der Vorgabe einer Stand- bzw. Sitzposition und seiner
Körpergröße. Mathematisch gesehen
handelt es sich um ein ursprünglich
paralleles Strahlenbündel,
welches leicht fokussiert wird, so dass sich die Strahlen auch ohne
weitere Reflexion in einem Punkt treffen würden. Somit kann die Ermittlung
der notwendigen Einstellungen in der Regel über die Beziehung „Einfallswinkel
gleich Ausfallswinkel" erfolgen.
Manche Materialien haben jedoch reflexionsrichtungsverändernde
Eigenschaften, welche sich aus den mikroskopischen Bergen und Tälern in
der Oberflächenbeschaffenheit
ergeben (z. B. bei Metallen durch eine bestimmte Walzrichtung erzeugt).
Daneben gibt es sog. retroreflektierende Oberflächen für bestimmte Anwendungsbereiche, bei
denen das einfallende Licht zum Großteil in dieselbe Richtung
wieder zurückgeworfen
wird. Dies geschieht durch eine mehrfache Umlenkung innerhalb der
Beschichtung dieser Oberflächen.
Für diese
Materialien mit nicht spiegelartiger Topologie müssen die Einstellungen individuell,
d. h. gegebenenfalls auch durch Versuche, ermittelt werden.
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Dieses
im Querschnitt aufgezeigte Prinzip wird durch translatorische Verschiebung
in die Länge gezogen,
so dass sich ein stabförmiges
Leuchtmittel und ein flächig
abstrahlender Reflektor (etwa ein konkav gewölbtes Blech) ergeben.
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Bei
entsprechenden Abmessungen der Einrichtung kann somit die gesamte
Breite eines Produktionsbandes erfindungsgemäß beleuchtet werden.
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Dadurch
findet diese zuverlässige
Fehlererkennungsmethode erstmalig Anwendung bei bewegtem Flachmaterial.
Die Oberflächenfehler
können schnell
und sicher während
des Produktionsprozesses (z. B. direkt nach der Erzeugung oder weiteren Bearbeitung)
erkannt werden. Durch die Kontrolle im Prozess wird Arbeitszeit
und Kapazität
eingespart. Zudem kann – im
Gegensatz zur nachträglichen Stichprobenkontrolle – die gesamte
Fläche
begutachtet werden.
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Diese
Hundertprozentkontrolle hat weitere Vorteile:
Erstens kann
eine lückenlose
Dokumentation erstellt werden, in der zu jedem Fehler die Art und
Position angegeben wird. Dies kann sowohl manuell als auch automatisch
geschehen (bei der Verwendung von Kameras und EDV).
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Zweitens
lassen bestimmte Fehleranhäufungen
auf bestimmte Fehlerursachen schließen. Erkennt man diese bereits
im Prozess, kann die Produktion unterbrochen und die Ursache sofort
beseitigt werden. Bei der nachträglichen
Kontrolle würde die
Ursache viel zu spät
entdeckt werden. Man vermeidet also die Produktion erheblicher Mengen
Ausschuss und schont somit die Kapazität eines Werkes.
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Drittens
besteht die Möglichkeit,
frühzeitig vielfältige Entscheidungen über die
weitere Verwendung zu treffen. So ist denkbar, dass ein Band ab
einer bestimmten Fehlerquote als B-Ware klassifiziert wird, so dass hier
Reklamationen kritischer Abnehmer vermieden werden. Oder es stellt
sich heraus, dass bei einem breiten Band Fehler nur einseitig auftreten.
In diesem Fall kann sofort veranlasst werden, dass in einem nachgelagerten
Schritt dieser Bereich abgeschnitten wird, so dass sich ein schmales
Band erster Güte
ergibt. Bei der nachträglichen
Kontrolle lassen sich die beiden genannten Feststellungen nicht
oder nur mit erheblichem Aufwand treffen, so dass entweder fehlerhaftes
Material ausgeliefert würde
oder aber nur teilweise fehlerhaftes Material vollständig entsorgt
würde,
ohne den fehlerfreien Anteil zu nutzen.
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Dem
Schutzanspruch 2 liegt das Problem zugrunde, dass die vom Auge aufzunehmende
Lichtmenge je nach Reflexionsgrad des Prüflings variiert. Dadurch kann
es zu unterschiedlichen Bewertungen und Kontrollergebnissen bei
Oberflächen
mit ansonsten gleichen Eigenschaften und gleicher Güte kommen.
Außerdem
besteht die Gefahr einer zu starken Blendung des Betrachters bei
glänzenden
Oberflächen.
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Diese
Probleme werden durch die in Schutzanspruch 2 erwähnte Dimmvorrichtung
des Leuchtmittels gelöst.
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Dadurch
kann die Lichtmenge der Umgebung, dem Material und den persönlichen
Vorlieben des Betrachters angepasst werden, um das Auge zu entlasten
und gleichzeitig die Effizienz des Kontrollverfahrens zu erhöhen.
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Dem
Schutzanspruch 3 liegt das Problem zugrunde, dass beim Blick in
eine Lichtquelle wegen der im Vergleich zur Umgebung sehr hohen
Leuchtdichte regelmäßig Blendung
auftritt. Dies führt
zur Verminderung der Schleistung. Denn beim kurzzeitigen, unbeabsichtigten
Blick in die Lichtquelle wird das Auge irritiert und es versucht
sich den hohen Leuchtdichteunterschieden anzupassen. Konzentriertes
Sehen ist dann für
eine gewisse zeit nicht möglich.
Fällt jedoch
bei der konzentrierten Betrachtung eines Prüflings permanent auch direktes
Licht in das Auge, wird es aufgrund der Reflexion im Augapfel zu
Streulicht und beeinträchtigt
folglich die Fähigkeit,
feine Kontrastunterschiede wahrzunehmen.
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Beim
herkömmlichen
Verfahren des Ausspiegelns lässt
sich die Blendung oft nicht vermeiden, da ja der Prüfling bewusst
in Richtung einer starken Lichtquelle gehalten wird und somit ihr
direktes Licht die Ausspiegelung überlagern kann.
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Dieses
Problem wird durch die in Schutzanspruch 3 erwähnte Abschirmung des Leuchtmittels gegen
den direkten Einblick des Betrachters gelöst. Die Abschirmung kann sich
sowohl in direkter Nähe zum
Leuchtmittel als auch am Reflektor angebracht befinden.
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Dadurch
wird gewährleistet,
dass das von der Lichtquelle ausgehende Licht das Auge des Betrachters
nur kontrolliert über
den Reflektor und den Prüfling
erreicht und demzufolge die Lichtmenge aufgrund des Verfahrens nach
Schutzanspruch 2 regulierbar ist.
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Dem
Schutzanspruch 4 liegt das Problem zugrunde, dass eine Überlagerung
des auf die Prüffläche einfallenden,
bereits umgelenkten und gerichteten Lichtes mit direktem, nicht
gerichtetetem Licht ein nicht erfindungsgemäßes Mischlicht entsteht.
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Dieses
Problem wird durch eine Abschirmung der Prüffläche gegen direktes Licht des
Leuchtmittels gemäß Schutzanspruch
4 gelöst.
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Dadurch
wird der beabsichtigte Effekt der Erfindung, Fehler auf Oberflächen sichtbar
zu machen, nicht durch Überlagerung
mit direktem Licht gestört.
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Dem
Schutzanspruch 5 liegt das Problem zugrunde, dass die mathematische
Beziehung zwischen Leuchtmittel und Reflektor annähernd durch einen
Parabelabschnitt beschrieben wird, welcher den Reflektor darstellt
und bei dem das Leuchtmittel im Fokus liegt.
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Damit
sich der erfindungsgemäße Effekt
einstellt, muss diese Parabel in Abhängigkeit von der Position der
Prüffläche und
des Betrachters noch etwas gestaucht werden. Dadurch ergibt sich
in der Praxis eine glockenförmige
Bauform, de unter Umständen
recht viel Platz in Anspruch nehmen kann.
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Dieses
Problem wird durch die Aufteilung des Reflektors in mehrere Teilflächen nach
Schutzanspruch 5 gelöst.
Da jede Lamelle ihre eigene Reflexion aufbaut, kann man auch bei
einem weniger stark gekrümmten
Reflektor die Lamellen so einstellen, dass der erfindungsgemäße Effekt
erreicht wird. Dazu muss der jeweilige Winkel jeder einzelnen Lamelle
in Abhängigkeit
von der Position des Leuchtmittels, der Prüffläche und des Betrachters ermittelt werden.
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Dadurch
wird der Einbauraum der Einrichtung wesentlich kompakter bei gleicher
Funktionalität.
Die erfindungsgemäße Anlage
lässt sich
demzufolge auch bei beengten Platzverhältnissen einbauen.
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Dem
Schutzanspruch 6 liegt das Problem zugrunde, dass unkontrolliertes
Fremdlicht beim Einfall in das Auge des Betrachters zu Blendung
des Betrachters oder bei Einfall auf die Prüffläche zur Überlagerung mit dem Licht der
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
führen
kann, wodurch die konzentrierte Fehlererkennung erschwert wird.
Zudem ist dieses Fremdlicht, gerade wenn es sich um Tageslicht handelt,
meistens häufigen
Schwankungen in Bezug auf die Einfallsrichtung und Intensität unterworfen.
Dadurch entstehen ständig
wechselnde Lichtbedingungen, auf die sich das Auge ständig anpassen
muss und die die Kontrollergebnisse permanent, jedoch immer andersartig,
verfälschen.
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Dieses
Problem wird durch eine geeignete Umhausung des Arbeitsraumes nach
Schutzanspruch 6 gelöst.
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Dadurch
werden im für
die Kontrolle relevanten Arbeitsbereich konstante Lichtverhältnisse
geschaffen. Folglich sind die Inspektionsergebnisse unabhängig vom
Zeitpunkt der Kontrolle immer vergleichbar. Es wird sichergestellt,
dass den Betrachter nur das von ihm regelbare Licht der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
erreicht.
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Dem
Schutzanspruch 7 liegt das Problem zugrunde, dass bestimmte Produktionsbereiche,
an denen eine Kontrolle eigentlich erforderlich wäre, aus ergonomischen
Gründen
für die
visuelle Betrachtung ungeeignet sind. Dies gilt besonders für Bereiche
mit hoher Lärm-
oder Schadstoffbelastung, unbehaglichen Temperaturen oder beengten
Platzverhältnissen,
an denen der dauerhafte Aufenthalt einem menschlichen Betrachter
nicht zuzumuten ist.
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Dieses
Problem wird durch den Einsatz von Kameras anstelle des menschlichen
Betrachters nach Schutzanspruch 7 gelöst. Die Kameras können ihre
Bilder auf einen Monitor an einem ergonomischeren Arbeitsplatz übertragen,
wo sie wieder von einem menschlichen Betrachter ausgewertet werden.
Oder es erfolgt eine Anbindung an ein automatisches Fehlererkennungssystem,
welches die Auswertung und Dokumentation EDV-gestützt vornimmt.
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Dadurch
kann auch in Bereichen kontrolliert werden, welche normalerweise
nicht oder nur schwer zugänglich
sind. Die Abnehmer der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
werden somit freier in der Entscheidung, an welcher Stelle in der
Prozesskette eine Qualitätskontrolle
der Produktion sinnvoll und umsetzbar ist.
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Im
Folgenden soll die Anwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
anhand eines Inspektionsarbeitsplatzes an einer Produktionslinie
für emailliertes
Stahlband erläutert
werden (2).
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Der
Arbeitsplatz wird unmittelbar nach dem letzten Beschichtungsvorgang
und vor dem Zuschnitt in die vom Anwender gewünschten Blechtafelgrößen eingerichtet.
Die Bandführung
ist horizontal. Ziel ist es, fehlerhafte Bereiche als Ausschuss
zu markieren, so dass sie an der Scheranlage direkt aussortiert werden
können.
Dadurch wird vermieden, dass Tafeln mit mangelhafter Oberfläche weiter
transportiert, bearbeitet oder gar an den Kunden ausgeliefert werden.
Somit wird die Kapazität
geschont und Reklamationen werden vermieden. Vielmehr stehen die fehlerhaften
Tafeln sofort als Analyseobjekt bei der kontinuierlichen Prozessverbesserung
zur Verfügung.
Bei Fehleranhäufungen
soll zusätzlich
sofort ein Warnhinweis an die Produktion gehen, damit direkt eingegriffen
werden kann und so weiterem Ausschuss vorgebeugt wird.
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Es
soll eine visuelle Kontrolle stattfinden. Dem Bediener wird dafür eine Arbeitsbühne quer über dem
Band eingerichtet. Dadurch kann er die gesamte Breite des Bandes
abgehen und inspizieren. Die Bühne
erhält
nach vorne und hinten je ein Sicherheitsgeländer, auf das sich der Bediener
auch abstützen
kann.
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Die
Transportrichtung des Bandes zeigt vom Betrachter weg, was die dauerhafte
Konzentration weniger beansprucht, als wenn das Band dem Betrachter
entgegenkommt.
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Die
Beleuchtungseinrichtung wird so berechnet, dass die Breite der zum
Ausspiegeln ausgeleuchteten Fläche
der Bandbreite entspricht. Die Tiefe entspricht der Strecke, welche
das Band bei maximaler Geschwindigkeit in einer Sekunde zurücklegt. Dies
ist für
einen geübten
Bediener ausreichend Zeit, einen Fehler zu entdecken.
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Der
Bediener erhält
eine Handsteuerung, mit der er bei Bedarf die Bandgeschwindigkeit
verlangsamen kann. Damit dies keine Beeinträchtigung der Produktionsgeschwindigkeit
zur Folge hat, wird die sich anhäufende
Bandlänge
in einem Spooler zwischengespeichert. In dem Spooler wird das Band nicht
horizontal, sondern vertikal im Zickzack geführt, dabei driften die Umlenkrollen
zunehmend auseinander, um die Speicherkapazität nach und nach zu erhöhen. Nachdem
der schwierige Abschnitt durchlaufen ist, muss der Spooler mit Aufholgeschwindigkeit entleert
werden.
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Die
Handsteuerung verfügt
auch über
zwei Tasten, über
die der Bediener dem System den Beginn und Ende eines Fehlerbereichs
mitteilen kann. Dazu befindet sich vom Betrachter aus gesehen ziemlich
am Ende der ausgeleuchteten Strecke eine Markierung. Wenn der Anfang
bzw. das Ende diese Markierung erreichen, werden die entsprechenden Tasten
gedrückt
und die Maschinensteuerung ermittelt anhand der Bandgeschwindigkeit,
wann sich der so abgesteckte Fehlerbereich an der Scheranlage befindet.
Diese erhält
einen Impuls, die aus dem fehlerhaften Material geschnittenen Tafeln
auszusortieren.
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Der
erfindungsgemäße Effekt
der beschriebenen Beleuchtungseinrichtung lässt sich somit zur Qualitätsverbesserung,
Kosteneinsparung und Imageverbesserung beim Kunden industrieller
Fertigungsbetriebe einsetzen.