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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur schnellen und sicheren Messung von Verzerrungsfehlern in einem produzierten Floatglas-Band. Es ist hierbei eine ganzflächige Messung der Dicken- und der Brechkraft-Variation möglich.
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Zum Stand der Technik sind aus der Patentschrift
EP 1 288 651 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von optischen Fehlern bekannt. Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geht hierbei aus von einer Vorrichtung zur Ermittlung von optischen Fehlern, insbesondere der Brechkraft, in großflächigen Scheiben aus einem transparenten Werkstoff wie Glas mittels einer Auswertung des beobachteten Bildes, umfassend die folgenden Merkmale:
Eine Lichtquelle zum Projizieren eines definierten Musters aus regelmäßigen Sequenzen, wobei die Sequenzen wenigstens zwei unterschiedliche Lichtintensitäten umfassen; Mittel zum Anordnen der Scheibe in den Strahlengang der Projektion, und als weiteres Merkmal, eine Kamera, wobei Sequenzen des Musters auf Pixel der Kamera gerichtet sind. Dieser Patentschrift liegt unter anderem die Zielsetzung zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit der optische Fehler in wenigstens einer Dimension einer Scheibe ermittelbar sind. Hierzu ist, nach den Angaben im Kennzeichen des Patentanspruchs 1, unter Schutz gestellt worden, dass die Lichtquelle eine als Leuchtmatrix ausgebildete Leuchtwand aus einer Vielzahl von selektiv, vorzugsweise zeilen- und/oder spaltenweise ansteuerbaren LEDs ist.
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Zum Stand der Technik ist weiter aus der, auf die Anmelderin eingetragenen,
DE 10 2010 046 433 B4 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren von Fehlstellen in kontinuierlich erzeugtem Float-Glas bekannt. Dieser Druckschrift liegt die Zielsetzung zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen mit dem während des laufenden Prozesses der Erzeugung eines Bandes aus flüssigem Glas, einem so genannten Float-Glas, die Bildung von Fehlstellen, zum Beispiel in der Form von Einschlüssen, Blasen oder ähnlichen unerwünschten Erscheinungen, ständig zu detektieren und zu überwachen. Zur Erreichung dieser Zielsetzung ist, nach den Angaben im Patentanspruch 1 dieser Druckschrift, unter Schutz gestellt worden, dass eine Vorrichtung zum Detektieren von Fehlstellen in einem kontinuierlich erzeugten Float-Glasband mittels der Prüfung eines quer zur Förderrichtung verlaufenden, im Durchlicht beobachteten Glas-Streifens dadurch gekennzeichnet ist, dass sie die folgenden Merkmale aufweist:
- a) eine modulartig aufgebaute Befestigungsbrücke für Scansensoren die entsprechend der Breite des zu prüfenden Float-Glasbandes ausgelegt ist, wobei die Scansensoren hinsichtlich ihres Erfassungsbereiches diese Breite lückenlos abdecken und das Float-Glasband mittels eines linienförmigen Leuchtmittels mit konstantem Lichtstrom und eines angrenzenden linienförmigen Leuchtmittels mit oszillierendem Lichtstrom lückenlos durchleuchtet wird,
- b) eine jedem Scansensor zugeordnete Justiereinrichtung die eine Veränderung der Lage jedes Scansensors entlang der 3 Raumkoordinaten in positiver und negativer Richtung ermöglicht,
- c) eine jedem Scansensor zugeordnete einschwenkbare Target-Einrichtung in der Form einer künstlichen Messebene zur genauen Ausrichtung eines Scansensors auf die Oberfläche des Float-Glasbandes,
- d) eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Leuchtmittel
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik die Druckschrift
WO 2013/020542 A1 bekannt, die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, und die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sicheren Detektion von Materialfehlern in transparentem Werkstoff beschreibt. Dieser Druckschrift liegt die Zielsetzung zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen mit dem alle möglichen Fehler die in transparentem Werkstoff, insbesondere Glas, auftreten können, sicher detektieren und typisieren zu können. Zudem soll für den Anwender jederzeit erkennbar sein, dass die Sicherheit des Betriebs der Vorrichtung, bzw. des Verfahrens, gewährleistet ist. Das Erreichen dieser Zielsetzung wird gemäß den Angaben im Patentanspruch 1, erreicht, mit einer Vorrichtung zur sicheren Detektion von Materialfehlern in einem kontinuierlich erzeugten Band aus transparentem Werkstoff mittels der Prüfung eines quer zur Förderrichtung verlaufenden, im Durchlicht und Auflicht beobachteten, Streifens eines Bandes aus diesem Werkstoff, die durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:
- a) ein Befestigungs-Portal in der Breite des zu prüfenden transparenten Werkstoffs dient als Träger von Zeilenkameras, wobei die Zeilenkameras hinsichtlich ihres Erfassungsbereiches diese Breite lückenlos abdecken und das Werkstoff-Band mittels eines linienförmigen Leuchtmittels mit konstantem Lichtstrom und eines angrenzenden linienförmigen Leuchtmittels mit oszillierendem Lichtstrom lückenlos durchleuchtet wird, und wobei eine zusätzliche Hellfeld-Beleuchtung den durchsuchten Streifen im Auflicht beleuchtet,
- b) das Befestigungs-Portal dient zusätzlich als Träger von weiteren Zeilenkameras, deren optische Achsen zu der der Zeilenkameras leicht geneigt sind, wobei auch die Zeilenkameras hinsichtlich ihres Erfassungsbereiches die genannte Breite lückenlos abdecken, wobei die Zeilenkameras ein Strichgitter beobachten, das sich an der Oberfläche des Leuchtmittels befindet und wobei der untersuchte Streifen mit einer Dunkelfeld-Beleuchtung im Auflicht beleuchtet wird,
- c) eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktion der Leuchtmittel und der Kameras.
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Der vorliegenden Erfindung und dem zugehörigen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Detektion und Klassifizierung von Materialfehlern in einem bewegten transparentem Medium vorzustellen. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen dabei im Einzelnen:
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1: eine Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung
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2: eine Übersicht über relevante Glasfehler
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3: das Prinzip der Lichtmischung und Fokussierung
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4: die Verwendung verschiedener Wellenlängen als Messprinzip
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5: die Verwendung einer trichroitischen Blende
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6: eine Signal-Auswertung bezüglich der Lage von Blasen im Glasband
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Die 1 zeigt eine Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung. Mit 4 ist hierbei das zu untersuchende Glasband oder die jeweilige Glasscheibe bezeichnet. Die CCD-Kamera 1 steht in dieser Darstellung für eine von vier oder mehreren nebeneinander angeordneten CCD-Kameras die zusammen, in einer bestimmten Höhe über dem Glasband angeordnet, die gesamte Breite des zu untersuchenden Glasbandes optisch erfassen. Eine Lichtquelle 2 beleuchtet das Glasband von oben in einer gestrichelt dargestellten Untersuchungsebene. Mit 5 ist eine zeilenförmige LED-Unterflur-Lichtquelle, bestehend aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten LEDs, gekennzeichnet. Ein oberer Lichtquellen-Schutz 3 und ein zweiteiliger unterer Lichtquellen-Schutz 6 sorgen für den Schutz der ausfallsicheren LEDs. Die gezeigte Anlage ist auch deshalb sehr störsicher und langlebig.
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Die 2 zeigt eine Übersicht über relevante Glasfehler. In der 2a) ist ein, frisch aus der Schmelze des Brennofens auslaufendes Glasband nach der Kühlstrecke im Schnitt gezeigt. Mit 4 ist hierbei in der Mitte der nutzbare Bereich des Glasbandes dargestellt, während links und rechts die beiden Randbereiche, durch den Produktionsprozess verursacht, Aufwölbungen und Stauungen aufweisen die verzerrte Bereiche 7 darstellen, deshalb wirtschaftlich nicht nutzbar sind und später abgetrennt werden. Die Laufrichtung des Glasbandes ist hier mit Y bezeichnet und die, im rechten Winkel quer zur Laufrichtung verlaufende, Richtung mit X. In der 2b) ist ein im nutzbaren Bereich des Glasbands 4 detektierter Einschluss 8 gezeigt, der an der Oberfläche des Glasbands 4 auf einer oder beiden Seiten einen, überhöht dargestellt, verzerrten Bereich 7 (Verflachung oder Verdickung) des Glasbands 4 darstellt. Die Laufrichtung Y des Glasbands ist hier in der Querrichtung zur Bildebene angenommen.
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Die 3 zeigt das Prinzip der Lichtmischung und Fokussierung. In der 3a) ist ein Ausschnitt aus einer linienförmigen LED-Unterflur-Lichtquelle 5 gezeigt, bei der von einigen LEDs austretende Lichtstrahlen zu sehen sind die durch eine Zylinder-Linse 9 hindurchtreten, danach das zu untersuchende Glasband durchlaufen und zuletzt in einer CCD-Kamera 1 registriert werden. Von der Zylinder-Linse 9 ist hier ebenfalls ein Ausschnitt dargestellt. Die LED-Lichtquelle 5 und die Struktur der gezeigten Zylinder-Linse 9 erstrecken sich dabei über die gesamte Breite des zu untersuchenden Glasbands 4.
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In der 3c) ist dieser Sachverhalt im Prinzip ohne den Strahlengang durch die Zylinder-Linse 9 dargestellt. Das gezeigte Prinzip der LED-Kollimation mittels der Zylinder-Linse 9 ermöglicht große Abstände der LED-Beleuchtung ohne wesentliche Verluste an Intensität und eine hohe Empfindlichkeit bezüglich zu erfassender Verzerrungsfehler. Der Strahlengang zwischen der, im Wesentlichen punktförmigen, Lichtquelle wie sie eine LED darstellt, und der Aufnahme-Ebene einer CCD-Kamera 1 lässt sich dabei mittels einer Veränderung des Abstandes zwischen der LED-Lichtquelle 5 und der Zylinder-Linse 9 fast beliebig anpassen. In der 3b) ist die Verteilung der Strahlintensität einer LED, die in einer CCD-Kamera registriert wird, dargestellt. Die Position des Peaks auf der CCD-Zeile hängt von der Glasdicke, bzw. von dem Dicken- oder Brechkraftgradienten in X-Richtung des Glases ab. Durch genaue Messung der Positions-Verschiebung im Vergleich zu fehlerfreiem Glas ergibt sich die lokale Verzerrung des Glases in X-Richtung. Eine CCD-Kamera 1 hat als kleinste Auflösung die Möglichkeit der Registrierung von zu detektierenden Fehlern im Glasband die Breite eines Pixels zur Verfügung. Die Breite eines Pixels beträgt etwa 10 μm. Da die Fläche der in der 3b dargestellten Verteilungs-Kurve, die in etwa einer so genannten Gauß-Verteilung entspricht, größer ist als ein Pixel, ist es zur Erreichung einer hohen Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Mess-Systems notwendig, die Lage des so genannten Schwerpunkts dieser Verteilung zu ermitteln. Dies wird mittels eines speziellen mathematischen Algorithmus erreicht. Damit kann die Lage des Schwerpunkts auf der CCD-Zeile mit einer Sub-Pixel-Genauigkeit, zum Beispiel von 0,1 Pixel (1 μm) bestimmt werden. Die lokale Verzerrung kann mit der Anordnung an vielen Punkten zum Beispiel im Abstand von Delta –x gemessen werden. Alle lokalen Verzerrungen zusammengenommen ergeben ein komplettes Querprofil der Variation in X-Richtung. Aufgrund der vollflächigen Messung durch aufeinanderfolgende Querprofile und der Stetigkeit der Glasoberfläche kann aus der Variation in X-Richtung auch die Variation in Y-Richtung berechnet werden
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Die 4 zeigt die Verwendung verschiedener Wellenlängen als Messprinzip. In der 4a) ist ein vergleichbares Bild wie in der 3a) zu sehen, jedoch mit dem Unterschied, dass anstelle einer linienförmigen Anreihung einer bestimmten Art von LEDs, deren zwei hinsichtlich der emittierten Wellenlänge unterschiedliche als LED-Lichtquelle 5 gezeigt sind. Hierbei sind mit dem Bezugszeichen 11 grüne LEDs gekennzeichnet, während blaue LEDs mit 12 bezeichnet sind. Wesentlich hierbei ist die Tatsache, dass LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Es wurden hier lediglich beispielhaft LEDs mit grüner Färbung und LEDs mit blauer Färbung verwendet. Dies ermöglicht die Einrichtung von zwei oder mehr, aber verschieden und getrennt, gleichzeitig zu betreibenden Messkanälen.
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In 4b) ist die Intensitätsverteilung quer zur CCD-Zeile dargestellt, wie sie sich durch Verwendung einer geeigneten Messerblende ergibt. Bei dieser Kombination mehrerer unterschiedlicher LEDs in einer Beleuchtung werden zum Beispiel Blau und Grün unabhängig von verschiedenen Zeilen mit jeweils angepasster Apertur und Verstärkung registriert.
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Die 5 zeigt die Verwendung einer trichroitischen Blende. Die Darstellung der Verhältnisse in der 5 entspricht in vielen Teilen der Darstellung der 4. Die 5 zeigt wieder eine Beleuchtung des zu untersuchenden Glasbandes mittels LEDs von unterschiedlicher Wellenlänge. Bei der trichroitischen Blende in 5 geht es darum das Bildfeld und die Intensität für die unterschiedlichen Wellenlängen zu kontrollieren:
Für die Farbe rot in Reflexion ist die Intensität am geringsten (Glas hat nur 4% Reflexionsgrad pro Oberfläche, d. h. insgesamt nur 8%). Deshalb wird für die Farbe rot die gesamte Blendenöffnung benötigt.
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Im Transmissionsgrad von Glas bedeutet: 100% – 8% = 92%. Deshalb kann der Lichtstrom mit einer kleineren Blendenöffnung (Blendenfläche) reduziert werden.
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Für die Messung der Verzerrung mit den blauen LEDs genügt eine sehr kleine Öffnung, weil es nur darum geht die Lichtpunkte der LEDs auf der CCD-Zeile zu sehen. Dies wird durch die Schlitzblende realisiert. Die Ausformung als Schlitz hat den Vorteil, dass die Strahlablenkung in y-Richtung keinen Einfluss hat. Der Schlitz dient nicht der Einengung des Gesichtsfeldes.
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Für die grüne Wellenlänge soll außer dem Lichtstrom auch das Gesichtsfeld eingeschränkt werden, so dass sich eine Strahlablenkung in y-Richtung zusätzlich auf die Intensität auswirkt.
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Die grünen LEDs dienen im vorliegenden Beispiel vorzugsweise der Messung der Strahlablenkung in der Richtung des laufenden Glasbands (Y-Richtung). Aufgrund der vollflächigen Messung und der Stetigkeit der Glasoberfläche kann aus der Detektion der Variation in Y-Richtung auch die Variation in X-Richtung berechnet werden.
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Die Kombination der aufgezeigten LED-Beleuchtung mit einer trichroitischen Blende ermöglicht eine ganzflächige Messung der Dicke, sowie Dicken- und Brechkraft-Variation.
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Die 6 zeigt eine Signal-Auswertung bezüglich der Lage von Blasen im Glasband.
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In der 6 ist ein Glasband 4 mit einer, im Laufe des Produktionsprozesses sich fortbewegenden Einschlusses (zum Beispiel einer Luftblase) 8 gezeigt, wobei diese Bewegung mittels einer CCD-Kamera 1 verfolgt wird.
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Neben Verzerrungen zählen Einschlüsse zu den wichtigsten Fehlerarten, die in der Glasproduktion klassifiziert werden müssen. Viele Einschlüsse verursachen Verzerrungen und können dadurch als relevante Fehler charakterisiert werden. Insbesondere kleine Einschlüsse in dicken Gläsern verursachen jedoch keine Verzerrung. Deshalb müssen andere Methoden zu deren Klassifizierung angewandt werden.
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Zur Detektion wird hierbei das Glasband 4 von einer Lichtquelle 2 mit roter Lichtemission unter einem Winkel von etwa 15 Grad zur Senkrechten beleuchtet. Der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Lichtstrahl wird hierbei einmal an der Oberfläche des Glasbands 4 reflektiert und gebrochen, durch das Glasband weiter geleitet, an der Unterfläche des Glasbands 4 reflektiert und dann vor dem Austritt aus dem Glasband 4 erneut gebrochen und kann dann gemessen werden. Ein Einschluss (z. B. Luftblase) unterbricht den Lichtstrahl auf dem Hinweg und auf dem Rückweg nach der Reflexion. In der CCD-Zeile erscheint der Einschluss deshalb doppelt mit einem Schatten bzw. Echo während sich das Glasband weiterbewegt. Aus der Messung des zeitlichen Abstandes des Fehlerbildes und seines Echos lassen sich dann zusammen mit der Bandgeschwindigkeit die sog. Echo-Distanz und die jeweilige Höhenlage dieses Einschlusses (Luftblase) 8 berechnen.
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Es erfolgt während des Vorbeilaufs des Glasbands (4) eine zweistufige parallele Signalauswertung, wobei Bitmaps aus allen Kanälen parallel verarbeitet werden und weitere Daten von der Fertigungslinie mit einbezogen werden und eine besondere Genauigkeit der Ermittlung von Fehlstellen mittels eines besonderen mathematischen Algorithmus erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- CCD-Kamera
- 2
- Lichtquelle (rot)
- 3
- oberer Lichtquellen-Schutz
- 4
- Glasband oder Glas-Scheibe
- 5
- LED-Unterflur-Lichtquelle
- 6
- unterer Lichtquellen-Schutz
- 7
- verzerrter Bereich
- 8
- Einschluss oder Luftblase
- 9
- Zylinder-Linse
- 10
- Peak
- 11
- grüne LEDs
- 12
- blaue LEDs
- 13
- CCD-Kamera-Zeile
- 14
- Abbildung der Zylinder-Linse
- 15
- Dichroitisches Filter (stoppt Blau)
- 16
- Schlitzblende
- 17
- Video-Signal grün (gleichmäßige Intensität)
- 18
- Messer-Blende
- 19
- Trichroitisches Filter
- 20
- Echo-Distanz
- 21
- Höhen-Lage eines Einschlusses im Glasband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1288651 B1 [0002]
- DE 102010046433 B4 [0003]
- WO 2013/020542 A1 [0004]
