DE2152510A1

DE2152510A1 - Verfahren zum Nachweisen von Oberflaechenfehlern

Info

Publication number: DE2152510A1
Application number: DE19712152510
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Millgaard Lars Anders; Dr-Ing Sjoelin Ulf P Trygveson
Original assignee: Rederi Nordstjernan AB
Current assignee: Rederi Nordstjernan AB
Priority date: 1970-10-21
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1972-04-27
Also published as: IT940038B; SE345905B; US3748047A; FR2113094A5; JPS5221387B1; DE2152510B2; GB1352727A; BE774269A; DE2152510C3

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Lt£!J2!£5 ^ Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN T.l.fon: (0811) ·2»66 84 Dr. rer. nah W. KÖRBER

Patentanwälte ²¹· Oktober 1971

REDERIAKTIEBOLAGET NORDSTJEREAN
Stockholm, Schweden

Patentanmeldung Verfahren zum Nachweisen von Oberflächenfehlern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feststellen von auf einer vorzugsweise ebenen Fläche vorhandenen Oberflächenfehlern wie Kratzern oder Poren oder ihnen entsprechenden Erhöhungen und Verfärbungen, bei dem ein Beugungsmuster dadurch erzeugt wird, daß eine elektromagnetische öiiahlung von einer Strahlungsquelle aus auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstoffs gerichtet wird. Das so erzeugte Eeflexions- oder Durehsichts-Beugungsmuster wird von einem Detektor aufgenommen, an den eine Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist eine ausgedehnte Fläche vorgesehen, der das Licht von der zu prüfenden reflektierenden oder lichtdurchlässigen Fläche aus über eine konstante Strecke hinweg zugeführt wird. Die Vorrichtung zum Erzeugen der Strahlung kann nach dem Laserprinzip arbeiten, und es kann ein Linsensystem zum Aufnehmen der Strahlung vorgesehen sein. Bei der bekannten Vorrichtung umfaßt der Detektor einen Wellenleiter in Form einer im Inneren reflektierenden Fläche mit einem Spalt; eine solche Anordnung ist in der schwedischen Patentschrift 324- 913 beschrieben.

uas vorstehend beschriebene Verfahren zum Feststellen von OberriäCiieniehlern weist jedoch bestimmte Nachteile auf, zu denen die Tatsache gehört, dab es schwierig ist, die Vor-

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richtung so einzustellen, daß die Signale unterdrückt werden, die von dem normalen Oberflächengefüge des Werkstoffs herrühren.

Die Amplitude der von dem Detektor abgegebenen Signale, die für einen vorhandenen Oberflächenfehler gelten, richtet sich nicht nur nach der Größe des Oberflächenfehlers, sondern auch nach der Richtung, in der dieser Fehler in dem Werkstoff verläuft. Wenn ein Wellenleiter mit einem auf der Innenseite reflektierenden Material benutzt wird, hängt der Verlauf des Strahls weitgehend von der Verlaufsrichtung des Oberflächenfehlers oder Kratzers in dem Werkstoff ab, und die Empfindlichkeit des Detektors variiert in Abhängigkeit von der Verlaufsrichtung. Außerdem führt jede Veränderung des Abstandes von dem Werkstoff sowie Jede Änderung der Winkelstellung zwischen dem Detektor und dem Werkstoff zu einer Änderung der Empfindlichkeit des Detektors. Schließlich führt die Benutzung einer ausgedehnten Fläche zum Aufnehmen des Lichtes in Form eines photoelektrischen Halbleiterdetektors dazu, daß die maximale Geschwindigkeit, mit der eine Werkstoffoberfläche abgetastet werden kann, durch die bei Halbleiterdetektoren gegebene Zeitkonstante eingeschränkt wird.

Gemäß der Erfindung wird nunmehr ein neuartiges Verfahren zum Feststellen von Oberflächenfehlern vorgeschlagen, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind und sich außerdem bestimmte Vorteile ergeben. Die Unterdrückung von Signalen, die vom normalen Oberflächengefüge herrühren, können dem Gefüge der jeweils zu untersuchenden Fläche angepaßt werden. Hierbei werden die Änderungen der Empfindlichkeit, die auf die Winkellage von Kratzern auf dem zu untersuchenden Werkstoff zurückzuführen sind, vemachlässigbar gering, und auch der Einfluß von Änderungen der Winkelstellung der Werkstoffoberfläche wird verringert. Eine höhere Empfindlichkeit wird auch dadurch erzielt, daß die gebeugte

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Strahlung auf beiden Seiten der direkt reflektierten Strahlung, d. h., des sogenannten Maximumpunktes nachgewiesen wird. Hierdurch ergeben sich bessere Möglichkeiten, die empfindliche Detektorfläche oder eine entsprechende gleichwertige Übertragungsflache einer vorhandenen Durchsichtsbeugungsfigur anzupassen.

Die Winkellage von Kratzern auf der Werkstoffoberfläche kann festgestellt werden, und Kratzer und dunkle Flecke auf einer Werkstoffoberfläche können voneinander unterschieden werden. Da gemäß der Erfindung das reflektierte und gebeugte Strahlungsmuster an einem festen Punkt im Kaum ange- f ordnet wird, kann man auch Detektoren von normaler Konstruktion, z. B. Photoelektronenvervielfacher benutzen, so daß mit einer höheren Geschwindigkeit gearbeitet werdenlann, und sich die Kosten der Vorrichtung verringern. Ferner bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung bessere Möglichkeiten, die Detektoren zum Messen der Intensität gewählter Teile des Reflexionsbeugungsbildes, beispielsweise zum Messen der Helligkeit oder zusätzlicher Unterscheidungsmerkmale von Oberflächenfehlern anzuordnen. Schließlich läßt sich der erfindungsgemäße Detektor aus Baueinheiten aufbauen, so daß es möglich ist, ihn der Untersuchung von Werkstoffoberflächen von unterschiedlicher Breite anzupassen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der als optische Einrichtung ein Linsensystem vorgesehen ist, dem die auf eine zu untersuchende Wtrkstoffoberfläche geworfene otrahlung nach der Reflexion und Beugung zugeführt wird;

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Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, bei der ein Linsensystem vorgesehen ist, durch das die Strahlung fällt, bevor sie auf die zu untersuchende Werkstoffoberfläche auftrifft;

Fig. 3a und 3b Beispiele für Beugungsmuster, die sich bei verschiedenen Platten aus Stahl ergeben, wobei Fig. 3a für Stahl mit einer charakteristischen gewalzten Oberfläche gilt, während Fig. 3b für nicht maschinenglatten otahl gilt, wobei die Platten in beiden Fällen keine Oberflächenfehler aufweisen;

Fig. 4-a und 4b Beugungsmuster, wie sie bei den gleichen Werkstoffen wie bei Fig. 3a und 3b auftreten, wenn die Werkstoffe Oberflächenfehler in Form von Kratzern aufweisen;

Fig. 5 die Verteilung der strahlungsintensität längs einer Linie des Beugungsmusters als Funktion des z. B. in hillimetern gemessenen Abstandes;

Fig. 6a und 6b zwei Beispiele für optische räumliche Filter in Form undurchsichtiger Hasken, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt werden, wobei gemäß Fig. 6a die Maske die Form eines Streifens und gemäß Fig. 6b die Form einer kreisrunden Scheibe hat} und

Fig. 7 ein Beispiel für ein Detektorsignal als Funktion der Zeit während des Abtastens einer Fläche, die vier Fehlstellen, und zwar drei Kratzer und eine dunkle Linie, aufweist.

Im folgenden wird der Nachweis von Fehlstellen auf einer Werkstoffoberfläche bezüglich einer maschinenglatten bzw. nicht maschinenglatten Stahlplatte beschrieben, doch beschränkt sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf die Untersuchung von Fehlern an hetallflachen, sondern die

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Erfindung kann ζ. B. auf vorteilJsfte Weise angewendet warden, um das Vorhandensein von Fehlstellen bei Papierbahnen, keramischem Material, Glas, Reflektorflächen, Flächen aus Kunststoff und dergleichen nachzuweisen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird ein Lichtstrahl von einer Strahlungsquelle, z. B. einem Laser 1 aus, auf ein rotierendes Prisma 2 geleitet, so daß er eine Werkstoff lache 3 überstreicht und abtastet. Nach seiner Reflexion durch die Werkstoffoberfläche 3 wird der Lichtstrahl durch eine optische Einrichtung 4, z. B. ein Linsensystem, gebrochen und einem ortsfesten Punkt 5 im Raum zugeführt, der in einer Ebene 6 liegt. Die Zerstreuung des Lichtes, die auf eine Beugung zurückzuführen ist, welche das Licht beim Auftreffen auf die Merkstoffoberfläche 3 erleidet, führt zum Entstehen eines sogenannten Beugungsmusters 7 in der Bildebene; einige Beispiele für solche Beugungsmuster sind in Fig. 3a, 3b, 4-a und 4b dargestellt. In der Ebene 6 ist gemäß der Erfindung ein optisches Element angeordnet, z. B. ein sogenanntes räumliches Filter, das so ausgebildet ist, daß das direkt reflektierte Licht und das Licht, das infolge der Beugung durch das normale Oberflächengefüge des Werkstoffs zerstreut wird, ausgeblendet wird, während das Licht, das infolge von Oberflächenfehlern eine Ausbreitung erfährt, zu einem Detektor 9 gelangt. Das optische Element 8 kann im Rahmen der Erfindung in der verschiedensten Weise ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein durch einen Laser 10 erzeugter Lichtstrahl auf ein rotierendes Prisma 11 geleitet wird. Im Strahlengang zwischen dem Prisma 11 und der Werkst off oberf lache, durch die der Strahl reflektiert wird, ist eine optische Einrichtung 13, z. B. ein Linsensystem, angeordnet, das so ausgebildet ist, daß nach der Reflexion und der Beugung der Strahlung an der Werkstoffoberfläche 12

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während des Abtastens dieser Fläche im Raum innerhalb einer auf geeignete Weise gewählten Bildebene 14· ein feststehendes Bild erzeugt wird. Dieses Bild umfaßt einen ortsfesten zentralen Punkt 15 und ein Beugungsmuster, das z. B. die Form einer gekrümmten Linie hat.

Das Aussehen des Beugungsmusters ist bei verschiedenartigen Oberflächen verschieden. Fig. 3a, 3b, 4a und 4b zeigen Beispiele für Beugungsmuster, die bei maschinenglattem bzw. nichtmaschinenglattem Stahl entstehen, der Oberflächenfehler aufweist.

In beiden Fällen umfaßt das Beugungsbild einen zentralen Teil mit einem Punkt a, der dem direkt reflektierten Licht entspricht, während das diesen Punkt umgebende Licht infoügp der Beugung am normalen Oberflächengefüge der Platte nach beiden Seiten ausgebreitet ist. Eine aus Stahl bestehende Fläche führt zur Entstehung eines Beugungsbildes der in Fig. Ja gezeigten Art, das einen ausgeprägten parallelen Verlauf der Elemente der maschinenglatten Fläche erkennen läßt, welcher bei der Beugung des Lichtes dazu führt, daß in der Bildebene eine deutlich ausgeprägte, etwas gekrümmte helle Linie b erscheint. Da gemäß Fig. 3b das Licht auf eine nicht maschinenglatte Stahlfläche fällt, führt das Gefüge der Oberfläche zu einer diffuseren rotationssymmetrischen Zerstreuung des Lichtes um einen zentralen Punkt a, wie es bei c angedeutet ist.

In Fig. 4a und 4b sind Beugungsbilder dargestellt, die für eine Platte der gleichen Art gelten, wobei die untersuchten Oberflächen Jedoch zwei Kratzer aufweisen, die sich unter einem Winkel von 30° bzw. 120° gegen die Längsachse der Platte erstrecken. Diese Kratzer führen bei den Beugungsbildern zum Entstehen heller Linien d und e. Da zwischen den hellen Linien d und e die gleiche Winkelbeziehung besteht wie zwischen den sie erzeugenden Kratzern auf

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der vint ersucht en Platte, erhält man in beiden Fällen auf direktem Wege Informationen sowohl über das Vorhandensein von Kratzern als auch über den Winkel, unter dem die Kratzer zueinander verlaufen.

In Pig. 5 ist die grundsätzliche Verteilung der Strahlungsintensität bei einem Beugungsmuster längs einer hellen Linie dargestellt. Die Intensität richtet sich offensichtlich nach dem Abstand vom Mittelpunkt 0 des Beugungsbildes, und daher muß der Nachweis unabhängig von dem Verlaufswinkel der hellen Linie in einem konstantem Abstand von dem Mittelpunkt durchgeführt werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, die eine ortsfeste Darstellung des Beugungsbildes der untersuchten Fläche im Raum erzeugt, so daß ein rotationssymmetrischer Detektor benutzt werden kann.

In Fig. 6a und 6b sind Beispiele für das in Fig. 1 dargestellte optische Element 8 gezeigt. Fig. 6a zeigt ein räumliches Filter, das dem Werkstoff angepaßt ist, der das Beugungsbild nach Fig. 3a erzeugt hat. Bei einem räumlichen Filter handelt es sich um eine Vorrichtung, bei der die optische Durchlässigkeit über die Filterfläche hinweg variiert. Die Lichtdurchlässigkeit des Filters ist an jedem Punkt der Intensität des Beugungsbildes angepaßt, das auf dem Filter erzeugt wird, und das auf eine fehlerfreie Werkstoffoberfläche zurückzuführen ist, so daß nur die Anteile d und e, die auf Oberflächenfehler zurückzuführen sind, und die auseinandergezogen sind, das Filter passieren, ohne gedämpft zu werden, während das normale Beugungsbild vollständig oder teilweise gedämpft wird. In Fig. 6b ist ein entsprechendes Filter dargestellt, das dem Werkstoff angepaßt ist, welcher das Beugungsmuster nach Fig. $b erzeugt. Im einfachsten Fall kann das räumliche Filter aus einer lichtundurchlässigen Maske bestehen.

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Eine bessere Verwertbarkeit des Signals läßt sich erzielen, wenn die Lichtdurchlässigkeit des Filters an jedem Punkt umgekehrt proportional zur Intensität des normalen Beugungsbildes ist. Dies läßt sich z. B. erreichen, wenn das räumliche Filter durch Belichten eines photographischen Films mit einem normalen Beugungsbild hergestellt wird, wie es während eines Abtastvorgangs entsteht.

Alternativ kann die Maske durch ein angepaßtes optisches Filter gebildet sein, dessen Lichtdurchlässigkeit für gebeugte Strahlung automatisch variiert werden kann. Zu die- ψ sem Zweck wird z. B. ein photochromes Material verwendet, dessen Lichtdurchlässigkeit sich bei einer Zunahme der Strahlungsintensität mit einer hinreichenden Geschwindigkeit verringert und das seine ursprüngliche Lichtdurchlässigkeit wieder annimmt, sobald es der Strahlung nicht mehr ausgesetzt ist. Das ortsfeste Beugungsbild, das vom normalen Oberflächengefüge des Werkstoffs herrührt, bewirkt eine Verdunkelung des photochromen Materials, so daß es nicht im gleichen Ausmaß durchgelassen wird wie das auf Oberflächenfehler zurückzuführende Beugungsbild, das sich so schnell ändert, daß es keine Verdunkelung des photochromen Materials bewirkt. Somit wird die Abdeckung des Beugungsbildes automatisch dem Oberflächengefüge des untersuchten Werkstoffs angepaßt· Daher ist es bei unterschiedlichen Werkstoffen und verschiedenem Oberflächengefüge nicht erforderlich, die Vorrichtung auf besondere Weise einzustellen oder der Maske eine spezielle Form zu geben.

Wenn der Werkstoff optisch aktiv ist und es sich z. B. um Papier handelt, kann die Maske auch durch ein Polarisationsfilter gebildet sein, das die direkt reflektierte oder durchgelassene Strahlung ausfiltert, jedoch denjenigen Teil der Strahlung durchläßt, dessen Polarisationsrichtung bei der Beugung an Oberflächenfehlern geändert worden ist.

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Ohne Rücksicht auf die Wahl der Maske wird stets ein bestimmter Teil des reflektierten Lichtes durchgelassen, so daß es zu dem Detektor gelangt. Hierdurch wird es ermöglicht, das Vorhandensein dunkler Stellen und dergleichen auf der Werkstoffoberfläche festzustellen, die eine Verringerung der Intensität des reflektierten Lichtes bewirken.

Fig. 7 zeigt als Beispiel eine Aufzeichnung des Ausgangssignals eines erfindungsgeipäßen Detektors in Form einer Spannung als Funktion der Zeit während des Abtastens einer Platte, die drei Kratzer und eine dunkle Linie aufweist. Die i Kratzer machen sich als positive Auslenkungen nach oben gegenüber einer Nullinie bemerkbar. Gemäß Fig. 7 ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, nicht nur Oberflächenfehler schnell und genau nachzuweisen, sondern auch eine Unterscheidung zwischen Kratzern und dunklen Stellen auf einer Werkstoffoberfläche zu treffen. Dunkle Stellen führen zu einer Verringerung aer Intensität des reflektierten Lichtes, während Kratzer zu einer Zerstreuung des Lichtes und daher zu einer Erhöhung der Intensität führen. Das Ausgangssignal aer Vorrichtung zum Nachweisen von Änderungen der Strahlung, die auf Oberflächenfehler zurückzuführen sind, kann mit Hilfe von polaritätsempfindlichen Elementen auf zwei Kanäle verteilt werden, wobei der eine Kanal nur auf Kratzer oder " dergleichen zurückzuführende positive Ausgangssignale verarbeitet, während der andere Kanal lediglich von dunklen Stellen und dergleichen herrührende negative Ausgangssignale verarbeitet.

Bei der industriellen Fertigung ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren unter den unterschiedlichsten Bedingungen, Fehlstellen an Werkstoffoberflächen der verschiedensten Art und Größe nachzuweisen, zu unterscheiden und aufzuzeichnen. Das Auggangssignal des Detektors kann elektronisch ausgewertet werden, z. B. mit Hilfe einer Zähleinrichtung, und die Ergebnisse können auf beliebige ge-

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wünschte Weise dargestellt werden. Beispielsweise kann man den Detektor an einen Rechner anschließen, der die Arbeitsprozesse zum Herstellen des zu prüfenden Werkstoffs steuert. Diese Steueranordnung kann auch dazu dienen, das Erzeugnis in Stücke von unterschiedlicher Länge zu zerschneiden und diese Stücke in Abhängigkeit von der Anzahl und/oder der !form der nachgewiesenen Fehlstellen zu sortieren. Weiterhin kann die Steuereinrichtung dazu dienen, die Herstellung oder Verarbeitung eines Erzeugnisses zu unterbrechen, sobald bezüglich der Oberflächenfehler nachgewiesen wird, daß eine höchstzulässige Grenze erreicht worden ist.

Patentansprüche:

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Claims

PATE h IANS 1 KÜCHE

\1·) Verfahren zum Nachweisen von Oberflächenfehlern bei einem vorzugsweise glatten Werkstoff, bei dem eine elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle aus auf eine sich bewegende Fläche gerichtet wird, oder bei dem bewirkt wird, daß die Strahlung eine ortsfeste Fläche des zu untersuchenden Werkstoffs überstreicht, so daß mehrere Beugungsbilder erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet , daß ein ortsfestes Bild des Beugungsbildes dadurch erzeugt wird, daß eine optische Einrichtung im Strahlengang angeordnet wird, daß Bildelemente, die vom normalen Gefüge der zu untersuchenden Fläche herrühren, ausgefiltert oder gedämpft werden, und daß Bildelemente, die von Oberflächenfehlern herrühren, mit Hilfe einer zusätzlichen optischen Einrichtung einem Detektor zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung und die optische Dämpfungseinrichtung durch Masken gebildet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Masken aus einem lichtundurchlässigen Werkstoff bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Maske ein photographischer Film benutzt wird, der mit dem Beugungsbild belichtet worden ist, das durch eine von Oberflächenfehlern freie Fläche des zu untersuchenden Werkstoffs erzeugt worden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maske ein anpassungsfähiges optisches Filter benutzt wird, dessen Lichtdurchlässigkeitseigenschaften sich automatisch der Fläche des zu untersuchen-

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den Werkstoffs anpassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das anpassungsfähige optische Filter aus einem photochromen Werkstoff besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maske ein Polarisationsfilter benutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor in Detektorelemente

l|i unterteilt ist, von denen jedes für Oberflähenkratzer empfindlich ist, deren Orientierung innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs liegt.

Der- Patentanwalt:

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