DE2152510B2

DE2152510B2 - Verfahren zum Nachweisen von Oberflachenfehlern und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE2152510B2
Application number: DE2152510A
Authority: DE
Inventors: Lars Olof Anders Dipl.-Ing. Nynaeshamn Millgaard; Ulf Peter Trygveson Dr.-Ing. Stockholm Sjoelin
Original assignee: Rederiaktiebolaget Nordstjernan, Stockholm
Priority date: 1970-10-21
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1973-11-08
Also published as: JPS5221387B1; GB1352727A; BE774269A; IT940038B; DE2152510C3; FR2113094A5; DE2152510A1; SE345905B; US3748047A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen von Oberflächenfehlern bei einem Werkstoff mit glatten, vorzugsweise ebenen Flächen, der von einer elektrom.'iMietischen Strahlung, die von einer Laserquelle ausgcsandt wird und sich relativ zur Werkstoffoberfläche bewegt, punktweise abgetastet wird, und bei dem das an jedem Punkt durch Beugung entstehende Beugungsmuster

einem flächenhaften Detektor zugeführt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (schwedische Patentschrift 324913) 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

ίο sein. Der Detektor umfaßt einen Wellenleiter in Form einer im Innern reflektierenden Fläche mit einem Spalt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das ganze Muster detektiert, auch das von einer fehlerfreien Oberfläche herrührende Muster. Das bekannte Verfahren kann außerdem keine Information über Art und Kennzeichen des Fehlers auffangen.

Ferner ist eine Anordnung bekannt (USA.-Patentschrift 3 106643), die in einer Bildebene ein reelles Bild eines Gegenstandes erzeugt, wobei anschließend

ao die Bildebene das Bild umkehrt. Jedem Punkt des Gegenstandes entspricht dabei ein Punkt des umgekehrten Bildes. Einem dunklen Punkt eines Oberflächenfehlers entspricht somit ein starkes Signal. Ein Oberflächenfehler hat aber oft dieselbe Lichtstärke wie die danebenliegende Fläche. Nachteilig ist bei dieser bekannten Anordnung wie bei allen anderen ein reelles Bild erzeugenden Anordnungen, daß nicht alle Arten von Fehlern detektiert und daher auch nicht klassifiziert werden können.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (USA.-Patentschrift 2 947 212) werden Lichtreflexionen in parallelen Diskontinuierlichkeiten einer gewalzten Metalloberfläche abgetastet. Der eintretende Lichtstrahl ist polarisiert, und die Intensität eines senkrecht zu den Diskontinuierlichkeiten reflektierten Lichtstrahls wird gemessen. Dadurch wird zwar eine Lichtstreuung ausgenui/t, aber nur in einer einzigen bestimmten Richtung. Die ganze Oberfläche wird nicht abgetastet und ebenfalls nicht das ganze Muster.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen von Oberflächenfehlern bei einem Werkstoff mit glatten, vorzugsweise ebenen, Flächen zu schaffen, bei dem bzw. mit der die Nachteile der bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen vermieden sind und der Charakter verschiedener Fehlerarten unterschieden werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art mit Hilfe optischer Einrichtungen das Beugungsmuster während der gesamten Abtastung auf dem flächenhaften Detektor ortsfest abgebildet wird und daß diejenigen Bereiche des zum Beugungsmuster beitragenden Lichts, die zu dem Bereich des am normalen fehlerfreien Oberflächengefüge des Werkstoffs gebeugten Lichts gehören, ausgefiltert oder gedämpft werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Signale, die von einem normalen Oberflächengefüge herrühren, unterdrückt werden können, wodurch die Empfindlichkeit des Verfahrens bzw. der Vorrichtung erhöht wird. Eine höhere Empfindlichkeit wird auch dadurch erzielt, daß die gebeugte 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 gleichwertige Übertragungsfläche einer vorhandenen Durchsicht-

beugungsfigur anzupassen.

Die Richtung und die Größe der Lichtstreuungen sind für die Art der Oberflächenfehler kennzeichnend. So kann die Winkellage von Kratzern auf der Werkstoffoberfläche festgestellt werden, und Kratzer und dunkle Flecken auf einer Werkstoffoberfläche können voneinander unterschieden werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens ist wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfilterung oder Dämpfung des Lichts durch eine das an einem normalen fehlerfreien Punkt der Werkstoffoberfläche entstehende Beugungsmuster abgrenzende Maske erfolgt.

Eine aus einer Schlitzblende, einem lichtdurchlässigen oder teilweise lichtdurchlässigen Körper bestehende Blendeneinrichtung ist zwar vin einer Vorrichtung zur photoelektrischen Fehlerkontrolie von Materialoberflächen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 193 701), bei der die Oberfläche einer über eine Abtastlinie laufenden Bahn oder eines blattförmigen Erzeugnisses durch einen quer zur Durchlaufrichtung geführten Lichtstrahl abgetastet wird und die Helligkeit des vom Lichtstrahl auf der Abtastlinie erzeugten Lichtflecks auf einen photoelektrischen Umwandler einwirkt. In die Bahn des quergeführten Lichtstrahls ist eine blendenähnliche Vorrichtung eingefügt, mit der die den einzelnen Abschnitter der Abtastlinie zugeführte Lichtmenge so eingestellt ist, daß beim Abtasten einer fehlerfreien Oberfläche die vom lichtelektrischen Umwandler erzeugte Spannung für jeden Punkt der Abtastlinie den jeweils für die Fehlerfindung optimalen, vorzugsweise konstanten, Wert ergibt. Diese Blenden dienen also zum Ausgleich der Lichtintensität, nicht aber als Maske, wie diese bei der Erfindung verwendet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand 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 du; auf eine zu untersuchende Werkstoffoberfläche geworfene Strahlung nach der Reflexion und Beugung zugeführt vird,

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 fur Stahl mit einer charakteristischen gewalzten Oberfläche gilt, während Fig. 3b für nicht maschinenglatten Stahl gilt, wobei die Platten in beiden Fällen keine Oberflachenfehler aufweisen,

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

F i g. 5 die Verteilung der Strahlungsintensität längs einer Linie des Beugungsmusters als Funktion des z. B. in Millimetern gemessenen Abstandes,

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

Fi g. 7 ein Beispiel für ein Detektorsignal als Funktion der Zeit während des Abtastens einer Fläche, die vier Fehistellen, 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 Stahl-

platte beschrieben, doch beschränkt sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf die Untersuchung von Fehlern an Metallflächen, sondern die Erfindung kann z. B. auf vorteilhafte Weise angewendet werden, um das Vorhandensein von Fehlstellen bei Papierbahnen, keramischem Material, Glas, Reflektorflächen, Flächen aus Kunststoff u. dgl. nachzuweisen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird ein Lichtstrahl von einer Strahlungsquelle, ζ. Β. einem Laser 1 aus, auf ein rotierendes Prisma 2 geleitet, so

ao daß er eine Werkstofffläche 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 Werkstoffoberfläche 3 erleidet, führt zum Entstehen eines sogenannten Beugungsmusters 7 in der Bildebene; einige Beispiele für

solche Beugungsmuster sind in Fig. 3a, 3b, 4a und 4 b dargestellt. In der Ebene 6 ist gemäß der Erfindung ein optisches Element 8 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.

F i g. 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 Werkstoffoberfläche, durch die der Strahl reflektiert W'rd, 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 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, 3 b, 4 a und 4 b 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 infolge 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. 3 a

gezeigten Art, das eine ausgeprägte parallele, longitudonale und charakteristische Walzstruktur in der 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.

InFig. 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 der untersuchten 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 Fig. 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 O des Beugungsbildes, und daher muß der Nachweis unabhängig von dem Verlaufswinkel der hellen Linie in einem konstanten 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 F i g. 6 a und 6 b sind Beispiele für das in F i g. 1 dargestellte optische Element 8 gezeigt. Fig. 6 a 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 Durchlässigkeil 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 F i g. 6 b ist ein entsprechendes Filter dargestellt, das dem Werkstoff angepaßt ist, welcher das Beugungsmuster nach Fig. 3b erzeugt. Im einfachsten Fall kann das räumliche Filter aus einer lichtundurchlässigen Maske bestehen.

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 Abtastvorganges entsteht.

Alternativ kann die Maske durch ein angepaßtes optisches Filter gebildet sein, dessen Lichtdurchlas sigkeit für gebeugte Strahlung automatisch variiert werden kann. Zu diesem 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.

ίο 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

»5 Polarisationsrichtung bei der Beugung an Oberflächenfehlern geändert worden ist.

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 u. dgl. auf der Werkstoffoberfläche festzustellen, die eine Verringerung der Intensität des reflektierten Lichtes bewirken.

Fig. 7 zeigt als Beispiel eine Aufzeichnung des Ausgangssignals eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Detektors in Form einer Spannung als Funktion der Zeit während des Abtastens einer Platte, die drei Kratzer und eine dunkle Linie aufweist. Die Kratzer machen sich als positive Auslenkungen nach oben gegenüber einer Nullinie bemerkbar. Gemäß F i g. 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 der Intensität des reflektierten Lichtes, während Kratzer zu einer Zerstreuung des Lichtes und daher zu einer Erhöhung der Intensität führen. Das Ausgangssignal der 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 od. dgl. zurückzuführende positive Aus-SS gangssignale verarbeitet, während der andere Kanal lediglich von dunklen Stellen u. dgl. herrührende negative Ausgangssignale verarbeitet.

Bei der industriellen Fertigung ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren unter den unterschied lichsten Bedingungen, Fehlerstellen an Werkstoff oberflächen der verschiedensten Art und Größe nachzuweisen, zu unterscheiden und aufzuzeichnen. Das Ausgangssignal des Detektors kann elektronisch ausgewertet werden, z. B. mit Hilfe einer Zähleinrich- tung, und die Ergebnisse können auf beliebige gewünschte 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 sor-

tieren. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309545/303

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nachweisen von Oberflächenfehlern bei einem Werkstoff mit glatten, vorzugsweise ebenen Flächen, der von einer elektromagnetischen Strahlung, die von einer Laserquelle ausgesandt wird und sich relativ zur ebenen Werkstoffoberfläche bewegt, punktweise abgetastet wird, und bei dem das an jedem Punkt durch Beugung entstehende Beugungsmuster einem flächenhaften Detektor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe optischer Einrichtungen das Beugungsmuster während der gesamten Abtastung auf dem flächenhaften Detektor ortsfest abgebildet wird und daß diejenigen Bereiche des zum Beugungsmuster beitragenden Lichts, die zu dem Bereich des am normalen fehlerfreien Oberflächengefüge des Werkstoffs gebeugten Lichts gehören, ausgefiltert oder gedämpft werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfilterung oder Dämpfung des Lichts durch eine das an einem normalen fehlerfreien Punkt der Werkstoffoberfläche entstehende Beugungsmuster abgrenzende Maske (8) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (8) aus einem lichtundurchlässigen Werkstoff besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne ι. daß die Maske (8) ein photographischer Film ist, der mit dem an einem normalen fehlerfreien Teil der Werkstovfoberfläche erzeugten Beugungsmuster belichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (8) ein anpassungsfähiges optisches Filter ist, dessen Lichtdurchlässigkeit sich bei einer Zunahme der Strahlungsintensität mit hinreichender Geschwindigkeit verringert und das seine ursprüngliche Lichtdurchlässigkeit wieder annimmt, sobald es der Strahlung nicht mehr ausgesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das anpassungsfähige optische Filter aus einem photochromen Werkstoff besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (8) ein Polarisationsfilter ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte Detektor (9) in Detektorelemente unterteilt ist, von denen jedes für Oberflächenkratzer empfindlich ist, deren Orientierung innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs liegt.