DE2227436A1

DE2227436A1 - Vorrichtung zur erfassung des porfiles eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2227436A1
Application number: DE2227436A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kurasawa; Massao Okabe; Tamio Santo; Hideo Shibata
Original assignee: Hamamatsu TV Co Ltd; IHI Corp
Current assignee: Hamamatsu TV Co Ltd; IHI Corp
Priority date: 1971-06-08
Filing date: 1972-06-08
Publication date: 1973-01-04
Also published as: US3794427A; DE2227436C3; DE2227436B2; AU4287672A; GB1367988A; JPS5418145B1; CA961261A

Description

13.053 40/ei

PATENTANWÄLTE

Dr. rer. nat. DIETER LOUIS _ _ _ _ . _ _

DipL-Phys. CLAVS PÖHLAL/ 22274

Dipl..|ng. FRANZ LOHRENTZ
8500 NÜRNBERQ KESSLERPLATZ 1

Firma ISIIIiCAWAJBIA-HARBiA JUKOGYO IiABUSHIKI KAISHA,

Tokio / Japan

Firma HAI-IAMATSU TERSBI KABÜSHIKI KAISHA, Shizuoka / Japan

Vorrichtung zur Erfassung des Profiles eines Werkstückes

Die Erfindung, betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Profiles eines Werkstückes, deren Funktion durch die Oberflüchenbeschaffenheit des Werkstückes nicht ungünstig beeinflusst ist, bei der ein Lichtraster auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes projizierbar ist, wobei das projizierte Raster seine Form in Abhängigkeit vom Profil des zu untersuchenden Werkstückes ändert und bei der das projizierte Raster mit einer Abtasteinrichtung abtastbar ist. ' ■

iz werden verschiedene optische Messmethoden benutzt, um

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di.5 (--Λ^-se -:v3r- Unel'-snlisit cl^r Oberfläche von streifenförmigiiii : ;1·3Γ bandähnlichen werkstoffen zn erfassen und auszumessen. Bei einem dieser Verfahren, das mit einer industriellen Fernseheinrichtung arbeitet, wird ein Lichtraster, beispielsweise ein Lichtstreifen,auf die Oberfläche des Werkstückes projiziert und mit einer Fernsehkamera abgetastet. Dabei kann die Grosse der Unebenheit des Werkstückes aus der Abweichung des projizierten oder reflektierten Lichtrasters von seiner unbeeinflussten Form erfasst werden. Diese Methode der Oberflächenausmessung von Produkt®n mittels einer industriellen Fernseheinrichtung weist jedoch mehrere Mängel auf.

Es besteht die Aufgabe„ ein® Vorrichtung zur Ausmessung des Profilas eines Werkstückes so auszugestalten, dass die ver-' schiedenen Nachteile und Probleme, die bei bekannten Vorrichtungen vorhanden sind, nicht auftreten,

Irfindimgsgsmäss wird dies;· Aufgabe ait einer Ein-richtüng d§F eingangs gs&aimten 4s?t dadurch .gelöst _f dass das Raster _ quer- em seiner Längsachse afetastbar isrb, dass eine Detektor-Gtufc sasr B(set3.mmnag des heilsten Pur'rtss dar Bildsignale angsorcteat ist," die bei gedim Abtasten entstehen, dass eine Stufe miT Eildssiieiwörgabi) und ains 33ildz@ilenselektivstufe vorgesehen sind, mit deaen das Prefil von Punkten in der Querrichtung des zu untersuchenden Werkstückes zu erhalten ist- 'λτΛ dass ei??, lineares· lippspannungsgenerator und eine

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Auswertstufe für die Abweichung nachgeschaltet sindy wobei der Auswertstufe Impulse der Stufe zur Bildzeilenvorgabe der Bildzeilenselektivstufe über den Kippspannungsgeneratör zugeführt sind. · .

Vorzugsweise ist ein Impulsgeber angeordnet, der Impulse.in Abhängigkeit von den mit der Detektorstufe erfassten hellsten Punkten erzeugt.

Im folgenden wird die erfindungsgemässe Vorrichtung beispiel· haft anhand der Figuren 1 bis 10 näher erläutert.

Mit den Figuren 1a und 1b wird die Beziehung zwisch Oberflächenbe schaff eriheit eines streifenförmigen Werkstückes' und einem Lichtraster erklärt, das auf das Werkstück proji·= ziert ist. Die Figuren 2a und 2b wurden zur Erklärung ei nes bekannten Verfahrens zum Abtasten der in der Figur 1 g®° zeigten Lichtraster aufgenommen. Die Figuren 3a und 3b zeigen die zeitliche Abhängigkeit der Bildsignalspannuagea₉ die bei der in Figur 2 gezeigten Abtastmethode erhalten tier-= den» Mit den Figuren 4a und 4b wird die schädliche Wirkung örtlicher Verunreinigungen oder Deformationen in des³ Oberfläche eines streifenförmigen Werkstückes auf das auf das Werksrück abgebildete Lichtraster und die' zeitliebs hängigkeit der dabei erhaltenen Bildsignale gezeigte Mit Figuren 5a und 5b - 'wird die ei?£indung§geraässe

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thode erklärt, nach der das auf ein streifenförmiges Werkstück abgebildete Lichtraster abgetastet wird, wobei das Werkstück ebene bzw. glatte und rauhe Flächenstücke auf v/eist. Die Figuren 6a und 6b zeigen die Bildsignalspannungen, die mit der erfindungsgemässen Abtastvorrichtung erhalten werden. Figur 7a zeigt ein Lichtraster, dessen Form durch örtliche Verunreinigungen oder Deformationen in der Oberfläche beeinflusst ist. In den Figuren 7b und 7c ist die Bildsignalspannung gezeigt, die beim Abtasten der in Figur 7a gezeigten Abbildung erhalten wird,. und es sind Impulse aufgetragen, die die Positionen der hellsten Punkte in den Abtastzeilen repräsentieren. Die Figur 8a ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Mit der Figur 8b wird die Einstellung bzw. -Vorgabe der Abtastzeilen erklärt. Die Figuren 9a, 9b und . 9c illustrieren die Beziehung zwischen dem Profil eines Werkstückes und dem Abbild, das man durch die Projektion eines balkenförmigen Lichtrasters auf die Oberfläche des streifenförmigen Werkstückes erhält. Die Figur TOa zeigt das auf die Oberfläche eines streifenförmigen Werkstückes abgebildet· Lichtraster, wobei das Mittelstück des Werkstückes abgesenkt oder erhöht ist und demonstriert das Abtastverfahren für die ses Abbild. Die Figuren 10b und 10c zeigen die Bildsignal-Spannungen, die man durch das Abtasten des in Figur 10a gezeigten Lichtrasters erhält und die Impulsfolge» die Alt dl·· ser Bildsignalspannung erzeugt wird.

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Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zur optischen Erfassung und Ausmessung eines Profiles wird ein Lichtraster auf die Oberfläche eines Werkstückes projiziert, dessen Form sich in Abhängigkeit vom Profil des Prüflings ändert. Das projizierte Lichtraster wird durch Abtasten i-n elektrische Signale aufgelöst, die ihrerseits in Impulse umgewandelt werden, so dass die Abweichungen des Profiles des Prüflings von einem Standard mittels der Abweichungen der Zeit-' intervalle zwischen den Impulsen von einem vorgegebenen Zeitintervall bestimmt werden können.

Vor der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Vorrichtung sei im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis-4 ein bekanntes optisches Messverfahren kurz besprochen. Bei dem bekannten optischen Messverfahren, das mit industriellem Fersehen arbeitet, wird die Messung durch die Oberflächenbeschaffenheit des streifenförmigen Prüflings ungünstig beeinflusst. Besitzt der Prüfling eine reflektierende Oberfläche, so ist das Balkenformbild der Raster, das auf der Oberfläche des Prüflings entstanden oder von der Oberfläche reflektiert wird, sehr klar und scharf, v/ie es in Figur ta gezeigt ist. Besitzt jedoch der Prüfling eine rauhe Oberfläche mit mikroskopisch kleinen Unebenheiten, so wird das aufprojizierte Licht gestreut und man erhält ein verschwommenes; Bild, wie es in der Figur 1b gezeigt ist. Man sieht daher die Bilder, die in den Figuren. 2a^, und 2b.

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gezeigt sind auf der Sichtplatte einer Bildröhre der Fernseheinrichtung falls die Prüflinge eine reflektierende Oberfläche oder eine rauhe Oberfläche besitzen. Das auf dem Prüfling abgebildete oder vom Prüfling reflektierte Licht kann beispielsweise mit fünf Abtastlinien 1¹, 2», 3», 4¹ und 5' in der Längsrichtung des Lichtrasters abgetastet v/erden. Der.zeitliche Verlauf der dabei erhaltenen Bildsignalspannung ist in Figur 3 gezeigt. In Figur 3 ist die Bildsignalspannung längs der Ordinate und die Zeit längs der Abszisse aufgetragen. Hat der Prüfling,wie in der Figur 2a gezeigt, eine reflektierende Oberfläche, so ist die Bildfläche, die mit der dritten Abtastlinie 3¹ abgetastet wird, sehr strahlend, da die dritte Abtastzeile längs des auf engem Raum konzentrierten Lichtrasters verläuft. Der Figur 3a ist zu ent-■' nehmen, dass die Bildsignalspannung, die man mit der dritten Abtastzeile erhält, grosser ist als die, die man mit den Abtastzeilen 1», 2», 4^r und 5¹ bekommt. Ausserdem bleibt die Grosse der Bildsignalspannung während der Abtastzeit Δ t-| konstant. Wird jedoch das LichtiNaster auf einen Prüfling projiziert, der eine rauhere Oberfläche besitzt, so wird das Licht gestreut, so dass die Breite des balkenförmigeh Lichtrasters sich vergrössert, wie in Figur 2b gezeigt ist. Damit wird die Helligkeit des Bildes pro Flächeneinheit ver kleinert. Daraus resultiert, dass man eine höhere Bildsignalspannung längs der Abtastzeilen 2», 3¹ und 4' erhält, wie es die Figur 3b zeigt.. Ausserdem erhält man in den Berei-

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chen höherer Spannungen, die sich über einen Zeitraum At erstrecken sehr schmale Spannungspitzen, ■ wie die Figur 3b zeigt. ■ .

Bei dem bekannten optischen Me ssver fähren, das mit einer industriellen Fernseheinrichtung arbeitet, wird die Messung durch die Öberflächenbeschaffenheit des Prüflings beeinflusst und es ist unmöglich das gesamte Profil eines streifenförmigen Prüflings mit den Bildsignalen auszumessen oder zu erfassen.

Manche streifenförmige Produkte sind ausserdem absichtlich gewalzt, um eine rauhere bzw. porige Oberfläche zu erhalten und um damit eine Beschichtung bzw. einen Anstrich haltbar zu machen. Andere streifenförmige Werkstücke sind örtlich verunreinigt oder deformiert, so dass man ein aufprojiziertes Lichtraster erhält, wie es in Figur 4a gezeigt ist. Daraus resultiert eine Bildsignalspannung, die in Figur '4b aufgezeichnet ist. Dieser Figur ist zu entnehmen, dass die Änderung der Bildsignalspännung, die man in den Abtastzeilen 1' bis 5' erhält, sehr unregelmässig ist.

Um diese Probleme zu überwinden .wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mit einer Begrenzerstufe die Bildsignalspännung V auf einen Wert begrenzt wird, der kleiner als ein vorgegebener Spannungswert ist. Damit kann das wirkliche

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Lichtraster, das auf die Oberfläche eines Prüflings projiziert wurde, reproduziert v/erden und man kann mit ihm das Profil eines streifenförmigen Werkstückes ausmessen bzw. erfassen. Dieses Verfahren zeigt Jedoch auch den Nachteil, dass die Messung oder Erfassung durch örtliche Verunreinigungen oder Deformationen in der Oberfläche ungünstig beeinflusst ist und dieses Verfahren ist daher auf die Benutzung streifenförmiger Prüflinge mit einer reflektierenden Oberfläche beschränkt.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäs- · sen Vorrichtung dargestellt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Profiles besitzt eine Lichtquelle 2, die seitlich und senkrecht zu einem längeren, streifenförmigen Werkstück 1 aufgestellt ist; das Werkstück 1 bewegt sich in der Richtung, die in der Figur durch den Pfeil gekennzeichnet ist. Die Lichtquelle 2 projiziert ein längliches, balkenförmiges Bild 3 auf das streifenförmige Werkstück 1. Das projizierte Bild liegt im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Werkstückes. Mit einer Fernsehkamera 4 wird das projizierte Bild 3 quer zu seiner Längsachse abgetastet. Die mit der Kamera 4 erhaltenen Signale werden in einem Bildverstärker 5 verstärkt. Nachgeschaltet ist eine Detektorstufe oder ein Impulsgeber 6, mit dem der hellste Punkt in den Abtastzeilen 1', 2', 3',..., erfasst werden kann und Impulse in Abhängigkeit von den er-

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fassten hellsten Punkten erzeugt -werden können. Vorgesehen ist weiterhin eine Stufe A zur Bildzeilenvorgabe und eine Bildzeilenselektivstufe 11, mit denen eine der Abtastzeilen in Abhängigkeit von den Impulsen ausgewählt werden kann, die die hellsten Punkte in den Abtastzeilen 1' bis n¹ repräsentieren.. Nachgeschaltet sind eine 'Gatter- oder Torstufe 7, ' eine Stufe mit logischen Verknüpfungen oder eine Rechenstufe 8, ein linearer Kippspannungsgenerator 9, mit dem die Spannung linear mit der Zeit vergrössert werden kann, und eine Auswertstufe 10 für Abweichungen.

Das von der Lichtquelle 2 projezierte längliche Bild 3 wird mit der Kamera 4 abgetastet. Die erhaltenen Signale werden an den Punkten I und II einem Monitor zugeführt. Hat das streifenförmige Werkstück 1 eine reflektierende Oberfläche so erhält man als Bild eine scharfe Linie. Ist jedoch die Oberfläche des streifenförmigen Werkstückes 1 rauh, porenförmig oder porös so. beobachtet man als Bild eine relativ breite Linie.

Wird der Lichtfleck 3 mit fünf Abtastlinien 1', 2', 3^:, 4' und 5' abgetastet, so zeigt die Überwachung bei einem streifenförmigen Prüfling mit einer reflektierenden Oberfläche ein Bild entsprechend Figur 5a und bei einem streifenförmigen Prüfling mit einer porösen Oberfläche ein Bild entsprechend Figur 5b Die entsprechenden Bildsignale

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sind in den Figuren 6a und 6b gezeigt. In Figur 6 ist die Signalspannung längs der Ordinate und die Zeit längs der Abszisse aufgetragen und jede Abtastzeile hat eine Spitze. Falls die Oberfläche des streifenförmigen Werkstückes 1 örtlich verunreinigt oder deformiert ist, wie es die Figur 7a zeigt, so v/erden die Spitzen der Abtastzeilen 1', 3' und 5¹ breiter als die Spitzen der Abtastzeilen 2' und 4^!. Dies kann der Figur 7b entnommen v/erden. Werden jedoch mit dem Impulsgeber 6 Rechteckimpulse erzeugt, so erhält man Spannungssignale, wie sie in der Figur 7c gezeigt sind. Diese Impulse sind in Abhängigkeit von den Spitzen der Abtastsignale erzeugt. Drei Beispiele für die Beziehung zwischen der Oberflächenbeschaffenheit des streifenförmigen Prüflings 1 und dem Bild 3, das mit der Lichtquelle 2 auf den Prüfling projiziert ist, sind in Figur 9 illustriert. Ist die Oberfläche eben, so erhält man wie Figur 9a zeigt, ein gerades Projektionsbild. Falls die Oberfläche in ihrem Hittelstück eine Erhebung oder Einsenkung besitzt, so zeigt das Bild im Zentrum eine Ausbiegung, wie es in Figur 9b dargestellt ist. Besitzt die Oberfläche längs der Seitenkanten Knicke, so ist das Bild an beiden Enden abgebogen, wie es die Figur 9c zeigt. Beispielhaft soll die Erfassung einer Oberfläche beschrieben v/erden, die in ihrem Hittelstück eine Erhebung oder Einsenkung besitzt. Das in Figur 10a gezeigte Projektionsbild wird mit fünf Abtastzeilen 1¹ bis 5¹ abgetastet, die in der -Bewegungsrichtung des streifenförmigen Prüflings

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liegen. In diesem Falle erhält man für jede Abtastzeile die Beziehung zwischen der Signalspannung V und der Zeit ^q₃ die in Figur 10b gezeigt ist. Diese. Signale v/erden mit dem Impulsgeber 6 (siehe Figur 8) in die Impulse umgeformt, die in Figur 1Oo ezeigt sind. Besitzt das streifenförmige Werkstück 1 eine ebene Oberfläche, so ist der zeitliche · Abstand zwischen benachbarten Impulsen, die den Abtastzeilen 1' bis 5¹ entsprechen, gleich At. Im Falle des in Figur 10a gezeigten Projektionsbildes, ist der Teil des Projektionsbildes 3, der mit der dritten Abtastzeile abgetastet wird, nach oben ausgelenkt, so dass der Impuls, der der Abtastzeile 3¹ entspricht nach links verschoben ist, wie es durch den ausgezogenen Impuls in Figur 10c gezeigt ist. Das bedeutet, dass der Zeitabstand zwischen den Inpulsen, die den Abtast- ' zeilen 2' und 3' entsprechenden folgender Beziehung genügt: A^¹ "CAt. Entsprechend genügt das Zeitintervall zwischen den Impulsen, die den Abtastzeilen 3' und 4¹ entsprechen der Beziehung: At¹' <.At.

Um eine der Abtastzeilen, beispielsweise die Zeile 1 '> in Abhängigkeit von den Impulsen 1' bis 5' zu überprüfen, die die hellsten Punkte in den Abtastzeilen 1¹ bis 5¹ repräsentieren, sind die Prüf- bzw. Vorgabezeilen 1' bis n¹ vorge-· sehen, mit denen über die Bildzeilenselektivstufe 11 ein Impuls erzeugt wird, durch den die gewünschte Abtastzeile 1' ausgewählt·wird. Der Impuls, der den hellsten Punkt in der

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zu überprüfenden Abtastzeile repräsentiert und der Impuls der Bildzeilenselektivstufe 11 werden der Gatterstufe 7 zugeführt. Der Ausgang der Stufe 7 ist mit dem logischen Schaltkreis 8 verbunden. Der Ausgang des logischen Schaltkreises 8 ist einem Spannungsgenerator zugeführt, dessen Aus-" gang mit der Auswertstufe 10 für die Abweichung verbunden ist. In der Detektorstufe für die Abweichung wird der Mittelpunkt des Impulses bestimmt, womit Aufschluss über das Profil des Flächenstückes des streifenformigen Werkstückes 1 erhalten wird, das mit der Abtastzeile 1' abgetastet wurde. Diese vierte können auch über die Torschaltung 7 mittels einer Rechenstufe erhalten werden, die anstelle des logischen Schaltkreises 8, des Spannungsgenerators 9 und der Auswertstufe 10 für die Abweichung benutzt werden kann.

In der beschriebenen Weise werden die Abtastzeilen 2', 3¹, 4¹, ... und n' nacheinander überprüft, so dass die Abweichung der Impulsstellungen 1¹, 2¹, ... und n¹ von der korrekten Stellung erhalten werden kann. Damit wird die Abweichung der Oberfläche des streifenformigen Prüflings 1 von einem Oberflächenstandard erfasst und ausgemessen.

Die erfindungsgemässe optische Vorrichtung ist nicht auf die Abtastmethode beschränkt, die im Ausführungsbeispiel beschrieben wurde und bei der das optische Lichtraster in einem rech ten Winkel zu einer Rasterkant'e abgetastet wurde. Es kann Je-

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de andere Abtastmethode mit einer querlaufenden Abtastung
des Rasterbildes benützt werden.

Erfindungsgemäss wird die Abweichung des Profiles eines
streifenförmigen Werkstückes vom korrekten Profil 'dadurch
erfasst, dass die Abweichungen von Impulsen von ihrer kor- . rekten Stellung gemessen werden. Daher ist das richtige
oder Standard Profil nicht auf ein gerades 'Projektionsbild
beschränkt, wie es im Ausführungsbeispiel gewählt wurde.

In der erfindungsgemässen optischen Abtastvorrichtung wird · ein optisches Raster, beispielsweise ein Balken, ein Fleck oder ein ähnliches Muster, auf ein streifenförmiges oder
bandähnliches Werkstück projiziert, das ein Kunststoffstrei-.fen, ein Papierstreifen, eine Glasplatte oder ähnliches sein kann. Das optische. Muster kann auch auf den streifenförmigen Prüfling projiziert und von diesem auf einen Bildschirm oder eine ähnliche Einrichtung reflektiert werden. Ausserdem kann die sogenannte Zerlegungsmethode benützt v/erden, bei der ein reflektiertes Bild, ein virtuelles Bild oder ein zerlegtes
Bild eines optischen Rasters verwendet wird. Die so erhaltene Abbildung wird mit einer Kamera in der Bewegungsrichtung des streifenförmigen Prüflings abgetastet, um die Abbildung in elektrische Signale umzuformen. Aus den so erhaltenen elektrischen Signalen werden Impulse gewonnen, mit denen die Abweichung des sfcreifenförmigen Prüflings von einem vorgegebenen Profil aus

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der Abweichung des Zeitintervalles zwischen den Impulsen' von einem vorgegebenen Zeitintervall bestimmt v/erden kann. Die Erfassung und Ausmessung des Oberflächenprofiles eines streifenförmigen Prüflings beruht auf der Abweichung des Zentrums des Lichtrasters in der Abtastrichtung, womit die Erfassung durch örtliche Verunreinigungen oder Deformierun- gen der Oberfläche des streifenförmigen Prüflings nicht ungünstig beeinflusst wird. Die erfindungsgmässe Vorrichtung zur optischen Erfassung eines Profiles kann vielfältig verwendet werden. Die entstehenden Kosten sind gering und die Wartung und der Betrieb der Vorrichtung sind äusserst einfach.

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Claims

Patentansprüche

1. !Vorrichtung zur Erfassung des Profiles eines Werkstückes, deren Funktion durch die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes nicht ungünstig beeinflusst ist, bei der ein • Lichtraster auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstückes projizierbar ist, wobei das projizierte Raster seine Form in Abhängigkeit vom Profil des zu untersuchenden Werkstückes ändert, und bei der das projezierte Raster mit einer Abtasteinrichtung abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster (3) quer zu seiner Längsachse abtastbar ist, dass eine Detektorstufe (6) zur Bestimmung des hellsten Punktes der Bildsignale angeordnet ist, die bei jedem Abtasten entstehen, dass eine Stufe (A) zur Bildzeilenvorgabe und eine Bildzeilenselektivstufe (11) vorgesehen sind, mit denen das Profil von Punkten in der Querrichtung des zu untersuchenden Werkstückes zu erhalten ist, und dass ein linearer Kippspannungsgenerator (9) und eine Auswertstufe (10) für die Abweichung nachgeschaltet sind, wobei der Auswertstufe Impulse der Stufe zur Bildzeilenvorgabe und der Bildzeilenslektivstufe über den Kippspannüngsgenerator zugeführt sind.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgeber (6) angeordnet ist, der Impulse in Abhängigkeit von den mit der Detektorstufe (6) erfassten hellsten Punkten erzeugt.

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