DE2521037B2 - Verfahren und einrichtung zur messung und/oder ueberwachung der gleichfoermigkeit der oberflaeche eines werkstueckes - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur messung und/oder ueberwachung der gleichfoermigkeit der oberflaeche eines werkstueckesInfo
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Description
50
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung und/oder Überwachung der
Gleichförmigkeit der Oberfläche eines in Längsrichtung bewegten Werkstückes, dessen Oberfläche rasterartig
zyklisch quer zur Vorschubrichtung durch Lichtstrahlen
abgetastet wird, wobei Ungleichförmigkeiten der Oberfläche vermittels von Meßfehlern als Intensitätsänderungen
des reflektierten Streulichtes ermittelt werden.
Es ist bekannt. Unregelmäßigkeiten der Oberfläche <*>
eines Werkstückes, insbesondere eines Bandes, aufzuspüren, indem die Oberfläche des Werkstückes bzw.
Bandes beleuchtet wird. Durch Auffangen des reflektierten Lichtes und Messen seiner Lichtstärke läßt sich
ein Vergleichswert für die Qualität der Werkstücks- h?
oberfläche ermitteln. 1st z, B. die Oberfläche von gleichmäßiger Struktur bzw. Qualität, dann bleibt auch
die Intensität des reflektierten Lichtes während der Auslenkung gleichmäßig; weist dagegen die Oberfläche
des Werkstückes aber Kratzer, Anrisse oder andere Schadstellen auf, so wird die Intensität des reflektierten
Lichtes schwanken.
Um auch in Vorschubrichtung des Bano.es sich erstreckende Oberflächenschäden erkennen zu können
sowie zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei der Oberflächenuntersuchung hat es sich bewährt, das Band
nicht jeweils in seiner gesamten Breite zu untersuchen, sondern nur jeweils schmale, quer zur Vorschubrichtung
des Bandes verschobene Oberflächenbereiche desselben zu überprüfen. Nach der DT-OS 19 10 048 kann dies
bewirkt werden, indem das Band in seiner gesamten Breite, beispielsweise entlang einer Mantellinie einer
durch eine Walze gebildeten Schlaufe, konstant beleuchtet wird, und indem durch eine Abtastvorrichtung
nur jeweils eine schmale, wandernde Zone der Mantellinie auf dem Auswertungsorgan abgebildet wird.
Die DT-OS 2131697 zeigt, daß auch mit einem
ausgelenkten, scharfen Beleuchtungsstrahl gearbeitet
werden kann, wobei das gesamte, vom beleuchtbaren Breitenbereich reflektierte Licht zur Auswertung
gelangt. Nach den DT-OS 20 51908 und 22 25 299 werden sowohl ein begrenztes Lichtbündel als auch das
Abtastbündel periodisch ausgelenkt, wobei gemäß der DT-OS 20 51 908 das beleuchtende sowie das reflektierte
Licht weitgehend gleichachsig geführt und durch die selben Auslenkmittel, beispielsweise einen rotierenden
Winkelspiegel, ausgelenkt werden.
Eine zonenweise Abtastung eines in einem Walzwerk gewalzten Metallbandes ohne periodisches Auslenken
von Lichtstrahlen ist in der DT-C)S 22 52 860 offenbart. Das durchlaufende Metallband wird in einer Querzone
konstant und gleichmäßig ausgeleuchtet, die mittels eines Objektives auf einer Reihe nebeneinanderliegender
lichtelektrischer Wandler, beispielsweise Fotozellen, abgebildet wird. Zwar läßt sich hier der bei breiten
Bändern zum Rande hin auftretende Abfall des reflektierten Lichtes durch unterschiedliche Einstellung
der Grundverstärkung der den Wandlern folgenden Verstärker berücksichtigen, die Ansprechempfindlichkeit
innerhalb dieser Bereiche ist aber gegenüber der der Mittelbereiche abgesunken, und sich in Längsrichtung
des Metallbandes erstreckende Oberflächenstörungen lassen sich nicht feststellen. Nach der DT-OS
14 73 743 wird bei einer ähnlichen Anordnung die Reihe der lichtelektrischen Wandler auf einer Leiste angeordnet,
die periodisch um eine geringe Strecke quer zur Vorschubrichtung des Bandes verschoben wird. Durch
die Einführung einer solchen Verschiebung wird gesichert, daß die seitlichen Begrenzungen auch in
Längsrichtung des Bandes sich erstreckender Fehlstellen sich als Beleuchtungsschwankungen des periodisch
über ihnen verschobenen lichtelektrtschen Wandlers auszuwirken vermögen.
Die bekannten Abtastverfahren haben sich insbesondere bei der Abtastung relativ schmaler Werkstücke
bzw. Bänder bewährt. Beim Abtasten breiter Bänder jedoch erweist es sich als unvorteilhaft, daß entweder
die Abtastung aus relativ großer Entfernung vorgenommen werden muß und damit die Meßeinrichtung
erhebliche Dimensionen einnimmt, oder aber über den Abtastweg der Lichtstrahlen sich der Auftreffwinkel des
abtastenden Strahlenbündels sowie die maximale Intensität des reflektierten Lichtes aufweisende Richtung
ändern, so daß bereits aus diesem Grunde längs des Abtastweges Intensitätsänderungen auch bei einwandfreier
Oberfläche erhalten werden, deren Ausschaltung
durch Überlagerung einer Funktion des Auslenkwinkels und/oder überlagerter niedriger Frequenzen des Abtastergebnisses
schwierig ist und zur Vernachlässigung großflächiger Fehler führen kann. Durch Vergrößerung
der Entfernung läßt sich zwar die Änderung des Auftreffwinkels verringern, die Einrichtung nimmt aber
unerwünscht große Abmessungen an und das Abtast-Strahlenbündel sowie das von der Oberfläche reflektierte
Licht werden in ihrer Intensität unliebsam verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Hinrichtung zu schaffen, das die
Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet, wobei die Einrichtung robust und gedrängt aufgebaut
und gleichzeitig empfindlich sein soll.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mehr als ein Strahlenbündel jeweils nur über
einen Teil der Breite des Werkstückes erfassende Zonen so ausgelenkt wird, daß jeder Breitenbereich des
Werkstückes von mindestens einer Abtastzone erfaßt wird, und daß die bezüglich der Werkstückbreite
aneinandergrenzenden beziehungsweise sich überlappenden Abtastzonen in Längsrichtung des Werkstückes
gegeneinander versetzt sind.
Hierdurch werden Abtastzonen geschaffen, die nur jeweils einen Teil der Breite des Werkstückes erfassen,
und deren Auftreffwinkel daher sich nur in erwünscht geringem Maße ändert, ohne daß zwischen den
Abtastzonen von der Überprüfung nicht erfaßte Breitenbereiche stehen bleiben, oder aber die Messungen
in unterschiedlichen Abtastzonen durch Überlappungsvorgänge verfälscht werden: in Auslenkrichtung
bleibt zwischen in einer Linie hintereinander liegenden Abtastzonen jeweils eine Lücke, die etwa der Länge
einer Abtastzone entspricht.
Bewährt hat es sich, die Strahlenbündel durch eine gemeinsame Lichtquelle zu speisen, die in eine Anzahl
von Strahlenbündeln aufgeteilt wird. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Auslenkung der
Strahlenbündel durch ein einziges, periodisch bewegtes Auslenkglied bewirkt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens hat sich eine Einrichtung bewährt, die mit Vorrichtungen zum
Bewirken von im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Werkstückes gerichteten Strahlenbündeln
und mit Vorrichtungen zum zyklischen Auslenken derselben über die Breite des Werkstückes erfassende
Abtastzonen ausgestattet ist, sowie jeweils den Abtastzonen zugeordnete, auf das von diesen reflektierte Licht
ansprechende und dessen Intensität anzeigende Meßfühler aufweist. Bewährt hat es sich, den Vorrichtungen
zum Bewirken der Strahlenbündel Anordnungen nachzuordnen, welche die Strahlenbündel der aufeinanderfolgenden
Abtastzonen alternierend in und entgegen der Vorschubrichtung des Werkstückes konstant
auslenken. Als solche Vorrichtungen zum Auslenken der Strahlenbündel können jeweils einem Strahlenbündel
zugeordnete Spiegel vorgesehen sein, die alternierend nach vorne und nach rückwärts gegen die Werkstück-Normale
geneigt angeordnet sind.
Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich, wenn das von vorzugsweise einer Lichtquelle herrührende
Licht durch Vorrichtungen in getrennte Abtast-Strahlenbündel aufgeteilt wird und durch einen periodisch
bewegten Spiegel das Licht und/oder die Strahlenbündel entsprechend den Abtastzonen zeilenrasterartig
ausgelenkt werden. Bewährt hat es sich, eine nach dem Laserprinzip arbeitende Lichtquelle vorzusehen.
im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung
anhand eines Ausführungsbeispieles und dieses darstellenden Zeichnungen erläutert Es zeigen hierbei
F ig. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung
zur Überwachung der Gleichförmigkeit der Oberfläche eines in Längsrichtung bewegten Werkstückes quer zur
Vorschubrichtung betrachtet,
Fig.2 schematisch eine Seitenansicht der Einrichtung
nach F ig. I.und
F i g. 3 eine Aufsicht auf die Einrichtung und die zu überprüfende Werkstückfläche entlang der Linie JII-IIl
der F i g. 2.
In den Figuren ist als zu überprüfendes langes und flaches Werkstück ein Metallband 18 dargestellt, das in
Längsrichtung gemäß der Pfeile A der F i g. 1 bis 3 bewegt wird. Gehalten bzw. geführt wird das Metallband
18 gemäß Fig.2 durch seine Unterseite abstützende Führungsrollen.
Zur Erzeugung der Abtast-Strahlenbündel ist eine Lichtquelle 10 vorgesehen, die vorteilhaft als Laser-Lichtquelle
ausgebildet ist. Das von der Lichtquelle abgegebene Licht passiert einen Kondensor 11 und wird
dann von einem halb versilberten Spiegel 14a in zwei Strahlenbündel aufgeteilt. Das vom Spiegel 14a
reflektierte Strahlenbündel passiert ein Prisma 15a, daß es um 90° auf einen weiteren halb versilberten Spiegel
14b ablenkt, der dieses Strahlenbündel nochmals in zwei Strahlenbündel aufteilt. Der vom Spiegel 14b reflektierte
Strahl wird vom Prisma 15ö um 90° auf einen dritten halb versilberten Spiegel 14c ausgelenkt, der auch dieses
Strahlenbündel in zwei weitere aufteilt. Das vom Spiegel 14c reflektierte Lichtbündel wird über ein
weiteres Prisma 15c auf einen rotierenden Polygonspiegel 16 ausgelenkt, auf den mit jeweils gleichen
Auftragszonen auch die übrigen Strahlenbündel gerichtet sind. Die vorteilhaft zu ihren Auftreffpunkten auf
dem Metallband 18 konvergierenden bzw. mindestens nicht divergierenden engen Strahlenbündel werden von
der in Wirkstellung des Polygonspiegels 16 stehenden Fläche auf separate, unterschiedlich geneigte Spiegel
17a bis I7d geworfen, die oberhalb des Metallbandes 18 angeordnet sind. Die von diesen Spiegeln reflektierten
Lichtbündel werden direkt nach unten auf das Werkstück gerichtet und treffen im wesentlichen
rechtwinklig zu dessen Oberfläche auf.
Während des Betriebs rotiert der Polygonspiegel 16, so daß die über die Spiegel 17a bis \7d umgelenkten
Lichtbündel länglich-schmale Abtastzonen Zp, Zq. Zr und Zs zeilenrasterartig überstreichen, wobei die
Gesamtbreite der vier Abtastzonen mindestens der Gesamtbreite des Werkstückes entspricht, so daß in der
den Querschnitt des Metallbandes 18 und dessen Breite wiedergebenden F i g. I die dort dargestellten Abtastzonen
in Querrichtung des Metallbandes aneinanderschließen oder einander leicht überlappen. Die gleiche
F i g 1 zeigt aber, daß zwischen den Spiegeln 17a und 17d weitere Spiegel 19a bis 19d vorgesehen sind. Gemäß
F i g. 2 sind diese Spiegel leicht gegen die auf dem Metallband 18 stehende Vertikale geneigt, und zwar
sind die Spiegel 19a und 19c gegen die Vertikale im Rechtssinne, die Spiegel 19b und \9d dagegen im
Linkssinne geneigt. Damit aber werden die praktisch innerhalb der Vertikalen von den Spiegeln 17
eintreffenden Lichtbündel P. Q. R und 5 alternierend seitlich ausgelenkt, und zwar die Strahlenbündel Pund R
nach links in eine Symmetrielinie X der zugeordneten Abtastzonen, während die Strahlenbündel Q und S nach
rechts in Richtung auf die Symmetrielinie V ihrer Abtastzonen ausgelenkt werden. Damit sind die
Strahlenbündel Q und S in Bewegungsrichtung A des
Metallbandes 18 ausgelenkt, während die Lichtbündel P und R eine ebenso konstante Auslenkung nach
rückwärts bzw. entgegen der Richtung A erfahren.
Das aus den Abtastzonen der Lichtstrahlen O und R -reflektierte
Licht bzw. Streulicht wird durch je einer Abtastzone zugeordnete Kondensoren 21a und 21c
aufgefangen und dem zugeordneten der Meßfühler 20a und 20c zugeführt, die mit Fotozellen, Foto-Halbleitern
od. dgl. ausgestattet sind und ein elektrisches Signal n> erzeugen, das der Intensität des in den Meßfühler
einfallenden Lichtes entspricht. Entsprechend wird von den entlang der Symmetrielinie V angeordneten
Abtastzonen das reflektierte Streulicht, konzentriert durch Kondensoren 216 und 21c/, durch Meßfühler 20b is
und 2Od überwacht und in elektrische Signale umgeformt. Den Meßfühlern sind elektrische Schalt- b/.w.
Überwachungsvorrichtungen nachgeordnet, welche auf Ungleichförmigkeiten des von den Abtastzonen reflektierten
Lichtes ansprechen und die jeweilige Oberflä· :u
chenqualität anzeigen und/oder das Auftreten unzulässiger Abweichungen melden und/oder aufzeichnen.
Insbesondere Fig.3 zeigt anschaulich die Wirkung
der in Längsrichtung des Werkstückes alternierend bewirkten konstanten Auslenkung der Lichtbündel und ^s
der damit verbundenen alternierenden Versetzung der Abtastzonen. So werden die Zonen Zq und Zs in Folge
der Neigung der Spiegel 196und iWzur Symmetrielinie
Y hin ausgelcnkl, während die beiden anderen Abtastzonen durch die Spiegel 19a und 19c zur w
Symmetrielinie X hin verschoben werden, so daß in F i g. 1 benachbarte und damit bezüglich der Werkstückbreite
aneinanderschließcnde oder leicht überlappende Abiast/.oncn in Längsrichtung des Werkstückes durch
einen relativ großen Abstand getrennt sind. Damit aber besieht praktisch keine Möglichkeit, daß Meßfühler
Licht auffangen, das nicht vom ihnen zugeordneten Strahlenbündel bewirkt ist: in Querrichtung des
Werkstückes ist in der gleichen Symmetrielinie die nächste Abtastzone durch eine indifferente Lücke von
der Länge einer Abtastzone getrennt, während die bezüglich der Breitenabtastung benachbarte der Abtastzonen
um den Abstand der Symmetrielinien X, Y entfernt ist. Die Meßfühler 20 mit den ihnen
zugeordneten Kondensoren 21 erfassen daher tatsächlich nur das Licht einer Abtastzone bzw. eines
Abtaststrahlenbündels, so daß eine definierte und von Fremd-lmensitätsschwankungcn freie Messung erreicht
wird, bei der durch Oberflächenschäden bedingte Intensitätsabweichungen sich stark gegen den überall
vorhandenen, beispielsweise durch Fremdlicht bedingten Störpegel abheben und eine sowohl empfindliche als
klare Anzeige erreicht wird
Die Einrichtung läßt sich mit beliebig wählbaren Lichtquellen betreiben, und die Anzahl der Lichtquellen
kann zwischen eins und der Anzahl der benötigten Strahlenbündel schwanken. Es kann mit parallelem, aber
auch mit, ggf. mehrfach, konvergierendem Licht gearbeitet werden. Ferner ist es möglich, ggf. die
Lichtquelle, insbesondere aber die Meßfühler, mil Filtern auszustatten, welche, beispielsweise zur Reduzierung
etwaigen Fremdlichteinflusses, die Benutzung ausgewählter Spektralbercichc erlauben. Schließlich
besteht auch die Möglichkeit, außerhalb des sichtbarer Spcktralbcreiches liegende Strahlen zu benutzen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Messung und/oder Überwachung der Gleichförmigkeit der Oberfläche eines in
Längsrichtung bewegten Werkstückes, dessen Oberfläche rasterartig zyklisch quer zur Vorschubrichtung
durch Lichtstrahlen abgetastet wird, wobei Ungleichförmigkeiten der Oberfläche vermittels von
Meßfühlern als Intensitätsänderungen des reflektierten Streulichtes ermittelt werden, dadurch to
gekennzeichnet, daß mehr als ein Strahlenbündel (P, Q, R, S) jeweils nur über einen Teil der
Breite des Werkstückes (18) erfassende Zonen (Z) so ausgelenkt wird, daß jeder breitenbereich des
Werkstückes von mindestens einer Abtastzone erfaßt wird, und daß die bezüglich der Werkstückbreite
aneinandergrenzenden bzw. sich überlappenden Abtastzonen (Z) in Längsrichtung des Werkstückes
gegeneinander versetzt sind
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I. gekennzeichnet durch Vorrichtungen
(14, 15) zur Aufteiluni; des vorzugsweise von einer einzigen Lichtquelle (10) kommenden Lichtes
in mehrere getrennte, senkrecht auf die Oberfläche des Werkstückes (18) gerichtete Strahlenbündel (P. ^s
Q, R, S) und Vorrichtungen (16, 17) zum zyklischen
Auslenken der Strahlenbündel über die Breite des Werkstückes (18) erfassende Abtastzonen (Z) sowie
jeweils den Abtastzonen (Z) zugeordnete, auf das von diesen reflektierte Licht ansprechende und
dessen Intensität anzeigende Meßfühler (20).
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (14, 15, 17) zur
Aufteilung und Auslenkung der Strahlenbündel (P.
Q, R. S) zusätzliche Auslenkvorrichtungen nachgeordnet
sind, welche die aufeinanderfolgend eintreffenden Strahlenbündel (P, Q, R, S) alternierend
seitlich in und entgegen der Vorschubrichtung (A)Az* Werkstückes (18) konstant auslenken.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtungen (19) zum Auslenken der Strahlenbündel (P. Q, R, S) jeweils einem
Strahlenbündel zugeordnete Spiegel (19a bis I9d) aufweisen, die alternierend nach vorne und nach
rückwärts gegen die Werkstück-Normale geneigt angeordnet sind.
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