DE2521037C3

DE2521037C3 - Verfahren und Einrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Gleichförmigkeit der Oberfläche eines Werkstückes

Info

Publication number: DE2521037C3
Application number: DE2521037A
Authority: DE
Inventors: Yukio Yamato Nagao; Masayoshi Yokohama Shimada
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-05-12
Publication date: 1978-03-30
Also published as: US4013367A; DE2521037A1; JPS5248031B2; DE2521037B2; JPS50145290A

Description

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 Verglcichswert für die Qualität der Werkstücksoberfläche ermitteln. Ist 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 Bandes sich erstreckende Oberflächenschäden erkennen zu können sowie zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei der Oberfläehenuntersuchung hat es sich bewährt, das Band nicht jeweils in seiner gesamten Breite zu untersuchen,

ίο sondern nur jeweils schmale, quer zur Vorschubrichtung des Bandes verschobene Oberflächenbereiche desselben zu überprüfen. Nach der DE-OS 19 10 048 kann dies bewirkt werden, indem das Band in seiner gesamten Breite, beispielsweise enüang einer Mantellinie einer di'rch 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 DE-OS 21 31 697 zeigt, daß auch mit einem ausgelenkten, scharfen Beleuchtungsstrahl gearbeitet werden kann, wobei das gesamte, vom beleuchtbaren Breitenbereich reflektierte Licht zur Auswertung gelangt. Nach den DE-OS 20 51908 und 22 25 299 werden sowohl ein begrenztes Lichtbündel als auch das Abtastbünde! periodisch ausgelenkt, wobei gemäß der DE-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 DE-OS 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 DE-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 Beleuchtungsschwankungcn des periodisch über ihnen verschobenen lichtelektrischen 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

f>o 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 Einrichtung zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet, wcbei 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 ausgetenkt 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 Wer.'cstückss 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 Werkv'.ückes erfassende Abtastzonen ausgestattet ist, sowie jeweils oen Abtastzonen zugeordnete, auf das von diesen reflektierte Licht ansprechende und dessen Intensität anzeigende Meßfühler aufweist. Bewährt i:it 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 zcilenrasterartig ausgelenkt werden, bewährt hat es sich, eine nach dem Laserprinzip arbeitende '.'chtquelle vorzusehen.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung

anhand eines Ausführungsbeispieles und dieses darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei

Fig. I 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 Fig. !,und

Fig.3 eine Aufsicht auf die Einrichtung und die zu überprüfende Werkstückfläche entlang der Linie IH-III 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 Fig. 1 bis 3 bewegt wird. Gehalten b :w. 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 Spiegd 14a in zwei Strahlenbündel aufgeteilt. Das vom Spiegel 14a reflektierte Strahlenbündel passiert ein Prisma 15.' daß es um 90° auf einen weiteren halb versilberten Spiegel 146 able.ikt, der dieses Strahlenbündel nochmals in zwei Strahlenbündel aufteilt. Der vom Spiegel 146 reflektierte Strahl wird vom Prisma 156 um 90° auf einen dritten halb versilberten Spiegel 14causgelenkt, der auch dieses Strahlenbündel in zwei weitere aufteilt. Das vom Spiegel 14c reflektierte Lichtbündel wird über ein weiteres Prisma 15cauf 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 YIdgeworfen, 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 cessen Oberfläche auf.

Während des Betriebs rotiert der Polygonspiegel 16, so daß die über die Spiegel 17a bis 17c/ 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 Abiastzo nen in Querrichtung des Metallbandes aneinanderschlieiien oder einander leicht überlappen. Die gleiche Fig. 1 zeigt aber, daß zwischen den Spiegeln 17a und 17c/weitere Spiegel 19a bis 19c/vorgesehen sind. Gemäß Fig. 2 sind diese Spiegel leicht gegen die auf dem Metallband 18 stehende Vertikale geneigt, und zwar sind die Spiegel I^a und 19c gegen die Vertikale im Rechtssinne, die Spiegel 196 und 19c/ dagegen im Linkssinne geneigt. Damit aber werden die praktisch innerhalb der Vertikalen von den Spiegeln 17 eintreffenden Lichtbündel P, Q, R und S alternierend seitlich ausgelenkt, und zwar die Strahlenbündel Puna R nach links in eine S;mmetrielinie X der zugeordneten Abtastzonen, während die Strahlenbündel Q und S nach rechts in Richtung auf die Symmetrielinie Y ihrer Abtastzonen ausgelenkt werden. Damit sind die

Strahlenbündel Q und .S' in Bewegungsrichtung A des Metallbandes 18 ausgelenkt, während die Lichtbündel P und W eine ebenso konstante Auslenkung nach rückwärts b/w. entgegen der Richtung A erfahren.

Das aus den Abtastzonen der Lichtstrahlen O und R ^s reflektierte Licht bzw. Streulicht wird durch je einer \btastzone zugeordnete Kondensoren 21a und 2Icaufgefangen und dem zugeordneten der Meßfühler 20.7 und 20t'zugeführt, die mit Fotozellen. Foto-Halbleilcrn od dgl ausgestattet sind und ein elektrisches Signal i< > erzeugen, das der Intensität des in den Meßfühler einfallenden Lichtes entspricht, fintsprechend wird von den entlang der .Symmetrielinie Y angeordneten Abtastzonen das reflektieru Streulicht, konzentriert durch Kondensoren 216 und Hd. durch Meßfühler 20b und 20</ überwacht und in ■ lektrische Signale umgeformt. Den Meßfühlern sind elektrische Schalt- bzw.

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Ungleichformigkciten des von den Abtasizonen reflektierten Lichtes ansprechen und die jeweilige Obcrflä- :<> chenqiialitat anzeigen und/oder das Auftreten unzulässiger Abweichungen melden und/oder aufzeichnen.

Insbesondere I i g. 3 zeigt anschaulich die Wirkung der in Längsrichtung des Werkstückes alternierend bewirkten konstanten Auslenkung der Lichtbündel und 2s der damit verbundenen alternierenden Versetzung der Abtastzonen. So werden die Zonen Zq und Zs in Folge der Neigung der Spiegel 19fcund 19c/zur Symmetrielinic V hin ausgelenkt, während die beiden anderen Abtastzonen durch die Spiegel 19a und 19c zur \o Symmetrielinic Λ hin verschoben werden, so daß in F 1 g. I benachbarte und damit bezüglich der Werkstückbreite ancinanderschließende oder leicht überlappende Abiasizonen in Längsrichtung des Werkstückes durch einen relativ großen Abstand getrennt sind. Damit aber besteht praktisch keine Möglichkeit, daß Meßfühler Licht auffangen, das nicht vom ihnen zugeordneten Strahlenbündel bewirkt ist: in Querrichtung des Werkstückes ist in der gleichen Symmetrielinic die nächste Abtastzone durch eine indifferente Lücke von der Länge einer Abtastzone getrennt, während die bezüglich der Breitsnabtastung benachbarte der Ablastz.onen um den Abstand der Symmctrielinien X. Y entfernt ist. Die Meßfühler 20 mit den ihnen zugeordneten Kondensoren 21 erfassen daher tatsäch lieh nur das Licht einer Abiastzone bzw. eines Abtaststrahlcnbündcls. so daß eine definierte und von Fremd-Intensitätsschwankungcn freie Messung erreicht wird, bei der durch Oberflächcnschädcn bedingte Intensitätsabweichungen sich stark gegen den überall vorhandenen, hni^nirkwrisr diirrh 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 Lichtquel-¹ insbesondere aber die Meßfühler, mi Filtern auszustatten, welche, beispielsweise zur Redu zierung etwaigen Fremdlichteinflusses, die Benutzung ausgewählter Spektralbereiche erlauben. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, außerhalb des sichtbarer Spektralbereiches liegende Strahlen zu benutzen.

Itierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 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 Abtasizone 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 !,gekennzeichnet durch Vorrichtungen (14, 15) zur Aufteilung des vorzugsweise von einer einzigen Lichtquelle (10) kommenden Lichtes in mehrere getrennte, senkrecht auf die Oberfläche des Werkstückes (18) gerichtete Strahlenbündel (P, 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. daE die Vorrichtungen (14, 15, 17) zur Aufteilung und Auslenkung der Strahlenbündel (P. Q, R. S) zusätzliche Auslenkvo. richtungen nachgeordnet sind, welche die aufeinanderfolgend eintreffenden Strahlenbündel (P. Q, R, S) alternierend seitlich in und entgegen der Vorschubrichtung (A)acs 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.