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Vorrichtung zum Kontrollieren der Oberflächengüte eines Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kontrollieren der Oberflächengüte
eines Werkstücks mit mindestens einem Lichtgeber zum teilweisen Beleuchten des Werkstücks
und mindestens einem Empfänger für von dem beleuchteten Werkstück reflektiertes
Licht, welcher mindestens eine Empfänger mit einem Wandler zusammenwirkt, der das
auf den Empfänger geleitete reflektierte Licht in ein entsprechendes elektrisches
Signal umwandelt.
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Zum Bestimmen der Oberflächengüte eines Werkstücks werden bisher die
Oberflächenprüfung und die Oberflächenmessung verwendet. Bei der Oberflächenprüfung
werden insbesondere solche Abweichungen der tatsächlichen Oberfläche von der idealen
Oberfläche erfasst und bewertet, die bei der Bearbeitung der Oberfläche entstanden
sind. Dazu gehören beispielsweise
durch Schwingungen des Werkzeugs
verursachte Wellen, durch die Form der Werkzeugschneide erzeugte Rillen oder durch
stumpfe Werkzeuge bewirkte Schuppen und Scharten. Bei der Oberflächenmessung werden
spezifische Kenngrössen einer Oberfläche, wie beispielsweise die Rauhtiefe oder
die Glättungstiefe, quatitativ bestimmt.
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Sowohl bei der Oberflächenprüfung als auch bei der -messung wird vorausgesetzt,
dass die Abweichungen der tatsächlichen von der idealen Oberfläche bzw. die zu bestimmenden
Kenngrössen auf der gesamten Oberfläche den gleichen Wert haben, weshalb Prüfung
und Messung nur an einem Teil der Oberfläche ausgeführt werden. Ausserdem liefern
die zur Oberflächenprüfung verwendeten Geräte, insbesondere solche, die nach dem
Kondensator- oder nach dem fotometrischen oder dem pneumatischen Verfahren arbeiten,
nur einen Mittelwert,-der der Summe der Abweichungen im geprüften Teil der Oberfläche
entspricht. Die bekannten Verfahren sind darum nicht geeignet, die gesamte Oberfläche
eines alb- oder Fertigfabrikats auf örtlich begrenzte Mängel, Beschädigungen oder
Verformungen zu kontrollieren.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, den beschriebenen Nachteil
zu beheben und eine Vorrichtung zum Kontrollieren der Oberflächengüte eines Werkstücks
zu schaffen, mit dem die gesamte Oberfläche auf Mängel, Beschädigungen oder
Verformungen
kontrolliert werden kann.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung,
die aus dem mindestens einen elektrischen Signal ein Vergleichs signal bildet und
mindestens einen Komparator, der das Vergleichssignal mit dem ursprünglichen elektrischen
Signal vergleicht und ein Fehlersignal erzeugt, sobald das ursprüngliche elektrische
Signal vom Vergleichssignal abweicht.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung mit nur
einem Empfänger für reflektiertes Licht ist die Einrichtung zum bilden des Vergleichssignals
als Verzögerungsleitung ausgebildet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung mit
mehreren Empfängern für reflektiertes Licht ist die Einrichtung zum bilden des Vergleichssignals
als Addierkreis ausgebildet, an dessen Ausgang ein Signal erscheint, das dem arithmetischen
Mittel der ursprünglichen elektrischen Signale entspricht.
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Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
ist zum Einstellen der zulässigen Toleranz zwischen dem ursprünglichen Signal oder
den ursprünglichen Signalen und dem Vergleichssignal der Ansprechschwellwert des
Komparators
einstellbar.
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Mit der neuen Vorrichtung ist es möglich, die Güte der Oberfläche
oder Oberflächen eines band- oder bahnförmigen oder einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden
Erzeugnissen kontinuierlich zu überwachen und örtlich begrenzte Mängel, Beschädigungen
oder Verformungen der Oberfläche festzustellen. Der Vergleich des einer Oberflächenbeschädigung
entsprechenden Fehlersignals mit dem der mittleren Oberflächengüte entsprechenden
Vergleichssignal ermöglicht weiter, jeden Oberflächenfehler relativ zur tatsächlichen
Oberflächengüte zu bewerten. Schliesslich kann durch das Einstellen des Schwellwerts
die Toleranzgrenze bestimmt werden, innert der mögliche Oberflächenmängel noch zulässig
sind.
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Mit der neuen Vorrichtung kann die bisher von Menschen durchgeführte
Kontrolle der Oberflächengüte von Halb- und Fertigfabrikaten automatisiert werden.
Damit wird nicht nur eine Verbilligung der Kontrolle und Verkürzung der Kontrollzeit
erreicht, sondern es wird erstmals eine objektive Kontrolle nach einstellbaren Kriterien
ermöglicht, und es werden auch die insbesondere durch nacnlassende Konzentration
bedingten Fehler bei der Kontrolle praktisch ausgeschlossen.
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Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren an einigen bevorzugten
Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einem Lichtempfänger
zum Bestimmen von Fehlern in der Oberfläche eines bandförmigen Materials.
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Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch eine Vorrichtung mit zwei Lichtempfängern
zum Bestimmen von Fehlern in der Oberfläche einer kreisrunden Scheibe.
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Fig. 3 zeigt das Blockschema einer elektronischen Schaltung für eine
Vorrichtung mit fünf Lichtempfängern und zwei Kanälen, um positive und negative
Fehlersignale unabhängig voneinander mit dem Vergleichssignal zu vergleichen.
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Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung ist zum Kontrollieren
der Oberflächengüte eines bandförmigen Materials, beispielsweise eines Metallbands
10, vorgesehen. Die Vorrichtung enthält eine Lichtquelle 11, deren Licht von einer
Faseroptik 12 auf das Metallband geleitet wird. Das dem Metallband benachbarte,
dem Lichtaustritt dienende Ende 13 der Faseroptik ist quer zur Transportrichtung
des Metallbands auseinandergezogen und beleuchtet einen schmalen, quer über das
Metallband verlaufenden Bereich 14. Neben der für die Beleuchtung verwendeten Faseroptik
12 ist eine weitere, für das Weiterleiten des von dem Metallband reflektierten Lichts
vorgesehene Faseroptik 16 angeordnet. Das Lichteintrittsende 17
dieser
Faseroptik ist wie das Lichtaustrittsende 13 der Faseroptik 12 verbreitert, damit
das über der gesamten Breite des beleuchteten Bereichs 14 reflektierte Licht aufgenommen
werden kann. Das Lichtaustrittsende 18 der Faseroptik 16 ist einer Fotodiode 19
benachbart angeordnet. Der Ausgang der Fotodiode ist mit dem Eingang einer elektrischen
Verzögerungsleitung 21 und über eine Leitung 22 direkt mit einem Eingang eines Komparators
23 verbunden. Der Ausgang der Verzögerungsleitung ist mit dem anderen Eingang dieses
Komparators verbunden.
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Bei einer praktisch verwendeten Ausführungsform dieser Vorrichtung
sind die Enden 13 und 17 der beiden Faseroptiken 12 bzw. 16 in einem Prüfkopf befestigt
und liegen dicht nebeneinander. Vorzugsweise enthält dieser Prüfkopf auch ein optisches
System, welches das zum Lichtaustritt vorgesehene Ende 13 der Faseroptik 12 auf
dem Metallband und den beleuchteten Bereich 14 auf dem Lichteintrittsende 17 der
Faseroptik 16 abbildet.
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Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird das Metallband 10 von einer nicht
gezeigten Einrichtung in der Richtung des Pfeils 24 und durch den beleuchteten Bereich
14 transportiert. Ein Teil des von dem Metallband im beleuchteten Bereich reflektierten
Lichts wird von der Faseroptik 18 auf die Fotodiode 19 geleitet, die ein der Belichtung
entsprechendes, elektrisches
Signal erzeugt. Das elektrische Signal
wird über die Verzögerungsleitung 21 und über die Leitung 22 an die beiden Eingänge
des Komparators 23 geleitet. Es sei angenommen, dass die Transportgeschwindigkeit
des Metallbands etwa 50 cm/ sec beträgt und die (in der Transportrichtung gemessene)
Länge des beleuchteten Bereichs etwa 1 mm ist. Es genügt dann eine Verzögerungszeit
der Grössenordnung lmsec, um dem Komparator zwei Signale zuzuleiten, von denen das
eine der momentanen Reflexion des beleuchteten Teils der Oberfläche und das andere
der Reflexion des unmittelbar zuvor beleuchteten Teils der Oberfläche entspricht.
Wenn das Metallband eine Oberfläche mit gleichmässiger Qualität, d.h. gleichmässiger
Reflextion aufweist, sind diese beiden Signale praktisch gleich, und es erscheint
am Ausgang 25 des Komparators kein Signal. Weist die Oberfläche eine Fehlstelle
26 auf, so wird die Reflexion, sobald diese Fehlstelle in den beleuchteten Bereich
14 transportiert wird, geändert. Das über die Leitung 22 an den Komparator geführte
Signal ist dann unterschiedlich gegenüber dem vom Verzögerungskreis 21 gelieferten
Signal, und am Ausgang 25 des Komparators erscheint ein Fehlersignal.
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Wie jedem Fachmann bekannt ist, kann der Schwellwert eines Komparators
eingestellt werden. Das ermöglicht, die Grenze des zulässigen Unterschieds zwischen
den beiden Eingangssignalen zu bestimmen, unterhalb der ein Oberflächenfehler
noch
tolerierbar und oberhalb der ein Fehler nicht mehr tolerierbar ist. Sinnvollerweise
wird der Schwellwert so eingestellt, dass nicht sprunghafte Aenderungen der Reflexion,
wie sie beispielsweise durch eine durch Oxidation bedingte Aenderung der Färbung
der Oberfläche bewirkt werden, kein Fehlersignal erzeugen.
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Es versteht sich, dass zum Kontrollieren der beiden Oberflächen eines
bandförmigen Materials zwei Vorrichtungen der beschriebenen Art verwendet werden
können. Diese Vorrichtungen können einander gegenüberliegend oder, wenn das bandförmige
Material in seiner Längsrichtung um 1800 gedreht wird, in der Transportrichtung
des Materials nacheinander angeordnet sein. Es versteht sich auch, dass zum Kontrollieren
breiter Materialbänder mehrere Vorrichtungen der beschriebenen Art nebeneinander
aufgestellt werden können, um einen beleuchteten Bereich 14 zu erzeugen, der über
die gesamte Breite des Materials verläuft. Die Ausgänge der Komparatoren dieser
Vorrichtungen können über eine Torschaltung auf eine einzige Leitung geführt werden.
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Die in Fig. 2 schematisch gezeigte Vorrichtung ist zum Kontrollieren
der Oberfläche von kreisrunden Platten 30 vorgesehen. Die Platten werden aus einem
nicht gezeigten Magazin in eine Prüfstation transportiert, wo sie mit ihrem Umfang
auf zwei Rollen 31, 32 stehen und mindestens einmal um 3600
gedreht
werden, bevor sie die Prüfstation wieder verlassen.
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Die Vorrichtung enthält eine Lichtquelle 33 und eine Faseroptik 34,
die einen schmalen Lichtstreifen 35 auf die Platte wirft. Zwei weitere Faseroptiken
37, 38 leiten das von der Platte reflektierte Licht an je eine zugeordnete Fotodiode
39 bzw. 40. Der Ausgang jeder Fotodiode ist mit einem zugeordneten Eingang eines
Addierkreises 42 und über eine Leitung 43 bzw. 44 direkt mit einem Eingang eines
Komparators 45 bzw.
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46 verbunden. Der Ausgang des Addierkreises 42 ist mit dem anderen
Eingang rjedes der Komparatoren 45 bzw. 46 verbunden.
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Die Ausgänge der beiden Komparatoren sind mit den beiden Eingängen
einer Torschaltung 48 verbunden, an deren Ausgang 49 gegebenenfalls ein Fehlersignal
erscheint.
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Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird, wie bereits beschrieben, zuerst
eine Scheibe auf die beiden Rollen 31, 32 gefördert. Die Rollen sind durch nicht
gezeigte Mittel angetrieben und drehen die Scheibe in der Richtung des Pfeils 36.
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Das von dem beleuchteten Streifen 35 reflektierte Licht wird von den
beiden nebeneinander angeordneten Faseroptiken 37, 38 auf die zugeordneten Fotodioden
39 bzw. 40 geleitet, von denen jede ein elektrisches Signal erzeugt, das ihrer Beleuchtung
entspricht. Die beiden Fotodioden sind derart ausgesucht und geschaltet, dass sie
bei gleicher Beleuchtung auch praktisch gleiche Signale erzeugen. Der Addierkreis
42 bildet ein Vergleichssignal, das dem arithmetischen Mittel
der
Ausgangssignale der beiden Fotodioden 39, 40 entspricht.
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Dieses am Ausgang des Addierkreises erscheinende Vergleichssignal
wird dann in den Komparatoren 45, 46 mit den in den Leitungen 43 bzw. 44 erscheinenden
tatsächlichen Signalen verglichen.
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Auch diese Vorrichtung enthält vorzugsweise ein nicht gezeigtes optisches
System, so dass eine Aenderung der Reflexion im randnahen Bereich der Scheibe möglichst
nur von der Faseroptik 38 auf die Fotodiode 40 und eine Aenderung der Reflexion
im Bereich der Scheibenmitte möglichst nur von der Faseroptik 37 an die Fotodiode
39 geleitet wird.
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Wenn die kontrollierte Oberfläche der Scheibe keine Mängel aufweist
und das auftreffende Licht vom beleuchteten Streifen 35 gleichmässig reflektiert
wird, werden die beiden Fotodioden 39, 40 praktisch gleichmässig beleuchtet. Gemäss
der oben beschriebenen Bedingung erzeugen sie dann etwa gleichartige Signale. Das
am Ausgang des Addierkreises 42 erscheinende Signal, das dem arithmetischen Mittel
der Eingangssignale entspricht, ist dann ebenfalls praktisch gleich jedem der Ausgangssignale
der Fotodioden 39, 40. Das bedeutet, dass jedem der Komparatoren 45, 46 vom Addierkreis
42 und von der zugeordneten Fotodiode über die Leitungen 43 bzw.
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44 gleiche Signale zugeleitet werden und keiner der Komparatoren ein
Fehlersignal erzeugt.
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Wenn die Scheibe 30 beispielsweise nahe dem äusseren Rand einen Kratzer
41 aufweist, der eine stärkere Reflexion als die Scheibenoberfläche bewirkt, wird
die Fotodiode 40 stärker als die Fotodiode 39 beleuchtet, sobald dieser Kratzer
in den Bereich des Lichtstreifens 35 kommt. Am Ausgang der Fotodiode 40 erscheint
dann ein stärkeres Signal als am Ausgang der Fotodiode 39. Der Addierkreis 42 bildet
dann ein Vergleichssignal, das dem arithmetischen Mittelwert dieser beiden unterschiedlichen
Signale entspricht. Dieses Vergleichssignal wird im Komparator 45 mit dem schwächeren
Signal von der Fotodiode 39 und im Komparator 46 mit dem stärkeren Signal von der
Fotodiode 40 verglichen. Komparatoren sprechen in ihrer einfachsten Ausführungsform
nur auf positive oder auf negative Unterschiede gegenüber dem Vergleichssignal an.
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Wenn für das beschriebene Beispiel angenommen wird, dass die Komparatoren
auf einen positiven Unterschied ihrer Eingangssignale ansprechen, so wird der Komparator
46 ein Fehlersignal erzeugen.
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Wenn der Kratzer 41 eine geringere Reflexion als die übrige Oberfläche
der Platte 30 aufweist, ist das Signal auf der Leitung 44 schwächer als das Vergleichssignal,
und der Komparator 45 erzeugt ein Fehlersignal. Da es für die Vorrichtung ohne Bedeutung
ist, von welchem Komparator das Fehlersignal erzeugt wird, sind die Ausgänge der
beiden Komparatoren 45, 46 mit der Torschaltung 48 verbunden, an deren Ausgang
49
jedesmal ein Fehlersignal erscheint, wenn einer der Komparatoren 45 oder 46 ein
Fehlersignal erzeugt.
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Wie bereits mehrfach beschrieben wurde, entspricht das Vergleichssignal
dem arithmetischen Mittel der tatsächlichen Signale. Das Vergleichssignal wird darum
von den Schwankungen eines von einer Fotodiode gelieferten Signals um so weniger
beeinflusst, je mehr solche Signale zur Bildung des Vergleichssignals verwendet
werden. Um die Empfindlichkeit der beschriebenen Vorrichtung zu steigern, werden
darum vorzugsweise mehr als zwei und beispielsweise fünf oder acht Fotodioden verwendet.
Das Blockschema einer praktisch verwendeten elektronischen Schaltung mit fünf Fotodioden
ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Schaltung enthält die fünf Fotodioden 51, 52, 53, 54
und 55, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Addierkreises 57 und mit den Eingängen
von zwei in entgegengesetzter Richtung geschalteten Gleichrichterbatterien 58 und
59 verbunden sind. Der Addierkreis 57 enthält fünf parallel geschaltete Widerstände,
deren eines Ende mit einem der Eingänge und deren andere Enden mit dem gemeinsamen
Ausgang verbunden sind. Die Gleichrichterbatterie 58 enthält fünf parallel geschaltete
Einweggleichrichter, deren negativer Anschluss mit je einem der Eingänge und deren
positiver Anschluss mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden ist. Die Gleichrichterbatterie
59 ist wie die Batterie 58 aufgebaut, mit dem Unterschied, dass die Durchlassrichtung
der Gleichrichter
umgekehrt ist. Die Ausgänge des Addierkreises
57 und der beiden Gleichrichterbatterien 58, 59 sind mit Verstärkern 61 bzw. 62
und 63 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 61 ist über einen aus den beiden Widerständen
66, 67 gebildeten Spannungsteiler mit dem Ausgang des Verstärkers 58 verbunden und
über einen gleichartigen, aus den Widerständen 68, 69 gebildeten Spannungsteiler
mit dem Ausgang des Verstärkers 63. Weiter sind zwei Komparatoren 71, 72 vorgesehen.
Der eine Eingang des Komparators 71 ist mit der Mitte des Spannungste<ilers 66,
67 verbunden, der andere Eingang mit einem Potentiometer 73, das eine negative Schwellwertspannung
liefert. Der eine Eingang des Komparators 72 ist mit der Mitte des Spannungsteilers
68, 69 verbunden, der andere Eingang mit einem Potentiometer 74, das eine positive
Schwellwertspannung liefert. Die beiden Ausgänge der Komparatoren 71, 72 sind mit
den beiden Eingängen einer Torschaltung 76 verbunden.
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Wird diese Schaltung zur Kontrolle eines bandförmigen Materials oder
einer Scheibe verwendet, so erscheint am Ausgang des Addierkreises 57 das Vergleichssignal,
das dem arithmetischen Mittelwert der von den Fotodioden 51, 52, 53, 54 und 55 erzeugten
Signalen entspricht. Am Ausgang der Gleichrichterbatterien 58 und 59 erscheinen
Signale, die denjenigen der von den Fotodioden erzeugten Signalen entsprechen, die
die
grösste negative bzw. positive Abweichung vom Vergleichssignal aufweisen. Die Spannungsteiler
66, 67 und 68, 69 sind symmetrisch aufgebaut, so dass an ihren Mittelabgriffen ein
Signal erscheint, das der halben Differenz zwischen dem Vergleichssignal und der
grössten negativen bzw. positiven Abweichung vom Vergleichssignal entspricht. Diese
Differenzsignale werden in den Komparatoren 71 bzw. 72 mit einem einstellbaren Schwellwert
verglichen, wobei die Komparatoren ein Fehlersignal erzeugen, sobald das Differenzsignal
grösser ist als der eingestellte Schwellwert.
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Die beschriebene Schaltung hat nicht nur den bereits erwähnten Vorteil,
dass der Vergleichswert von den Schwankungen eines von einer Fotodiode erzeugten
Signals weniger beeinflusst wird, sie ermöglicht insbesondere eine getrennte Bewertung
der positiven und der negativen Abweichungen vom Vergleichswert. Das ist dann wichtig,
wenn beispielsweise die Toleranzgrenze für Oberflächenmängel, die aus Gussporen
entstanden sind, anders ist als die Toleranzgrenze für mechanische Beschädigungen,
wie Kratzer oder Risse. Erstere erscheinen im reflektierten Licht gewöhnlich dunkler,
letztere heller als die Oberfläche. Gussporen erzeugen also eine negative und Kratzer
eine positive Abweichung vom Vergleichssignal. Durch das getrennte Einstellen eines
negativen und eines positiven Schwellwerts kann die Toleranzgrenze für Oberflächenmängel,
die im reflektierten Licht dunkler bzw.
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heller erscheinen, unterschiedlich eingestellt werden.
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Die beschriebenen und schematisch gezeigten Vorrichtungen können mit
handelsüblichen Bauelementen aufgebaut werden.
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Faseroptiken, Fotodioden, Addierkreise, Komparatoren, Torschaltungen,
Verstärker und Operationsverstärker sind jedem Fachmann hinreichend bekannt, weshalb
auf deren detaillierte Beschreibung absichtlich verzichtet wird.
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Es versteht sich, dass die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung
nicht auf die erwähnte Kontrolle von band- und bahnförmigem Material und von kreisrunden
Scheiben beschränkt ist. Die Vorrichtung kann beispielsweise auch zum Kontrollieren
von Teilen verwendet werden, die auf einem Transportband liegen. Die Verwendung
der Vorrichtung ist auch nicht auf die Kontrolle metallischer Oberflächen beschränkt.
Die praktische Erprobung hat gezeigt, dass auch Unregelmässigkeiten in einer rauhen
Oberfläche mit diffuser Reflexion festgestellt werden können. Das gilt beispielsweise
für Presslinge, die durch ausgefallene Teilchen gebildete Löcher oder durch grossflächige
Teilchen gebildete Spiegelflächen aufweisen.
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Weiter ist es natürlich möglich, mehrere der beschriebenen Vorrichtungen
zu kombinieren und die Oberfläche oder Oberflächen eines Werkstücks sowohl während
einer Translation als auch während einer Rotation zu kontrollieren. Für die Ausführungsformen
gemäss den Fig. 2 und 3, bei denen kein
zeitlich verschobener Vergleichswert
gebildet wird, ist auch keine Relativbewegung zwischen der zu kontrollierenden Oberfläche
und dem Prüfkopf erforderlich. Schliesslich ist es auch nicht notwendig, dass die
Oberfläche relativ zu dem den Lichtgeber und -empfänger haltenden Prüfkopf bewegt
wird, sondern es ist ebensogut möglich, einen Prüfkopf über ein ortsfestes Werkstück
zu führen. Natürlich ist es auch möglich, das dem arithmetischen Mittelwert der
Messignale entsprechende Vergleichssignal zusätzlich gegenüber den Messsignalen
zeitlich zu verzögern.
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Die von der Vorrichtung erzeugten Fehlersignale können addiert werden,
um ein Mass für die Qualität der kontrollierten Oberfläche oder Oberflächen zu liefern.
Beim Kontrollieren einer Folge von Werkstücken kann das Fehlersignal aber auch dazu
verwendet werden, eine im Durchlaufweg der Werkstücke angeordnete Weiche zu betätigen,
die die Werkstücke, an deren Oberfläche Mängel festgestellt wurden, welche die zulässige
Toleranzgrenze überschreiten, von den Werkstücken, welche keine Mängel aufweisen
oder deren Mängel in der zulässigen Toleranz liegen, zu trennen. Entsprechende Anordnungen
sind iedem Fachmann bekannt.