DE2731024A1

DE2731024A1 - Vorrichtung zur feststellung von oberflaechenfehlern auf einem rotgluehenden metallwerkstueck

Info

Publication number: DE2731024A1
Application number: DE19772731024
Authority: DE
Inventors: Kaoru Daigo; Hiroshima Fukuyama; Atushi Ohsumi; Katsuya Yamada; Yoshinao Yamagishi; Tomio Yamamoto
Original assignee: Fuji Toyuki Co Ltd; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp; Fuji Toyuki Co Ltd
Priority date: 1976-07-09
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1978-01-12
Also published as: US4219844A; FR2357889B1; FR2357889A1; JPS5340582A; JPS6026176B2

Description

Henkel Kern, Feier Cr Hänzel Patentanwälte Nippon Kokan Kabushiki Kaisha, Möhistraße37

_ .. _ .. _ __ _Λ D-8000 München 80

Fuji Toyuki Co., Ltd. und

_Va+atmo vo-a^a TeL 089/982085-87

Katsuya Yamada Telex: 0529802 hnkld

Tetegramme: ellipsoid

Tokio, Takamatsu-shi bzw. Kawagoe-shi, Japan

κ β. Juli 1977

Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenfehlern auf einem

rotglühenden Metallwerkstück

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenfehlern auf einem rotglühenden Metallwerkstück.

Die Oberflächenfehler eines Metallteils, etwa einer Vorbramme bzw. Platte oder eines Walzblocks, müssen beseitigt werden, bevor das Werkstück zum nächsten Bearbeitungsschritt überführt wird. Wenn ein sich bewegendes, in rotglühendem Zustand befindliches Werkstück Fehler oder Mängel an der Oberfläche zeigt, können diese Fehler mit dem unbewaffneten Auge im normalen Umgebungslicht unmöglich festgestellt werden. Für eine derartige Fehlerfeststellung muß daher das Werkstück auf eine normale Temperatur abgekühlt werden. Wenn sich andererseits der Oberflächenfehler bzw. seine Einzelheiten, wie Größe oder Tiefe, im rotglühenden Zustand feststellen ließen, könnten hierdurch zahlreiche Vorteile geboten werden. Bei Durchführung der Fehlerbestimmung vor der Warm~Flämm-Maschine unmittelbar nach dem Auswalzen des Werkstücks können die notwendigen Schritte zur Fehlerbeseitigung nach Vorhandensein, Größe und

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Lage der Fehlerstelle an Jedem Werkstück vorgenommen werden« Hierdurch können eine Beeinträchtigung des Ausbringens aufgrund eines zu starken Einsatzes der Warm-Flämm-Maschine und die Notwendigkeit für weitere Arbeiten zur Fehlerbeseitigung infolge ungenügender Bearbeitung durch diese Maschine vermieden werden.

Außerdem kann die Fehlerbestimmung unmittelbar nach der Vorblockwalze oder im Anschluß an die Warm-Flämm-Maschine erfolgen_o Die festgestellten Fehler können daher zum Teil beim Warmwalzen im rotglühenden Zustand des Werkstücks beseitigt werden* Hierdurch wird die Anwendung eines Direktaus walz ve rf ahrens, bei dem das rotglühende Metallwerkstück durch das Walzwerk in der nachgeschalteten Stufe ohne Zwischenschaltung eines Ofens gewalzt wird, oder die Anwendung eines Verfahrens, bei dem das rotglühende Werkstück in den Ofen eingeleitet wird, möglich. Der Wärmeenergieverlust aufgrund des aufeinanderfolgenden Kühlens und Erwärmens des Werkstücks wird dadurch vermieden. Falls sich hierbei die teilweise Fehlerbeseitigung im Glühzustand als unmöglich erweisen sollte, wird anhand des Zustande des Oberflächenfehlers Jedes Werkstücks ermittelt, ob die Anwendung des Direktauswalzverfahrens oder des Ofen-Zwischenwärm-Verfahrens zweckmäßig ist oder nicht. Im negativen Fall wird das Werkstück dem Kühl- und Fehlerbeseitigungsschritt zugeführt. Wenn sich die Anwendung eines solchen Verfahrens dagegen als zweckmäßig erweist, wird das Werkstück nach dem Jeweils geeigneten Verfahren behandelte Dadurch kann auch in diesem Fall der Wärmeenergieverlust vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung zur vergleichsweise einfachen, zuverlässigen Feststellung von Oberflächenfehlern an durchlaufenden, rotglühenden Metallwerkstücken·

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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenfehlern auf einem rotglühenden Metallwerkstück erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Beleuchtung einer vorbestimmten Fläche auf dem rotglühenden Werkstück dienende Lichtquelle, deren Lichtleistung so eingestellt ist, daß die Reflexionsenergie der vom Werkstück reflektierten Strahlen der Lichtquelle wesentlich größer ist als die vom Werkstück abgestrahlte Strahlungsenergie, durch eine Bildabtastvorrichtung zum Abtasten eines Bilds der Werkstückoberfläche, das durch die Beleuchtung mittels der Lichtquelle gebildet wird, durch eine in den Strahlengang zwischen der Lichtaufnahmefläche der Abtastvorrichtung und der Lichtquelle eingeschaltete Blende und durch eine Einrichtung zum Abgreifen eines den Oberflächenfehler des Werkstücks darstellenden Signals aus den von der Bildabtastvorrichtung gelieferten Videosignalen·

Im folgenden sind bevorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig· 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Oberflächenfehler-Feststellvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig· 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig· 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem Schlitz einer Blende und der Lichtaufnahmefläche einer Bildabtastvorrichtung und

Fig. 4A bis 4F graphische Darstellungen der Zeitbeziehung

zwischen der Blende, der Abtastung auf der Lichtaufnahmefläche der Abtastvorrichtung und der Bildwiedergabe auf dem Video-Betrachter·

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Zur Beobachtung von Oberflächenfehlern an rotglühenden Metallwerkstücken beispielsweise mittels einer industriellen Fernsehkamera werden die Metalloberflächen durch eine äußere Lichtquelle bestrahlt, deren Energie ausreichend größer ist als die Strahlungsenergie des Werkstücks selbst, so daß auf dem durch die äußere Lichtquelle bestrahlten Werkstückteil ein Schattenbild gebildet wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens auf eine tatsächliche Fertigungsstraße muß die Feststellung des Vorhandenseins, der Größe und der Lage von Oberflächenfehlern am Werkstück als Aufnahmeobjekt bei sich bewegendem Werkstück geschehen, weil sonst die Produktionsleistung der Fertigungsstraße erheblich beeinträchtigt werden würde. Die Aufnahme des durchlaufenden Werkstücks erfolgt dabei beispielsweise mittels einer verbreitet angewandten Vidikonröhre als Abtastvorrichtung der industriellen Fernsehkamera, wobei die übliche Abtastfrequenz durch die Rundfunk- und Fernsehnormen festgelegt ist. Dabei wird infolge der Bewegung des Werkstücks ein "verschwommenes"Bild erhalten. Auf diese Weise ist also die Fehlerfeststellung nicht durchführbar. Wenn nämlich ein sichmLt einer Geschwindigkeit von 30 m/min bewegendes, rotglühendes Werkstück mit einer den japanischen Fernsehnormen entsprechenden Fernsehkamera aufgenommen wird, beträgt die Belichtungszeit der Kamera I/60 S₉ wobei die Verschiebung des Werkstücks über zwei kontinuierliche Aufnahme-Bildfelder 8 mm beträgt. Außerdem ist die bei einer industriellen Fernsehkamera verwendete Abtaströhre mit einem mehr oder weniger starken Restbild behaftet, so daß das Aufnahmebild mit doppelten oder dreifachen Umrißlinien wiedergegeben wird. Dieser Umstand stellt ein großes Problem bei der Fehlerfeststellung dar.

Durch Verkürzung der Belichtungszeit könnte der Restbildeffekt vermindert werden. Eine Möglichkeit zur Verkürzung der Belichtungszeit besteht in der Erhöhung der Abtastfre-

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rrswrz

quenz der Fernsehkamera, d.h. der Bildwechselfrequenz· Eine Erhöhung der Frequenz des Synchronisiersignals und eine Erweiterung des Frequenzbands des Videoverstärkers sind zur Erzielung einer ausreichend hohen Abtastfrequenz und einer ausreichenden Auflösung erforderlich. Dies ist Jedoch mit wirtschaftlichen und technischen Schwierigkeiten verbunden, während der ungünstige Restbildeffekt dabei weiter vorhanden ist.

Zur Ausschaltung dieser Schwierigkeit ist erfindungsgemäß eine mechanische Blendeneinrichtung vor z.B. einer Fernsehkamera vorgesehen. Das Offnen und Schließen der (Umlauf-)-Blende erfolgt im Gleichlauf mit dem Abtastsignal der Fernsehkamera. Eine solche Konstruktion gestattet eine (unverzögerte) Momentaufnahme.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung bewegt sich ein rotglühendes Metallwerkstück 1, etwa eine Platte, ein Walzblock oder Platine, auf einem Rollgang 2 in Pfeilrichtung· Eine über dem rotglühenden Werkstück 1 angeordnete Lichtquelle 3 beleuchtet einen vorgegebenen Bereich 4 auf dem Werkstück 1· Die Lichtintensität der Lichtquelle 3 muß so gewählt werden, daß die Energie des vom Werkstück 1 reflektierten Lichts ausreichend größer ist als die Strahlungsenergie vom Werkstück 1 selbst· Eine Abtastvorrichtung 5 erzeugt ein Schattenbild des so belichteten Bereichs 4. Die Fehlerfeststellung erfolgt somit auf der durch die beiden gestrichelten, in Bewegungsrichtung des Werkstücks verlaufenden Linien 6a und 6b umrissenen Fläche·

Die von der Lichtquelle 3 emittierten Lichtstrahlen werden vom belichteten Bereich 4 zur Abtastvorrichtung 5 reflektiert und in dieser über eine optische Linse 7 auf die Lichtaufnahmefläche einer Abtaströhre 8 geworfen· Eine mechanisch betätigte, durch einen Motor 9 angetriebene (Umlauf-)Blende 10

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ist in den Strahlengang vor der Lichtaufnahmefläche eingeschaltet. Die Blende 10 weist einen in einer umlaufenden Scheibe 10a ausgebildeten Schlitz 10b auf. Die Lichtaufnahmefläche der Abtaströhre 8 wird infolgedessen mit einer durch die Drehzahl der Scheibe 10a und die Breite des Schlitzes 10b bestimmten Belichtungszeit belichtet. Obgleich in Fig. 1 nicht dargestellt, kann zur Verbesserung der Meßgenauigkeit für Oberflächenfehler eine beliebige Einrichtung vorgesehen sein, welche mittels Hochdruckwasserstrahlen Oxide oder Staub von der Oberfläche des Werkstücks beseitigt.

Die bildliche Darstellung von Oberflächenfehlern auf rotglühenden Metallwerkstücken mit einer Temperatur von mehr als 600⁰C mittels einer industriellen Fernsehkamera ist, physikalisch gesehen, im folgenden erläutert. Alle Werkstoffe strahlen die Wärmeenergie in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Emissionsvermögen des Werkstoffs selbst ab. Im Fall eines Schwarzkörpers (Emissionsvermögen = 1) bestimmt sich die Strahlungsenergiemenge durch folgende Gleichung:

W<^J^ ¹

W β Strahlungsenergie (W/cm³)

λ, = Wellenlänge (cm)
T ■ Absoluttemperatur (⁰K) · C₁ und Cp ■= Konstanten

bedeuten.

Der rotglühende Zustand des Werkstücks zeigt, daß die Energie im sichtbaren Wellenlängenbereich (400 - 750 n<m) der Strahlung zunimmt, so daß sie für das unbewaffnete Auge erkennbar ist_o

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INSPECTED

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Wenn man daher das rotglühende Werkstück unter der Bestrahlung durch die äußere Lichtquelle betrachtet, sieht man tatsächlich ein Bild, das eine überlagerung des durch die Belichtung mit der äußeren Lichtquelle gebildeten Schattens mit dem Bild ist, das durch die im sichtbaren Wellenlängenbereich liegende, vom Werkstück selbst abgestrahlte Strahlungsenergie gebildet wird. Ob eines dieser Bilder vorherrscht, hängt vom Einfallsverhältnis dieser Bilder gegenüber dem unbewaffneten Auge ab· Es sei beispielsweise der Fall betrachtet, in welchem ein Stahlstück mit hoher Temperatur unter der Beleuchtung mittels einer Glühlampe mit 1000 Lux beobachtet wird. Wenn das Stahlstück ungefähr 500°C warm ist, ist die von ihm selbst abgestrahlte Lichtmenge gering, so daß das durch die äußere Lichtquelle gebildete Schattenbild im Gesamtbild vorherrscht» Wenn die Temperatur des Stahlstücks dagegen etwa 1300⁰C beträgt, ist die von ihm abgestrahlte Strahlungsenergie intensiv, so daß das von der äußeren Lichtquelle gebildete Schattenbild vernachlässigbar wird.

Wenn bei dem auf hohe Temperatur erwärmten Metallwerkstück die von außen kommenden Lichtstrahlen entsprechend verstärkt werden, muß im allgemeinen das durch die äußere Lichtquelle erzeugte Schattenbild, wie im Fall der niedrigeren Temperatur, vorherrschen, auch wenn dabei die Gesamtlichtmenge so zunimmt, daß das ungeschützte Auge geblendet wird. Wenn daher anstelle des unbewaffneten Auges eine Fernsehkamera zur Betrachtung des Werkstücks benutzt wird, liefert diese ein Ausgangssignal, welches das Produkt der Farbempfindlichkeit der Abtaströhre der Fernsehkamera und des Schattenbilds aufgrund der äußeren Lichtquelle sowie des Strahlungslichts des Werkstücks ist. Infolgedessen ist ein Bild zu beobachten, das vornehmlich das durch die äußere Lichtquelle gebildete Schattenbild umfaßt·

Gleichung (1) zeigt, daß bei einem rotglühenden Werkstoff mit

k unter 3000⁰C d:

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einer Temperatur von unter 3000⁰C die Strahlungsmenge auch

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im sichtbaren Wellenlängenbereich mit zunehmender Wellenlänge der Lichtstrahlung zunimmt. Zur Feststellung von Fehlern am Werkstück wird hauptsächlich das durch die äußere Lichtquelle erzeugte Schattenbild beobachtet, wodurch der Einfluß des abgestrahlten Lichts weitgehend abgeschwächt wird. Aus diesem Grund muß an der Abtaströhre ein Filter vorgesehen werden, welches Strahlen mit großer Wellenlänge blockiert, und zudem muß eine Lichtquelle verwendet werden, die Licht mit hauptsächlich kurzwelligen Komponenten emittiert, oder es müssen sowohl ein solches Filter als auch eine solche Lichtquelle angewandt werden. Eine solche Anordnung vermag nämlich ein gutes Schattenbild mit geringer Lichtmenge zu liefern.

Auf der Grundlage der vorstehend umrissenen Theorie wurde ein vorbereitender Versuch durchgeführt, bei dem das rotglühende Werkstück eine Oberflächentemperatur von 600 - 1200⁰C besaß und die Lichtquelle aus drei Superhochdruck-Quecksilberlampen bestand, die eine Leistung von 110 000 Lux auf einer senkrecht zur optischen Achse liegenden Ebene lieferten. Die beleuchtete Fläche wurde mit dem unbewaffneten Auge aus einer gegenüber der optischen Achse der regelmäßigen Reflexion versetzten Position beobachtet. Hierbei wurde ein erforderliches Lichtreduktionsfilter an den Beobachtungspunkten verwendet. Die Oberflächenfehler, wie Risse oder streifenartige Fehler, waren durch Beobachtung mit dem unbewaffneten Auge deutlich zu erkennen. Andere Beobachtungen wurden mit einer Abtaströhre (mit photoleitender Fläche aus Sb₂S,) mit einer Farbempfindlichkeits-Kennlinie ähnlich der Seh-Kennlinie des Menschen sowie mit einer Abtaströhre (photoleitende Fläche aus CdSe) durchgeführt, deren Empfindlichkeit im Bereich der größeren Wellenlängen höher ist als die spezielle Seh-Kennlinie. In beiden Fällen waren die Oberflächenfehler des StahlWerkstücks deutlich zu erkennen. Eine deutliche Beobachtung konnte auch dadurch erfolgen, daß zusätzlich zu den erwähnten Abtaströhren

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ein Filter zur Unterdrückung von Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge von mehr als 550 mn benutzt wurde.

Fig. 2 veranschaulicht die Abtaströhre gemäß Fig. 1 nebst dem zugeordneten Schaltungsaufbau· Die Abtaströhre 8 weist ein Gehäuse, Elektroden, Ablenkspulen, Steuer- oder Ansteuerabschnitte und andere nötige Teile auf. Ein Steuersignalgenerator 11 liefert ein Steuersignal zur Durchführung der Abtastung in lotrechtelioder waagerechter Richtung der Abtaströhre 8. Das Steuersignal wird durch einen Synchron(isier)signalgenerator 12 und einen Verstärker 13 in ein Antriebssignal für den Antrieb eines Motors 9 umgewandelt· Das Antriebssignal läßt den Motor 9 mit einer vorgegebenen, auf die Vertikal- und Horizontalabtastperioden bezogenen Drehzahl umlaufen· Hierdurch wird auf noch näher zu beschreibende Weise eine Synchronisierung zwischen der Abtastgeschwindigkeit und der Abtastzeit der Abtaströhre 8 sowie der Zeit erreicht, während welcher der Schlitz 10b der Blende 10 über die Lichtaufnähmefläche der Abtaströhre 8 hinwegläuft· Ein Videoverstärker 14 dient zur Verstärkung eines von der Abtaströhre 8 gelieferten Fernseh- bzw. Videosignals· Eine Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung 15 dient zur Videoaufzeichnung des geeignetsten der wiederholt vom Videoverstärker 14 gelieferten Bildsignale, wobei das Ausgangssignal dieser Vorrichtung einem Videooder Fernseh-Betrachter 16 zur überwachung bzw. Wiedergabe des Fernsehbilds und einem Pegeldetektor 17 zur Feststellung der Oberflächenfehler zugeführt wird.

Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Aufnahmefläche 8a der Abtaströhre 8 und dem Blenden-Schlitz 10b, der gemäß Fig. 3 im Uhrzeigersinn umläuft· Bei dieser Drehung werden die einzelnen Punkte auf der Aufnahmefläche 8a nacheinander während eines durch die Breite des Schlitzes 10b und seine Umlaufgeschwindigkeit bestimmten Moments belichtet bzw. aufge-

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nommen. Folglich wird eine sog. Momentaufnahme auf der Lichtaufnähmefläche durchgeführt. Gleichzeitig tastet ein Elektronenstrahl, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, die Lichtaufnahmefläche 8a von einem Ausgangspunkt 18 bis zu einem Endpunkt 19 ab, um das Bild abzugreifen.

Fig. 4 veranschaulicht die zeitliche Beziehung zwischen den Abtastungen mittels der Blende 10 auf der Lichtaufnahmefläche 8a und der Bildwiedergabe auf dem Betrachter 16. Fig. 4A zeigt die Elektronenstrahlabtastung durch die Abtaströhre 8, typischerweise in Form einer Abtastung auf der Mittellinie 20 der Fläche 8a. In Fig. 4A entsprechen eine untere Zeile u und eine obere Zeile 1 dem Ausgangspunkt 18 bzw. dem Endpunkt 19 der Abtastung auf der Lichtaufnahmefläche 8a gemäß Fig. 3. Wie bei 21 angedeutet, steigt der Elektronenstrahl von der unteren Zeile u auf die obere Zeile 1 an, um das Bild abzugreifen. Von der oberen Zeile 1 fällt der Elektronenstrahl längs einer gestrichelten Linie 22 (Vertikal-Rücklauflinie) auf die untere Zeile u zurück ab. Während dieses Rücklaufs wird kein AbgreifVorgang durchgeführt. Durch Wiederholung dieser Abtastschritte wird ein vollständiges Bild von der Aufnahmefläche 8a abgetastet. Gemäß Fig. 4A ist die mit tp bezeichnete Zeitspanne die Summe aus der Abgreif- oder Ablesezeit und der Vertikal-Rücklaufzeit t_ß, die eine Abtastperiode bildet.

Fig. 4B veranschaulicht den überlauf des Schlitzes 10b über die Lichtaufnahmefläche 8a anhand seiner Durchläufe gegenüber der Mittellinie 20* Hierbei sind dieselben unteren und oberen Zeilen u bzw. 1 wie in Fig. 4A eingezeichnet. Obgleich die Blende 10 mit fester Winkelgeschwindigkeit über einen Kreis umläuft, kann angenommen werden, daß sich der auf der Mittellinie 20 laufende Schlitz 10b mit etwa konstanter Geschwindigkeit bewegt. Infolgedessen öffnet sich die Blende 10 auf einer geraden Linie 23, während sie an einer Linie 24 schließt. Das

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Zeichen to gibt dabei die Belichtungszeit an, die sich durch die Breite des Schlitzes 10b und die Drehzahl der Blende 10 bestimmt. Mit t_k ist die Periode bezeichnet, während welcher der Schlitz 10b die Lichtaufnahmefläche 8a überläuft. Zur Erzielung eines Bilds zufriedenstellender Güte ist es notwendig, daß die Lese-Abtastung und die Belichtung gemäß Fig. 4A und 4B zeitlich bzw. taktmäßig aufeinander abgestimmt sind. Genauer gesagt, werden der Ausgangspunkt und der Endpunkt auf passenden Punkten m auf der Mittellinie 20 festgelegt. Die Lese-Abtastung ist an einem Punkt 25 abgeschlossen, die Blende öffnet an einem Punkt 26 und schließt an einem Punkt 27, und die Lese-Abtastung beginnt an einem Punkt 28. Selbstverständlich müssen die genannten Beziehungen für die Gesamtfläche der Lichtaufnahmefläche 8a, einschließlich der Mittellinie 20, zutreffen. Aus diesem Grund muß die genannte Zeitbeziehung bezüglich des Lese-Abtastpunkts (d.h. Neigung der geraden Linie), der Rücklaufzeit t , der Bewegungsgeschwindigkeit des Schlitzes 10b (d.h. Neigung der geraden Linien 23 und ZU) und der Belichtungszeit t_Q der Blende zutreffen. Außerdem muß die Abtastung mittels der Abtaströhre mit dem Zeitpunkt synchronisiert sein, zu welchem der Blenden-Schlitz auf erwähnte Weise die Lic htaufnahmefläche überläuft. Die Synchronisation wird durch den Synchrongenerator 11 realisiert. Gemäß Fig. 3 liegen die waagerechten bzw. Horizontal-Abtastzeilen praktisch parallel zum Schlitz. Zur Erzielung eines Bilds hoher Güte durch Anordnung dieser Zeilen in einem rechtwinkeligen Verhältnis muß die Belichtung bzw. Aufnahme des gesamten Bilds während der Vertikal-Rücklaufperiode t abgeschlossen sein.

Srfindungsgemäß wird also die Bildaufnahmefläche der Abtaströhre während der Zeitspanne, während welcher keine Lese-Abtastung bzw. kein Abgriff (read scanning) vorgenommen wird, kurzzeitig bzw. momentan belichtet« Das Bild des Aufnähme-

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Objekts wird beim folgenden Abgriff in Form eines elektrischen Signals abgenommen. Dabei wird das Bild auf der Lichtaufnähmefläche gespeichert. Die verwendete Abtaströhre muß daher von der Art sein, bei welcher die im Aufnahmelicht enthaltene Videoinformation nach Abschluß des Lichteinfalls auf die Röhre auf der Lichtaufnahmefläche festgehalten wird, bis der nachfolgende Abgriff einsetzt. Bei einer solchen Bildabtaströhre ist jedoch eine Restbilderscheinung zu beobachten. Infolgedessen bleibt das auf der Lichtaufnahmefläche gespeicherte Bild nach Abschluß eines Abgriffs erhalten, und dieselbe Bildinformation wird zum zweiten Zeitpunkt des Abgriffs erzeugt, auch wenn dabei das die Bildinformation enthaltende Ausgangssignal der Abtaströhre bei diesem Abgriff schwach ist. Infolgedessen besteht das wiedergegebene Bild aus einem Uberlagerungsbild aus dem vorhergehenden und dem anschließend abgegriffenen Bild, so daß es für die Betrachtung eines sich bewegenden Gegenstands ungeeignet ist. Aus diesem Grund muß die Periode t~ der Blende wesentlich länger sein als die Lese-Abtast- bzw. Abgriffperiode tp der Abtaströhre, damit die Blende zur Gewährleistung eines Bilds hoher Güte geöffnet wird, nachdem das Restbild für praktische Zwecke nahezu vernachlässigbar ist· Allgemein hängt die Restbildcharakteristik der Abtaströhre von der Art der verwendeten Röhre, der einfallenden Lichtmenge und dem Abtastverfahren mittels der Elektronenstrahlen ab. Die Löschperiode, d.h. tj^/tp, muß daher unter Berücksichtigung dieses Umstände zweckmäßig gewählt werden.

Im folgenden ist die Art und Weise der Wiedergabe des auf vorstehend erläuterte Weise abgegriffenen Bildinformationssignals auf dem Videοbetrachter 16 erläutert. Ein abzugreifendes Bild, das zum Zeitpunkt t_Q gemäß Fig. 4B nahezu unbeweglich sein sollte, wird auf die Lichtaufnahmefläche projiziert. Gemäß Fig. 4C greift die Abtaströhre 8 aufeinander-

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folgend die Bildsignale A₁, A₂, A, „.. A_n ab, wobei die auf das Signal A₂ folgenden Signale die Restbildsignale mit allmählich abnehmender Amplitude sind. Dabei ist zu beachten, daß das Restbildsignal A_R bei der Bildwiedergabe vernachlässigbar ist, weil die Periode t_R entsprechend gewählt ist. Anschließend wird die Blende wieder geöffnet. Dabei wird ein anderes Objektbild, d.h. das Oberflächen-Schattenbild des sich bewegenden Metallwerkstücks 1, abgetastet, wobei ein Bildsignal B₁ mit seinen Restbildern B₂, B, ... B_n gebildet wird. Ähnliche Abtastungen oder Abgriffe werden im Anschluß hieran durchgeführt. Die Ausgangssignale des Videoverstärkers 14 (Fig. 2) entsprechen denen gemäß Fig. 4C. Wenn diese Signale auf dem Betrachter 16 unmittelbar in sichtbarer Form wiedergegeben werden, variieren Dichte und Helligkeit des wiedergegebenen Bilds in jedem Bildfeld, d.h. bei jeder Vertikalabtastung, obgleich die wiedergegebenen Bilder der Signale A₁ - A und B₁ - B einander ähnlich sind. Anhand dieser Bilder ist es daher schwierig, mit dem unbewaffneten Auge Fehler auf dem Metallwerkstück festzustellen. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit wird vorgesehen, daß jedes Bildabtastsignal A₁ und B₁, welche das erste Bild nach dem öffnen der Blende darstellen, während der Periode tg kontinuierlich n-mal auf dem Betrachter 16 sichtbar gemacht wird (vgl. Fig. 4D).

Zu diesem Zweck wählt die verwendete Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung 13 als zweckmäßigstes Signal für die Fehlerfeststellung die Bildsignale A₁ und B₁, welche das erste Bildfeld nach dem Öffnen der Blende darstellen, aus den fortlaufend von der Abtaströhre 8 über den Videoverstärker 14 gelieferten Bildsignalen aus« Die Vorrichtung 15 speichert die Signale A₁ und B₁ vorübergehend unter Umordnung dieser Signale A₁, B₁ ... auf die in Fig. 4D gezeigte Weise. Die Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung 15 besteht aus einem Gerät, das die Videosignale kurzzeitig zu speichern und wiederzugeben vermag, beispielsweise mit einer Magnetplatte oder einer Bildspeicherröhre. f_098ö2/mi

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Auf diese Weise wird der Oberflächenzustand des sich bewegenden, rotglühenden MetallwerkstUcks 1 als Stehbild auf dem Videobetrachter 16 dargestellt, so daß Oberflächenfehler auf dem Werkstück 1 festgestellt werden können. Erforderlichenfalls wird das Ausgangssignal der Vorrichtung 15 einmal mittels einer Bildaufzeichnungsvorrichtung, z.B. eines Videobandgeräts (VTR),aufgezeichnet, wobei die Bildwechselfrequenz bei der Wiedergabe niedriger ist als bei der Bildaufzeichnung, oder der Durchlauf der Bildfelder wird angehalten. Auf diese Weise lassen sich Fehler genauer feststellen.

Bezüglich des Kontraste des wiedergegebenen Bilds ist das Bildsignal A₁ im Vergleich zu den Restbildsignalen A₂, A_ ... i gut, sofern diese Signale unter den gleichen Belichtungs- bzw. Aufnahmebedingungen erzeugt werden. Der Kontrast verschlechtert sich fortlaufend in der Reihenfolge A₁, A₂ .·· A_n. Von diesen Videosignalen ist das für die Fehlerfeststellung geeignetste nicht notwendigerweise das Videosignal A₁. Wenn das von außen einfallende Licht zu intensiv ist, sind häufig das Restbildsignal A₂ oder andere Signale für die Fehlerfeststellung günstiger, da sie ein deutliches Bild mit weitem Tonabstufungsbereich (tonal range) liefern können. Dies läßt sich wie folgt erklären: Bei der derzeit am häufigsten angewandten Photoleiter-Bildabtaströhre rührt dei/größte Teil der Restbilderscheinung von einem kapazitiven Restbild her, so daß der Videoausgang des Restbilds mit zunehmender Zahl der Abgriffe exponentiell abnimmt. Wenn das einfallende Licht zu intensiv ist, sind die weißen Teile des wiedergegebenen Bilds im Verstärker gesättigt, wenn dessen dynamischer Bereich nicht sehr breit ist, was zur Folge hat, daß die weißen Teile oder Bereiche nicht auf dem Betrachterbildschirm erscheinen. Andererseits wird das Restbild als Signal erhalten, bei dem der Bildkontrast vermindert ist· Der Bildkontrast nimmt um so stärker ab, je häufiger die Videosignale auftreten» Dies bedeutet, daß selbst dann, wenn bei Intensivem Einfallslicht das Rest-

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bildsignal entsprechend gewählt wird, ein Bild mit hohem Kontrast auch ohne einen speziellen Videoverstärker erhalten wird.

Die Menge des einfallenden Lichts hängt weitgehend von der Oberflächentemperatur des rotglühenden Werkstücks und vom Oberflächenbehandlungsverfahren ab, auch wenn die Intensität der Lichtquelle, die physikalischen Abmessungen des rotglühenden Werkstücks, der Lichtquelle und der Bildabtastvorrichtung konstant sind. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Irisblende des optischen Systems so einzustellen, daß in den ersten Bildfeldern A. und B₁ eine optimale Belichtung erreicht wird· Außerdem treten an lokalen Stellen über- oder Unterbelichtungen auf demselben Bild aufgrund ungleichmäßiger Ausleuchtung durch die Lichtquelle oder ungleichmäßiger Reflexion der Lichtstrahlen infolge einer unebenen Oberfläche des Werkstücks auf. Dies ruft möglicherweise die sich aus der Sättigung des Videoverstärkers ergebenden Mängel hervor· Ein praktisch anwendbares Verfahren zur Lösung dieser Schwierigkeiten besteht folglich darin, daß im voraus eine Lichtmenge eingestellt oder festgelegt wird, die über dem optimalen Wert für das erste Bildfeld liegt, wobei dann aus dem zweiten oder einem späteren Restbild das zweckmäßigste Bild für die kontinuierliche Bilddarstellung auf dem Videobetrachter während der Periode t~ ausgewählt wird.

In den in Fig. 4E dargestellten Fall sind die Restbildsignale A₂ und B₂ entsprechend dem zweiten Bildfeld als das geeignetste Videosignal ausgewählt, wobei das günstigste Signal auf dem Betrachter wiedergegeben wird· Die Auswahl des zweiten Bildfelds oder eines noch späteren Bildfelds aus η Bildfeldern und seine Aufzeichnung kann altteIs der Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung 15 im wesentlichen in derselben Weise wie für das erste Bildfeld erfolgen. Die Wahl des besten Bildfelds kann durch Austausch der Bildfelder durch eine das wiederge-

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gegebene Bild betrachtende Bedienungsperson oder durch eine zur Gewährleistung optimalen Kontraste vorgesehene automatische Steuer- oder Regelvorrichtung geschehen· Wenn nämlich die hellste Stelle des die Helligkeit angebenden Signals einen vorbestimmten Wert übersteigt, kann eine überbelichtung angenommen werden, während unter einem vorbestimmten Wert vorausgesetzt werden kann, daß in diesem Fall das erste Bildfeld optimal belichtet ist· Das in Fig. 4F veranschaulichte Aufzeichnungs- und Wiedergabeverfahren, das eine Abwandlung der Verfahren gemäß Fig· 4D und 4E darstellt, ist besonders zweckmäßig. Bei diesem Verfahren, das eine direkte Ableitung der üblichen Zeilensprungabtastung ist, werden gleichzeitig Videosignale, z.B. A₂, B₂ ··· und A,, B, ···, von zwei kontinuierlichen bzw. Dauerbildfeldern aufgezeichnet, die aus einer Gruppe von Bildfeldern aus dem ersten, zweiten, dritten Bildfeld und anderen Bildfeldern entsprechend ausgewählt wurden. Bei der Wiedergabe wird die Zeilensprungabtastung angewandt: Alle ungeraden Zeilen von Oberseite zu Unterseite des ersten Bildfelds (beim vorliegenden Beispiel des zweiten Bilds) werden unter Auslassung der geraden oder geradzahligen Zeilen zuerst abgetastet; nach diesem Vertikal-Abtastzyklus werden alle geraden Zeilen des zweiten Bildfelds (d.h. des dritten Bilds), die beim vorhergehenden Abtastvorgang ausgelassen wurden, von oben nach unten abgetastet« Damit wird ein Überlagerungsbild zweier kontinuierlicher oder Dauerbilder sichtbar gemacht· Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der genaueren Bildauswahl. Im Vergleich zu dem Verfahren, bei dem nur ein Bild aus einer Gruppe von Bildern ausgewählt wird, liefert dieses Verfahren nämlich ein Bild, dessen Qualität im Vergleich zu derjenigen der vorher genannten Bilder neutral isto Wenn dieses Verfahren daher in Verbindung mit dem Verfahren angewandt wird, bei dem ein Einzelbild zur Bilddarstellung wiederholt wiedergegeben wird, kann das optimale Bild genauer und vollständiger gewählt werden· Außerdem kann das opti-

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male Bild in der Weise gewählt werden, daß das Videosignal von der Bildabtaströhre einmal in einem Videoaufzeichnungsgerät, etwa einem Videobandgerät, aufgezeichnet und dann das optimale Bild für die Wiedergabe ausgewählt wird· Dies ist sowohl beim manuellen als auch beim automatischen Schaltverfahren möglich. Beim automatischen Schaltverfahren wird das vom Synchroneignalgertrator erzeugte Signal ebenfalls zur Videoaufzeichnung benutzt·

Wie erwähnt, wird durch Heranziehung des Restbilds eine über« oder Unterbelichtung auf einem Teil oder der gesamten Oberfläche des Metallwerkstücks aufgrund einer Änderung der Beleuchtung oder des Reflexionsfaktors auf dieser Oberfläche vermieden, so daß ein Bild hoher Güte mit hoher Gradation für die Fehlerbestimmung gewährleistet wird·

Außerdem können Oberflächenfehler auf dem Metallwerkstück durch elektrische (elektronische) Verarbeitung des Videosignals anstelle der Beobachtung mit dem unbewaffneten Auge festgestellt werden. Die meisten bzw. der größte Teil des in dem auf beschriebene Weise wiedergegebenen Bild enthaltenen Oberflächenfehlers ist beispielsweise im Vergleich zu den anderen Teilen dunkler· Im Hinblick hierauf kann dann, wenn das die schwarzen Bildbereiche darstellende Signal unter einem vorbestimmten. Pegel liegt, angenommen werden, daß dieses Signal die Fehlerinformation enthält, und wenn dieses Signal eine Bildfläche einnimmt, die breiter ist als eine vorbestimmte Fläche, kann ebenso vorausgesetzt werden, daß das Bild einen oder mehrere Oberflächenfehler enthält. Wenn wahlweise das in der Aufzeichnungsvorrichtung 15 aufzuzeichnende und wiederzugebende optimale Bildsignal einem elektronischen Rechner für Mustererkennung eingegeben wird, läßt sich die automatische Fehlerfeststellung noch genauer durchführen· Die automatische Fehlererkennungsschaltung 17 gemäß Fig· 2 gewährleistet eine derartige Funktion·

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Im folgenden ist ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Eine unmittelbar vom Vorblockwalzen kommende Platte bzw. Vorbramme (100 - 500 mm Dicke, 650 .-1950 mm Breite, 3 - 15 m Länge) wurde als abzu^jpastendes Objekt bzw. als Prüfling verwendet. Diese, auf eine Oberflächentemperatur von 900 - 1200⁰C erwärmte Platte wird auf einem Fördergang mit einer Geschwindigkeit von 30-60 m/min transportiert, wobei eine FehlerprUfung mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird. Als Lichtquelle werden drei Projektoren mit 250 W-Hochdruckquecksilberlampen verwendet, die in einem Abstand von etwa 3 m über der Platte angeordnet sind. Diese Lichtquelle bestrahlt eine 250 χ 250 mm große Fläche auf der Plattenoberfläche mit einer Lichtstärke von etwa 110 000 Lux in einer senkrecht zur optischen Achse liegenden Ebene. Um einen kleinen, in Walzrichtung verlaufenden Fehler zu schattieren, wird die Lichtquelle vom Fördergang versetzt angeordnet, so daß sie die Platte aus einer Position senkrecht zur Walzrichtung, aber unter einem Winkel von etwa 30° gegenüber der lotrechten Linie auf der Platten-Beleuchtungsfläche, beleuchtet. Dicht am Walzwerk ist eine mit Hochdruckwasseretrahlen arbeitende Entzünde rungs vorrichtung angeordnet, um vor der FehlerprUfung

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hinter Vorblockwalze an der Platte anhaftenden sekundären Zunder zu entfernen. Die Bildabtastvorrichtung ist 2 m unmittelbar über der beleuchteten Fläche der Platte angeordnet und von einer Kühleinrichtung umschlossen, die sie vor der starken, von der rotglühenden Platte abgestrahlten Hitze schützt. Als Abtaströhre dient eine solche vom Photoleiter-Typ, deren photoleitende Fliehe aus CdSe oder PbO besteht, wodurch hohe Empfindlichkeit und ein gutes Ansprechen gewährleistet werden. Die Abtastung erfolgte beim angenommenen Beispiel nach der japanischen Fernsehnorm mit 525 Abtastzeilen, einer Abtastperiode tp von 1/60 s und einer Rücklauf pe riode t von 5 - 8J6 der Periode tp. Die Blendenbelichtungszeit t_Q

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beträgt 1/1200 s, und die Wiederholungsperiode t_R der Blendenöffnung beträgt 1/5 s. Verwendet wird eine Blendenscheibe mit einem einzigen Schlitz. Der Lese-Abgriff erfolgt daher zwölf mal für Jede Blendenöffnung«, Um in Walzrichtung verlaufende Fehler deutlich zu erfassen, ist die Kamera so angeordnet, daß die Walzrichtung rechtwinkelig zur Horizontal-Abtastzeile liegt. Als Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung 15 wurde ein Hagnetband verwendet. Die Wahl des optimalen Bildfelds aus den durch zwölfmaliges Abtasten erhaltenen Bildfeldern kann manuell oder automatisch dadurch erfolgen, daß die Amplitude des die dunklen oder weißen Bereiche des Bilds angebenden Signals mit einem Bezugswert verglichen wird.

Die Untersuchung der Platte erfolgt unter den eben genannten Bedingungen· Deutlich festzustellen sind dabei linienartige Fehler von 0,5 mm Breite und 5 mm Länge, Risse mit größeren als den genannten Abmessungen, Abplatzfehler und Walzeindrücke (bite patterns) der Walzen unmittelbar nach dem Nachschneiden, die allerdings keine Fehler sind, sondern für die Schärfe des Bilds sprechen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal der Vorricht nji5 einmal im Magnetbandgerät aufgezeichnet und mit einer Wiedergabefrequenz entsprechend 1/2 bis 1/3 der Aufzeichnungsfrequenz wiedergegeben, so daß der Oberflächenfehler noch deutlicher ist und noch leichter festgestellt werden kann. Eine weitere Untersuchung der Plattenoberfläche wird vorgenommen, indem diese Geräte an der Austrittsseite der Warm-Flämm-Maschine oder der Schere angeordnet werden* Die Fehlerfeststellung ist dabei ebenso eindeutig wie in den vorher beschriebenen Fällen.

Die Versuche zeigten, daß bei beschriebener Wahl der Lichtmenge für die Belichtung das zweite oder dritte Bildfeld unmittelbar nach dem Öffnen der Blende optimal ist, wobei das erhaltene Bild sehr stabil ist, feine Einzelheiten erkennen

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läßt und eine gute Schärfe besitzt· Das automatische Fehlerprüfverfahren, bei dem der Dunkelteil des Bildfelds in einem Rechner verarbeitet wird, und das Prüfverfahren mit dem unbewaffneten Auge wurden bezüglich der Leistung miteinander verglichen. Dabei zeigte es sich, daß das erstere Verfahren für die Feststellung vergleichsweise großer Oberflächenfehler, wie Abplatzen oder Entzunderung oder Risse, ausreichend genau ist.

Bei einer anderen PrUfungsmöglichkeit ist die Fehlerprufvorrichtung zwischen dem Vorblockwalzwerk und der Warm-Flämm-Maschine angeordnet. Bei dieser Anordnung erfolgte die Fehlerbeseitigung durch die Warm-Flämm-Maschine unter Berücksichtigung der Ergebnisse der unmittelbar nach dem Auswalzen erfolgenden Untersuchung der Br-ammen- bzw. Plattenoberfläche. Mit anderen Worten: Die Notwendigkeit der Fehlerbeseitigung bzw. die Tiefe und Position der Fehler wurde unter Beobachtung der Brammenoberfläche zweckmäAig geändert. Das Ergebnis bestand in einer Vermeidung einer Herabsetzung des Ausbringens infolge einer fehlerhaften Bedienung der Flämm-Maschine oder einer ungenügenden Fehlerbeseitigung beim nachfolgenden Arbeitsgang.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß sich erfindungsgemäß etwaige Oberflächenfehler des durchlaufenden, rotglühenden Werkstücks verhältnismäßig einfach und zuverlässig feststellen lassen· Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Fehlerbeseitigungsvorgang mittels der Flämm-Maschine für jedes Stahlwerkstück kontrolliert werden, so daß die Schwierigkeiten der Fehlerbeseitigung beim nachfolgenden Arbeitsgang aufgrund einer fehlerhaften Arbeitsweise der Flämm-Maschine vermieden werden. Wenn die Fehlerfeststellung an den Werkstücken unmittelbar nach dem Auswalzen derselben erfolgt und die festgestellten Fehler beseitigt werden, lassen sich ein Direktauswalzverfahren, bei dem das Werkstück

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beim nächsten Arbeitsgang unmittelbar und nicht erst über einen Ofen in das Walzwerk eintritt oder lediglich zur Wiederaufheizung noch glühend in den Ofen eingebracht wird, realisieren» bei dem die heiße Platte o.dgl· unmittelbar in einen Ofen eingeführt wird, was zu einer beträchtlichen Senkung des Wärmeenergiebedarfs führt. Neben Vorwalz-StahlwerkstUcken (Platten bzw· Vorbrammen, Platinen, Walzblöcke oder Brammen, Grobwalz-Stahlprodukte) ist die erfindunge gemäße Vorrichtung auch auf Strangguß-Stahlprodukte anwendbar. Ebenso kann sie auch für die Fehlerfeststellung auf heißen Werkstückoberflächen an der Austrittsseite oder während des Walzvorgangs bei Warmwalzwerken angewandt werden, etwa bei Platten- bzw· Grobwalzwerken, BandrWarmwalzwerken, Walzwerken zur Herstellung von Rollprofilen, Stangenwalzwerken und Rohrwalzwerken. In jedem Fall werden Produktgüte und Ausbringen beträchtlich verbessert.

Ersichtlicherweise 1st die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt· Beispielsweise kann anstelle der Abtaströhre eine andere, geeignete optisch-elektronische Wandlervorrichtung verwendet werden· Bei den beschriebenen Beispielen ist die Blende der Lichtaufnahmefläche der Abtaströhre unmittelbar vorgeschaltet, doch kann sie auch an einer beliebigen Stelle la Strahlengang zwischen Abtaströhre und Lichtquelle angeordnet sein, beispielsweise zwischen Metallwerkstück und Lichtquelle, wenn dies· leistungsfähig ist· Dem Fachmann sind noch weitere Änderungen und Abwandlungen der offenbarten Ausführungsforaen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

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Le e rs e i t

Claims

Patentansprüche

' 1 .,/Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenfehlern auf einem rotglühenden Metallwerkstück, gekennzeichnet durch eine zur Beleuchtung einer vorbestimmten Fläche (4) auf dem rotglühenden Werkstück (1) dienende Lichtquelle (3)» deren Lichtleistung so eingestellt ist, daß die Reflexionsenergie der vom Werkstück reflektierten Strahlen der Lichtquelle wesentlich größer ist als die vom Werkstück abgestrahlte Strahlungsenergie, durch eine Bildabtastvorrichtung (8) zum Abtasten eines Bilds der Werkstückoberfläche, das durch die Beleuchtung mittels der Lichtquelle (3) gebildet wird, durch eine in den Strahlengang zwischen der Lichtaufnahmefläche der Abtastvorrichtung (8) und der Lichtquelle (3) eingeschaltete Blende (10) und durch eine Einrichtung zum Abgreifen eines den Oberflächenfehler des Werkstücks darstellenden Signals aus den von der Bildabtast vorrichtung (8) gelieferten Videosignalen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende einen Motor, eine durch diesen angetriebene Scheibe und einen in die Scheibe eingestochenen Schlitz aufweist, wobei die zur Lichtaufnahmefläche gerichteten Lichtstrahlen bei umlaufender Scheibe durch den Schlitz durchgelassen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignal-Abgreifeinrichtung einen Videoverstärker zum Verstärken eines von der Bildabtastvorrichtung gelieferten Videosignals, eine Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung zur Aufnahme des Ausgangssignals des Videoverstärkers, einen mit der Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung verbundenen Pegeldetektor zur Feststellung des Pegels eines Fehlersignals in den Videosignalen und eine Treiberschaltung

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ORIGINAL JNSPECTEO

zum Antreiben des Motors zur Drehung mit einer vorbestimmten Drehzahl durch ein Synchronsignal eines Videosignals aufweist·
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignal-Abgreifvorrichtung weiterhin einen Video-Betrachter zur kontinuierlichen Wiedergabe des in der Bildwähl- und Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichneten optimalen Bilds während der Zeitspanne, während welcher die Blende geschlossen ist, aufweist.

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