DE2828946A1

DE2828946A1 - Vorrichtung zur optischen kontrolle insbesondere von glasfasern bzw. -faeden

Info

Publication number: DE2828946A1
Application number: DE19782828946
Authority: DE
Inventors: Ii Roy Vernon Young
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1979-01-18
Also published as: DE2828946C2; IT7825182A0; FR2396288A1; NL7807158A; IT1096837B; GB1599750A; ATA477178A; US4136961A; JPS5419796A; FR2396288B1; CA1098991A

Description

PATENTANWÄLTE

DR. ERNST STURM^ B 2 8 9 4 S DR. HORST REINHARD

Anmelder in: Corning Glass Works dipl.-ING. karl-Jürgen kreutz

8000 München 40, Leopoldstraße 20/IV Telefon: (089) 39 64 51

Telegramm: Isarpatent Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (BLZ 70070010) Postscheck: München 97 56-809

Damm 2. Juni 1978 Kr/h

Vorrichtung zur optischen Kontrolle insbesondere von Glasfasern bzw. -fäden

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Kontrolle vorzugsweise von im wesentlichen zylindrischen Rohlingen, vorzugsweise aus Glas, und zwar sollen damit Einschlüsse bzw. Fehlstellen festgestellt werden, vorzugsweise weitgehend automatisch.

In mancherlei Hinsicht ist die Glasindustrie zwar schon weitgehend automatisiert, die Qualitätskontrolle beruht jedoch in einigen Bereichen immer noch im wesentlichen auf subjektiven Maßstäben. Die Feststellung von Einschlüssen und Fehlstellen im Glas - um die es vorliegend geht - erfolgt bisher nach zwei

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Verfahren: Um Einschlüsse in dem eingesetzten Glasmaterial festzustellen, wird aus der Glasschmelze eine kleine Probe entnommen und in eine entsprechende Form, ein sogenanntes "Glas-Patty" gebracht. Die Probe wird dann mit optischen Mitteln, wie Vergrößerungsgläsern, untersucht. Die Arten, Anzahl und Größe der in der Probe festgestellten Einschlüsse sind dann repräsentativ für die jeweilige Schmelze. Entspricht die Probe bei dieser optischen Kontrolle nicht den vorausgesetzten Qualitätsstandards, so wird diese Glasschmelze aus der Produktion ausgeschieden oder aber neu bearbeitet, bis eriBute Kontrolle ein befriedigendes Ergebnis zeigt.

Zur Kontrolle zylindrischer Glasrohlinge, insbesondere von optischen Wellenleitern wird häufig ein anderes Verfahren angewendet. Da diese Wellenleiter nur geringen Durchmesser haben und aufgrund des Charakters der durch sie zu übertragenden Signale, werden sie schon bei ziemlich kleinen Einschlüsse unbrauchbar. Gewisse Arten von Einschlüssen mögen aber zulässig sein, in Abhängigkeit von ihrer Dichte und räumlichen Verteilung u. a. Die Wellenleiter werden herkömmlich bei der optischen Kontrolle in eine Flüssigkeit mit dem gleichen Brechungsindex eingebracht und darin mittels herkömmlicher optischer Apparate, wie Vergrößerungsapparate, kontrolliert. Dieses Test- bzw. Kontrollverfahren läßt zu wünschen übrig. Insbesondere ist es äußerst schwierig, für einen Menschen, optisch die Einschlüsse auszuzählen, insbesondere wenn sie dicht aneinanderliegen, oder die räumliche Anordnung oder

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Verteilung einer Gruppe von Einschlüssen richtig zu erfassen. Da die Einschlüsse innerhalb des Glasvolumens liegen, können sie nicht direkt vermessen werden.

Oft müssen auch die einzelnen Arten der Einschlüsse unterschieden werden. Es gibt im \^esentlichen zwei Gruppen: Feste Einschlüsse, die von ungeschrnolzenen Partikeln oder Fremdkörpern gebildet sind oder "falsche" Einschlüsse, welche Glasblasen darstellen. Die festen Einschlüsse rühren meist von feinen Verunreinigungen in dem Ausgangsmaterial her oder von dem Material der Wandung des Schmelzofens, oder es sind Platinpartikel aus den Kanälen bzw. Rohren, durch die das Glas geströmt ist. Die festen Einschlüsse können opak oder klar sein. Ein klarer Einschluß ist schwierig festzustellen bzw. von einer Gasblase zu unterscheiden. Trotzdem wird es immer wichtiger, daß die Einschlüsse ausgezählt, richtig klassifiziert und in ihrer räumlichen Verteilung festgestellt werden.

Hinzu kommt, daß bei opakem Glasmaterial zumindest gewisse Einschlüsse praktisch bisher nicht festgestellt werden konnten. Es ist daher erforderlich, die bisherigen Prüfverfahren über das bisherige Niveau hinaus zu verbessern, zu verfeinern und zu rationalisieren.

Die Erfindung sucht daher Mittel zum automatischen Testen von

insbesondere von Glasfasern bzw. \vellenleite

im wesentlichen zylindrischen Glas-Rohlingeu/auf Einschlüsse zu schaffen.

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wobei die räumliche Anordnung der Einschlüsse festgestellt

werden soll;

mit anderen Worten:

Es soll ein automatisches Kontrollsystem geschaffen werden, welches das Kohmaterial bzw. die Glasfaser oder den Glasfaden mittels elektromagnetischer Strahlen abtastet und die Anzahl und räumliche Anordnung der Einschlüsse feststellt.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen angegeben.

Es wird also ein. elektromagnetischer Strahl bzw. Strahlenbündel auf einen Glaszylinder (Glasfaser) quer zu dessen Längsrichtung gerichtet, der also den Glaszylinder längs einer Sehne durchsetzt. Der Strahl wird hin und hergeschwenkt, wobei er den Querschnitt des Glaszylinders bzw. Rohlings überstreicht und dabei an einem etwaigen Einschluß unterbrochen bzw. gestreut wird, womit der Einschluß feststellbar ist. Der Rohling wird jeweils um einen Schritt in Längsrichtung vorgeschoben. Läßt man den Strahl stationär auf eine vorbestimmte Auftreffstelle des Rohlings auftreffen und dreht den Rohling um seine Längsachse, so wird ebenfalls der Querschnitt des Rohlings überstrichen, und zwar der gesamte Querschnitt, womit insbesondere die genaue Lage eines Einschlusses, vorzugsweise in Polarkoordinaten, feststellbar ist. Fühlorgane bestimmen die relative Lage zwischen Strahl und Zylinder, in der Nähe des Zylinders"angebrachte Fotosensoren erfassen Unterbrechun-

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in dem - austretenden - Strahl, und damit feste Einschlüsse sowie eine Streuung des Strahls und damit "falsche" Einschlüsse, also Gasbläschen. Durch ein elektronisches Aus-' Wertesystem, an welches die verschiedenen Organe, Fühler und Sensoren angeschlossen sind, erhält man die ge-

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wünschten Informationen über die Anzahl und Position und Arten der Einschlüsse.

Vorstehend wurde die Erfindung allgemein umrissen; zur näheren Erläuterung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch, im Querschnitt, die Durchleuchtung eines Glaszylinders gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt - ebenfalls im Querschnitt - wie verschiedene Einschlüsse festgestellt werden.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt verschiedene geometrische Zusammenhänge, von denen die Erfindung Gebrauch macht.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Testsystem nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt im Blockschaltbild weitere Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Testsystems.

Die zylindrische Probe 10 ist lichtdurchlässig bzw. elektromagnetisch transparent. Die praktische Anwendung der Erfindung

vor allem ..

liegt/in der Glasindustrie; daher wird zur Erläuterung ein transparenter Glaszylinder bzw. -faden zugrunde gelegt. Die verwendete Strahlung ist also sichtbares Licht, auf die später noch näher eingegangen wird.

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In Fig. 1 ist der Zylinder 10 stationär und wird von einem Lichtstrahl 12 durchsetzt. Der Strahl 12 wird dabei hin und her geschwenkt (Schwenkbereich "scan"). An der Auftreffstelle wird der Strahl entsprechend den Brechungsgesetzen gebrochen, an der Austrittsstelle erfolgt eine nochmalige Brechung. In Fig. sind die beiden äußersten Strahlen eingezeichnet, die offenbar den Zylinder 10 tangential schneiden. An der Auftreffstelle wird der Strahl jeweils zum Lot hin gebrochen. Es ergeben sich somit beidseits je eine tote Zone 16, 18, die nicht vom Lichtstrahl durchsetzt werden. Wie Fig. 1 weiter zeigt, erscheint der jeweils austretende Strahl seitenvertauscht auf dem Schirm bzw. Fotoseusor 14. Der Fotosensor, beispielsweise vom Silikontyp, ist als ebene Platte ausgebildet.

In dem vom Strahl überstrichenen Querschnitt des Zylinders 10 seien ein Festkörpereinschluß 20 und eine Gasblase 22.

Wie sich bei der Erfindung herausgestellt hat, reagiert der Lichtstrahl unterschiedlich auf unterschiedliche Einschlüsse

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-/-/if

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und mittels entsprechender Sensoren kann man nicht nur feststellen, daß ein Einschluß vorliegt, sondern man kann auch verschiedene Arten von Einschlüssen unterscheiden.

In Fig. 2 ist der den Testen Einschluß 20 treffende Strahl 12' herausgezeichnet, dessen Strahlengang - ohne den Einschluß - gestrichelt fortgesetzt ist bis zum Sensor 14. Bisher, ohne Einschluß, war also an der Auftreffstelle eine bestimmte Lichtintensität vorhanden; wenn bzw. wo der Strahl den Einschluß 20 trifft, wird der Lichtstrahl unterbrochen, der elektrische Auslaß des Fühlers 14 fällt also plötzlich ab.

Es wurde ferner gefunden, daß transparente Festkörpereinschlüsse im wesentlichen dieselbe Wirkung wie opake Einschlüsse haben. Dies liegt daran, daß der Brechungsindex des Einschlußmaterials wesentlich anders als der des umgebenden Lichtes ist, so daß das Licht gestreut oder abgelenkt wird. Bei einer Streuung des Licht gelangt zwar immer noch wenigstens ein Teil des Lichtes auf den Schirm, der Lichteinfall ist aber geringer, womit der Einschluß angezeigt wird.

Man betrachte nun den Strahl 12", der die Position des Kontrollstrahls zeigt, nachdem er dichter an die Mitte des Zylinders 10 herangerückt ist. Der Strahl 12" trifft nun auf den falschen Einschluß bzw. die Gasblase 22 auf, wobei der einfallende Strahl im wesentlichen über sämtliche 360 Grad zerstreut \i\x&. Ein Teil dieses Lichts fällt also auf den

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Sensor 14. Der Lichteinfall auf Sensor 14 ist also vermindert, jedoch ist die Verminderung meist nicht genügend für die An-32ige der Blasen mit ausreichender Sicherheit. Es ist daher ein weiterer Detektor 24 vorgesehen, und zwar außerhalb des normalen Weges des austretenden Lichtstrahles; der Detektor 24 wird also normalerweise nicht von dem Licht getroffen, sondern nur von an Gasblasen zerstreutem Licht, der Detektor 24 zeigt also vor allem Gasblasen an.

Auf diese Weise wird also angezeigt, ob jeweils ein Einschluß bzw. Einschlüsse vorhanden sind und ob es sich um feste Einschlüsse oder Gasblasen handelt, die Position der Einschlüsse ist jedoch noch unbekannt; nachfolgend kommt es zusätzlich darauf an, die Einschlüsse zu lokalisieren. Hierbei wird der Strahl festgehalten und der Zylinder um seine Längsachse gedreht .

Die hierbei zugrundeliegenden geometrischen Verhältnisse sind in Fig. 3 gezeichnet. Der Strahl 12 ist gegenüber der Mittelachse des Zylinders 10 um die Strecke y versetzt, womit der Auf treffpunkt festliegt. Die Lage des Auftreffpunkts ist zwar nicht kritisch, er darf nur nicht in einer Linie zwischen Lichtquelle und geometrischer Achse liegen. Durch den Radius R ist das Einfallslot und damit der Einfallswinkel Q_± und dementsprechend auch der Austrittswinkel &_t entsprechend dem Brechungsindex η gegeben nach der bekannten Beziehung

l) sin G₁ « η sin ö_t

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Der Strahl durchsetzt den Glaszylinder also nach einer Sehne, die den Abstand P vom Mittelpunkt des Zylinders IO hat, dessen iiadius Ii ist. AuI dorn Zylinder oder auf einem Halter des Zylinders ist ein Referenzpunkt 26 festgelegt. Der Probezylinder 10 wird dann um seine Längsachse im Gegenuhrzeigersina gedreht, bis der Strahl 12 einen Einschluß trifft. In Fig. 3 ist der Zylinder gegenüber dem Referenzpunkt 26 um den Winkel '/ gedreht worden. Jeder Punkt auf dem Querschnitt des Zylinders 10 macht diese Drehung. Ursprünglich befand sich der Einschluß an der Stelle 20', an der nunmehrigen Stelle wird der Einschluß 20 vom Lichtstrahl 12 getroffen. Der feste Einschluß 20 wird nun vom Sensor 14 angezeigt. V/ürde es sich um ein Luftbläschen handeln, so würde allerdings der Streulichtdetektor 24 den Einschluß bzw. das Zusammentreffen von Einschluß und Strahl an genau derselben Stelle anzeigen.

Die Drehbewegung wird fortgesetzt, bis der Strahl 12 den Einschluß an der Stelle 20" wieder schneidet. Der Abstand des Einschlusses und der Drehachse bleibt dabei unverändert gleich dem Radius r seiner Kreisbahn. Der Winkel zwischen dem Radius r und der Senkrechten P ist genau gleich der Hälfte des durch den Radius r zwischen den Positionen 20 und 20" des Einschlusses eingeschlossenen Winkels. Der eingeschlossene Winkel ist mit Δ angegeben. Zwischen dieser Mittelsenkrechten P und dem willkürlichen Ausgangspunkt 26 ist der Winkel P eingeschlossen.

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Aufgrund dieser geometrischen Verhältnisse kann die genaue Lage des Einschlusses 20 bezüglich des Indexpunktes 20 bestimmt \irerden. Do Ικ',ν/. wenn der eingeschlossene Winkel Δ bekannt ist, so ist Δ der Winkel zwischen der Mittelsenk-

2
rechten P und dem unbekannten Radius r. Der liadxus r kann also bestimmt werden nach der Gleichung

r =

cos Δ

Zu Eichzwecken wird die Beziehung zwischen dem Radius r und dem Einfallswinkel Q_± bestimmt. Da der Einfallswinkel auch von dem seitlichen Abstand Y des einfallenden Strahles abhängt, so kann der Betrag der Mittelsenkrechten P (Abstand zwischen Drehachse und Strahl 12 zwischen erstem und zweitem Auftreffpunkt 20, 2Ö¹) aus der bekannten Größe dieser seitlichen Versetzung Y, kann also die Abmessung der Mittelsenkrechten P und der Radius r errechnet werden.

Aus Fig. 3 ergibt sich:

3) sin Q₊=P

4) P=R sin 9_t

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sin 5) sin O₊ *

so daß

R · sin 0. 6) p=

Durch Einsetzen in Gleichung 2) ergibt sich:

R · sin O.

7) r

cos Δ 2

Bei Bedarf kann auch der Winkel 0 zwischen Einschluß 20 und Indexpunkt 26 bestimmt werden. Der Winkel /3 zwischen der Ausgangsstellung von Indexpunkt 26 und der Mittelsenkrechten P ist bekannt. Man erhält also:

9-/3 - (Δ + 0) I 2

Der Ort des Einschlusses 20 kann somit also in Polarkoordinaten angegeben werden.

Hiermit ist nur ein einziger Querschnitt des Rohlings

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~ y- /19 2828346

herausgegriffen. Jc nach der Länge des Rohlings 10 wird jedoch eine größere Anzahl dieser Querschnittsuntersuchungen erforderlich. Die Position des Einschlusses 20 in Längsrichtung dos Rohlings kann leicht bestimmt werden, indem die Position dos auftreffenden Strahls längs der Achse des Rohlings bestimmt wird. Diese axiale Koordinate sei x; durch r. fe und χ ist also der Einschluß nach einem zylindrischen Koordinatensystem lokalisiert.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Querschnitts-Abtastung eines Rohlings 10 mittels Laserstrahl, wobei der Strahl in einem gewissen Abstand Y von der radialen Mittellinie seitlich auf den Rohling 10 auftrifft. Eine Quelle elektromagnetischer

Energie, vorzugsweise eine Laservorrichtung 30 ist in passenwird der Lage angebracht und der Laserstrahl/mittels einem oder mehrerer Spiegel 32,einem Abtastgerät mit einem Prisma 34, zugeleitet. Der vom Abtastprisma 34 reflektierte Strahl durchsetzt ein transparentes Prisma 36 mit parallelen Vorder- und Hinterseiten, also ein Parallelogrammprisma. Der Rohling 10 ist von einem Gehäuse, insbesondere einem einfachen Blechgehäuse eingeschlossen, welches mit einem ersten und einem zweiten Fenster 40, 42 versehexi ist. Die Fenster können zur Verminderung der Reflektion beschichtet sein und als passende Interferenzfilter ausgebildet sein bzw. mit diesen versehen sein. Der Strahl tritt aus dem hinteren Fenster 42 aus und trifft auf die Detektoren 14 und 24 auf.

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Bas ParallelograTmnprisma 36 wird senkrecht zu dem Laserstrahl ausgerichtet« Bas Äbtastprisma 34 oszilliert, so daß also der Laserstrahl M.n- und her ge schwenkt wird. An dem Parallelogra»*- prisma wird <der Laserstrahl abgelenkt, was im Moment aber außer Betracht !bleiben kann*

Beim Äuftreffeii auf einen festen Einschluß erscheint ein Signal am Detektor 14. Beim Auf treffen auf ein Luftbläschen erscheint ein Signal am Detektor 24. Solange kein Signal auftritt, wird der Rohling schrittweise um kleine Schritte von etwa 0,127 um (©,©05 inchj) axial vorwärts bewegt.

Wird ein Einschluß festgestellt, so wird der Längsvorschub gestoppt und das Äbtastprisma 34 wird in eine zentrale Position gebracht, Bas ParallelogranaeprisBia 36 wird dann leicht geschwenkt, so daß es den Strahl unter kleine« Winkel schneidet. Bank der Brechung an dem Parallelogram 36 wird der Strahl um einen Betrag ¥ parallel versetzt. Ber Strahl trifft dann unter einem Einfallswinkel «_± auf den Sohling auf, der Bohling vird gedreht, um die Lage des Einschlusses gemäß Fig. 3 festzustellen«

Fig- 5 zeigt ein Äusführungsbeispiel der gesamten Äbtastvorrichtung. Ber Rohling 10 ist in eine Fassung oder Halterung 44 eingespannt; die Fassung 44 - und damit der Hohling 10 ist mittels Motor bzw. Brehantrieb 46 drehbar, 48 ist die Motorsteuerung. Ein Signalgeber bzw. Drehgeber 47

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bestimmt die jeweilige Winkelstellung des Rohlings. Die Halterung 44 nebst Drehantrieb 46 sind auf einem Schlitten 50 angebracht, der auf einer Schiitteuführung 52 in Längsrichtung des Rohlings verschieblich ist mittels Schraubspindel 54 und Längsanxrieb 56, der von Steuergerät 58 gesteuert ist. Ein weiterer Geber 60 gibt Informationen über die jeweilige Position in Längsrichtung. Diese Signale werden einem Anzeige- und Dekodier-· Gerät 62 und einem Digitalrechner 64 aufgegeben. Dieser Rechner 64 ist allerdings nicht unbedingt erforderlich zum Speichern der gewonnenen Prozeßdaten und zur Überwachung des Systems. Auch die Daten von dem "Drehgeber" 47 werden über Anzeige- und Codiervorrichtung 49 dem Rechner 64 eingegeben. Es sind Sollwertgeber 65, 66, 67 für deu Radius R des Rohlings 10, des Brechungsindex η und des Einfallswinkels Q_± vorgesehen. Diese Signale bzw. Sollwertgeber können verkörpert sein durch Einstellknöpfe bzw. mechanische Geräte; gemäß Fig. 5 werden die Eingangssignale für die Sollwertgeber vom Rechner 64 eingeliefert. In dem Computer können zuvor am Rohling gemachte Meßwerte, auch Werte über etwaige Krümmungen, eingegeben werden so daß schließlich die genaue Lage eines Einschlusses feststellbar ist.

Ausgangsseitig sind die Geber 65, 66, 67 mit Digital-Analog-Signalwandlern 68, 69, 70 (nachfolgend d/a-Wandler) verbunden. Die Wandler 68, 69 sind ausgangsseitig an einen Signalteiler 72 angeschlossen und dieses wiederum an ein Multipliziergerät 74, in das also der Quotient von Radius R und Brechungsindex

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eingegeben wird. Der Wandler 70 ist über ein Sinusgerät 76 an den Eingaug des Multipliziergerätes 74 angeschlossen, so daß also der Ausgang des Multipliziergerätes 74 der Gleichung

Ii sin θ_±
η

entspricht; dieser Signalwert wird einer weiteren Teilerstufe 78 zugeführt.

Der Ausgang des Drehwertgebers 47 wird einem Zähler 80 zugeführt, auf den ausgangsseitig ein d/a-Wandler 82 folgt, dessen Ausgang in dem Teiler 84 durch den Quotienten 2 geteilt, also den Win/kel Δ repräsentiert, von dem man in dem nachfolgenden Kosinusgenerator 86 den Kosinus erhält, welcher der Teilerstufe 78 zugeführt wird, an deren Ausgang man also den Wert

R sin
r = B

cos Δ
2

erhält. Dieser Signalwert wird einer Spitzensignal- und Speicher/einheit 88 zugeführt, die also Informationen über den Radius speichert und/oder anzeigt, bei dem ein Einschluß festgestellt wurde. Dieser Signalwert über den Radius r wird zwecks Automatisierung ebenfalls dem Computer eingegeben, bzw. gespeichert zur späteren Verwendung.

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Signale vom Betßiktor 14 für feste Einschlüsse werden einem ersten Schieberegister 90, Signale von dem BläschendetelctDr 24 werden einem zweiten Schieberegister 92 zugeführt. IDIe Schieneregister sind so geschaltet, daß sie nur nach Jedem dritten Eingangssignal elm Auslaßsignal liefern, Dieses dritte Signal röhrt von äußeren Impulsen her, die hei dem Mai- mnfl Her— schwenken des IRrnf Strahls abgegeben werden. ©Ie JReset—.Anschlüsse der Schielberegister sind mit dem jybtast—Sehweinlk— Meehanlsmus verbunden, so daß sie nach Jeder Schwenkbewegung zjirScikgesetsst werden, durch entsprechende Slgnalverblndnng werden sie auch nach Jeder IMdrehung zurückgesetzt, ©lese ]0ritt-CÄuslaiß-}3impiilse werden geliefert von den Schieberegäueaerj 9O₅ B2 und Zahlern 94«, 96. Me gezahlten Signale lkonnem - bzw. werden gemäß ^Ig* S — dem Eechner ©4 eingegeben, zur Speicherung zweciks Minftlger ¥erwendong. Ber Rechner ©4 liefert eim Auslaßsignal an das Mot©rstenergerat 98, zwr Stemenmg des Schwenkantriebs 100 für das Parallelogramaprisma 36, Jeweils ZiUi Versetzen des Strahles, wie erwähnt. Der Betrag der seitlichen Versetzung des Strahles wird bestimmt von den zuvor erhaltenen Daten über den fiadius nnd gegebenenfalls Kraamungeaa sowie die Winkel- and axiale Stellung des Bohlings 10.

Die Signale von Einsehlnßdetektoren 14 und 24 werden ferner eine« ersten ODER-Glied 102 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang eines USD-filiedes 104 verbunden ist. Mm. den ande-

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-y-%1

ren Eingang des UND-Gliedes 104 gelangt über entsprechende Übertragungsmittel ein Signal über die Winkelstellung des Rohlings. Der Ausgang des UND-Gliedes 104 triggert ein Flip-Flop 1OG, dessen Einlaß verbunden ist mit einem Ein-Aus-Anschluß des Zählers 80. Der Flip-Flop ist während der Schwenkbewegung des Prüfstrahls gesperrt und nur während der Drehbewegung des Rohlings ansprechbar. Dieses Signal kippt auch das Verzögerungsglied 108, welches den Zähler 80 nach vorbestimmtem Zeitintervall zurücksetzt.

Die Signale von Detektoren 14, 24 sind ferner an je einen Anschluß eines zweiten ODER-Gliedes 110 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines zweiten UND-Gliedes 112 verbunden ist. An den zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 112 gelangt invertiert das Signal über die Drehstellung

auch an das
(0 state status) /UND-Glied 104 gelangt. Der Auslaß des UND-Gliedes 112 ist verbunden mit einem "one-shot"-Schalter 114. Die Auslaßanschlüsse dieses Schalters 114 werden rückgeführt zu entsprechenden Punkten in dem Kontrollsystem, ebenso wie die Auslässe einer zweiten Schalterbank 116, die abhängig ist von dem Zustand des Flip-Flops 106. Die erste Reihe von "one-shot"-Schaltern 114 bewirkt mit ihren an verschiedene Punkte des Systems geführten Auslaßsignale die Beendigung des Hin- und Herschwenkens des Abtaststrahls und den Deginn der Abtastung mit Drehbewegung des Rohlings. In ähnlicher Weise wird die "one-shot"-Schaltbank 116 durch den Ausgang des Flip-Flops 106 erregt und schaltet das System

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wieder um zum Abtasten mit hin- und herschwenkendem Prüfstrahl. Das Schwenkprisma 34 wird vom Schweukmotor 120 über Steuergerät 122 hin- und hergeschwenkt, wobei noch ein Schwenkgetriebe 124 zwischengeschaltet ist.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 5, bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 4, im einzelnen beschrieben.

Beim Einschalten befindet sich der Schlitten 50

in einer Ausgangsposition, durch Motor 56 und Spindel 54 wird/

schrittweise

der Rohling 10 gegenüber den Detektoren 14, 24/axial vorschoben. Die Dreh- oder 0-Vorrichtung ist blockiert in einer vorbestimmten Ausgangsstellung ("home"), so daß der Rohling 10 nicht gedreht wird; auch das Parallelogrammprisma 36 ist in der Ausgangs-(home)Stellung, in der es rechtwinklig zum Lichtstrahl steht. Das Schwenkprisma 34 wird oszillierend angetrieben durch Motor 120 (über Steuergerät 122 und passendem Mechanismus 124). Der Prüfstrahl 12 schwenkt also in einer Ebene senkrecht zur Achse des Rohlings 10 hin und her. Nach jeder Schwenkbewegung wird der Vorschubmotor 56 eingeschaltet und also der Rohling 10 um einen kleinen Schritt vorgeschoben, die Vorschub-Schritte werden im Zähler 62 gezählt.

Trifft nun der Prüfstrahl auf einen - festen oder gasförmigen · Einschluß, so gibt der Detektor 14 oder 24 ein Signal. Das System reagiert in analoger Weise auf beide Arten von Einschlüssen; für die Beschreibung wird nachfolgend angenommen, es handele sich um einen festen Einschluß. Das Signal vom

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Detektor 14 angelangt an das Schieberegister 90, welches so geschaltet ist, daß es die ersten zwei Impulse ignoriert, jedoch beim dritten Eingangsimpuls ein Ausgangssignal liefert. Die ersten zwei Impulse erhöhen also das Register, produzieren aber kein Signal, der dritte Impuls wird gezählt. Der Ausgang vom Detektor 14 gelangt auch an die ODER-Glieder 102, 110. Da der Drehantrieb stillsteht, also kein Signal liefert, spricht das UND-Glied 104 nicht an (siehe Eingang 0 Status). Das zweite UND-Glied 112 spricht jedoch an aufgrund der Inversion des zweiten Einganges. Die Schalterbank 114 (ein Schalter mit einem Eingang und einer Vielzahl von Ausgängen) gibt verschiedene Signale ab zur Unterbrechuug der Operationen mit dem schwenkenden Teststrahl und der Teststrahl wird auf eine vorbestimmte Sehne eingestellt (vgl. Fig. 1 bis 3), zur Lokalisierung des Einschlusses. Von der Schaltbank 114 gelaugt ein Signal zum Steuergerät 58, wodurch der axiale Vorschub gestoppt wird. Ein weiteres Signal gelangt zum Steuergerät 48, so daß der Rohling 10 rotiert wird. Die Anzeige 88 und die Register bzw. Zähler 90, 92 werdeu auf Null zurückgesetzt. Von der Schaltbank 114 gelangt ein weiteres Signal an das Steuergerät 98, so daß das Parallelogrammprisma 36 um einen vorbestimmten Winkel verschwenkt wird. Das Abtastsystem, welches das Prisma 34 antreibt, wird auch angehalten (wie erwähnt) und das Prisma verbleibt in einer mittleren "home"-Position. Der Strahl trifft nun um eine Distanz Y seitlich versetzt, also unter dem gewünschten Einfallswinkel θ_± auf den Rohling 10 auf. Das Flip-Flop 106 ist rückgesetzt.

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Der Prüfstrahl ist also wie beschrieben seitlich versetzt und durchsetzt den Rohling 10 nach eiuer Sehne (Fig. 3), während sich der Rohling 10 dreht, so daß in einer gewissen Winkelstellung der Strahl auf den Einschluß auftrifft. Einer der Detektoren 14, 24 liefert dann ein Signal, welches über jedes der beiden ODER-Glieder 102, 110 zu beiden UND-Gliedern 104, 112 gelangt. Das zweite UND-Glied 112 bleibt nun jedoch gesperrt (negierter Eingang vom Drehantrieb). Das erste UND-Glied 104 liefert jedoch ein Ausgangssignal; damit wird Flip-Flop 106 gekippt und damit der Zähler 80 für den Drehwinkel eingeschaltet, Die Signale vom Drehgeber 47 werdeu also im Zähler 80 addiert. Sobald der zweite Impuls anzeigt, daß der Einschluß wiederum vom Prüfstrahl getroffen ist, wird der Zähler 80 gestoppt, er zeigt nun den eingeschlossenen Winkel Δ zwischen deu beiden Radien r an. Das digitale Winkelsignal wird mittels d/a-Wandler 82 analog umgewandelt und im Teiler 84 durch zwei geteilt. Im Kosinusgenerator 86 erhält man sodann Kosinus Δ .

Gleichzeitig werden Signale entsprechend dem Radius R des Rohlings, des Brechungsindexes η und des Einfallswinkels θ_± abgenommen und analog umgewandelt in Wandlern 98, 99, 70, worauf dann in dem Teiler 72 der Quotient R erhalten und

η dem Vervielfacher 74 zugeführt wird. Hier wird der Wert von R multipliziert mit Sinus Q_± und das Produkt dem Teiler 78 zugeführt. Der Ausgang des Teilers entspricht dem Radius r, auf dem der Einschluß liegt; entsprechend Gleichung 7).

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Dieses Signal gelangt zur Anzeige 88. Die Anzeige 88, eine

entsprechend großen Spitzenwcrt-Anzeige, zeigt nur die Spitzenwerte, die einen/ Einschluß represeatieren, nicht jedoch kleinere Signale, (peak hold display)

jeweils zweite

Abgesehen vom Stoppen des Drehwinkelzählers 80 kippt das/Ausgangssignal vom Detektor 14 auch das Flip-Flop 106, so daß

(monostabile)
die/"one-shot"-Schaltbank 116 ein Schaltsignal erhält. Das Steuergerät 48 des Drehantriebs bringt daraufhin den Rohling 10 in eine Ausgangswinkellage (home) zurück. Über Steuergerät 48 wird der Vorschub wieder eingeschaltet; Steuergerät 98 schwenkt das Parallelogrammprisma (über Antrieb 100) in seine Ausgangslage zurück; die oszillierende Schwenkbewegung wird wieder eingeschaltet über Steuergerät 122 und das Flip-Flop 106 wird zurückgesetzt. Auch die Schieberegister 90, 92 werden zurückgesetzt.

Zur Überwachung des Prozesses und zur Bestimmung detfgenauen

axialen und radialen Lage des Rohlings 10 können die Ausgänge der Anzeigen 62 und 49 aufgezeichnet werden. Anzeige 62 zeigt die axiale Stellung, Anzeige 49 die Winkelstellung. Die Zähler 94 und 96 zählen die Einschlüsse, Anzeige 88 zeigt aufeinanderfolgend die Radien r der Einschlüsse. Bei gewissen Anwendungsfällen, besonders bei kleineren Produktionsanlagen, können die Werte der Anzeigen und/oder Zähler 62, 49, 94, 96, 98 "manuell", also unmittelbar abgelesen werden und die Anzahl und die Lage der Einschlüsse festgestellt werden

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und damit der jeiireilige Rohling akzeptiert oder abgelehnt werden. Die Informationen können aber auch in dem Rechner 64 gespeichert werden. In letzterem Falle sind zusätzliche Rechnungen möglich, die die relative Dichtigkeit der Einschlüsse in jedem gegebenen Bereich des Rohlings anzeigen. Aufgrund Rechner 64 kann auch die Geschwindigkeit der Prüfanlage gesteigert- werden, indem es schnell und automatisch die Prozeßparameter wie Radius, Brechungsindex, Einfallswinkel einstellt und den Betrag Y der seitlichen Versetzung bestimmt.

Vorstehend ist also ein System zur Bestimmung bzw. Identifizierung und Lokalisierung verschiedener Einschlüsse innerhalb eines Rohlings von Material gezeigt worden. Das System kann auch angewendet werden bei optisch nicht transparentem Material Es eignet sich zur Automatisierung und damit für hohen Materialdurchsatz, also hohen Produktionsausstoß. Es ist auch offensichtlich, daß gewisse Aspekte der Erfindung nicht beschränkt sind auf die Details des illustrierten Ausführungsbeispiels; der Fachmann wird also das System modifizieren und auf seinen jeweiligen Sonderfall anwenden können. In den Patentansprüchen werdeu jedoch alle diese naheliegenden bzw. äquivalenten Ausgestaltungen der Erfindung beansprucht.

Zusammengefaßt handelt es sich um ein System zum Abtasten einer im wesentlichen zylindrischen Probe bzw. eines Rohlinges mit einem dünnen Lichtstrahl. Detektoren reagieren auf Unterbrechungen oder Streuungen des Lichtstrahles innerhalb der

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Probe. Wird ein Einschluß angetroffen, so wird das abtastende Hin- und tierschwenken des Lichtstrahls über den Querschnitt des Rohlings gestoppt und der Lichtstrahl längs einer Sehne durch den Rohling gesendet. Der Rohling wird nun um seine Längs achse rotiert, wobei der Einschluß den sehnenförmxgen Lichtstrahl schneidet; die von diesem Vorgang abgeleiteten Informationen werden ausgewertet zur Identifizierung der Art und der Position des Einschlusses innerhalb des Rohlings.

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Claims

Patentansprüche

lJ Verfahren zur Feststellung und Lokalisierung von Ein-Schlüssen in einem vorzugsweise zylindrischen Prüfling, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Lichtstrahl - bzw. elektromagnetischer Strahl passender Wellenlänge - quer durch den Prüfling längs einer Sehne - also nicht längs eines Durchmessers - gesendet wird; daß der Prüfling gedreht wird, wobei ein etwaiger Einschluß zweimal nacheinander den Prüfstrahl schneidet; daß der Drehwinkel zwischen erstem Schnittpunkt und zweitem Schnittpunkt zwischen Prüfstrahl und Einschluß festgestellt und daraus die Lage des Einschlusses in der betreffenden Querschnittsebene festgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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ORlGlMAL INSPECTED

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daß ein elektromagnetischer Strahl mit einer Wellenlänge, bei welcher der Prüfling transparent ist, vorgesehen ist, daß der Strahl hin- und herschwenkend durch aufeinanderfolgende Querschnitte des Prüflings geschickt wird; daß eine Unterbrechung des Strahls durch einen Einschluß in einem gegebenen Querschnitt festgestellt wird; daß sodann der Strahl nach einer bestimmten Sehne fest eingestellt wird und der Prüfling rotiert wird; daß eine erste Unterbrechung des Strahls durch den Einschluß festgestellt wird und daß der Drehwinkel bis zur nächsten Unterbrechung des Strahles durch den gleichen Einschluß festgestellt wird;
wodurch die Lage des Einschlusses in der gegebenen Querschnitts ebene festgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß von einem hohlen Einschluß (Gasbläschen) herrührendes Streulicht festgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß feste Einschlüsse durch eine Verminderung oder Unterbrechung des den Prüfling durchsetzenden Lichtstrahles festgestellt werden.

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5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Prüfling ein im wesentlichen zylindrisches Glaselement ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Quelle für einen elektromagnetischen Strahl mit einer Wellenlänge, bei der der Prüfling durchlässig ist, vorgesehen

daß eine Vorrichtung zur drehbaren Anbringung des Prüflings in dem Weg des Strahls - im wesentlichen quer zu dem Strahl vorgesehen ist, wobei der Strahl seitlich gegenüber der Längsmittellinie des Prüflings versetzt ist und also den Prüfling lä|igs einer Sehne durchsetzt;

daß Fühler bzw. Detektoren derart in Bezug auf Prüfling und Prüfstrahl angeordnet sind, daß sie wenigstens einen Teil des Strahls auffangen,

und daß Signalverarbeitungsmittel vorgesehen sind, welche auf Unterbrechungen (oder Streuungen) des einfallenden Strahls reagieren zwecks Bestimmung der Position eines Einschlusses in dem Prüfling.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Fotosensor (24) vorgesehen ist zum Auffangen von von

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einem gasförmigen Einschluß (22) herrührendes Streulicht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß mit dem Drehantrieb (46) für den Rohling (lO) Übertragungsmittel (Drehgeber 47) zur Abgabe von Signalen entsprechend der jeweiligen Winkelstellung verbunden sind, und daß das Signalverarbeitungssystem anspricht auf das Signal des Drehgebers (47) und des Fotosensors (14 bzw. 24) zur Bestimmung der Lage eines Einschlusses.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß als Prüfstrahlung Laserstrahlung(Laser 30) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Strahlenweg ein Prisma (36) vorgesehen ist, um den Strahl (12) unter einem bestimmten Abstand (Y) von der Längsmittelebene seitlich versetzt auf den Prüfling auftreffen zu lassen.
11. Vorrichtung zur Feststellung von Feststoffeinschlüssen sowie hohlen Einschlüssen (Gasbläschen) in einem im wesentlichen zylindrischen Prüfung,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Quelle für einen Lichtstrahl mit einer solchen

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Wellenlänge vorgesehen ist, für die der Prüfling transparent is daß Haltemittel zum Anbringen des Prüflings in dem Strahlengang derart vorgesehen sind, daß der Prüfstrahl den Prüfling längs einer Sehne durchsetzt;

daß Fühlmittel zum Auffangen wenigstens eines Teiles des aus dem Prüfling austretenden Lichtes vorgesehen sind; daß erste Mittel zum axialen Verschieben des Prüflings gegenüber dem Lichtstrahl vorgesehen sind; daß zweite Mittel zum Drehantrieb des Prüflings vorgesehen

daß erste Signalverarbeitungsmittel verbunden sind mit dem Längsvorschub und den Sensoren, zum Unterbrechen des Längsvorschubes und Einschalten des Drehantriebes und daß zweite Signalverarbeitungsmittel verbunden sind mit den Fühlern (14, 24), welche ansprechen auf Änderungen des Lichtstrahls zwecks Ausgabe von Signalen, welche die Position der Einschlüsse in dem Prüfling anzeigeu.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Fühlmittel einen Fotosensor umfassen, welcher auf Streulicht anspricht, das von hohlen Einschlüssen (Gasbläschen: herrührt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß ferner ein Fotosensor (14) vorgesehen ist, der das un-

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mittelbar durch den Prüfling durchtretende Licht auffängt also auf feste Einschlüsse anspricht.

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