DE3146834A1

DE3146834A1 - Messvorrichtung und verfahren zur beruehrungslosen pruefung der geometrie und oberflaechenbeschaffenheit von koerpern, insbesondere feinkeramische erzeugnisse

Info

Publication number: DE3146834A1
Application number: DE19813146834
Authority: DE
Inventors: Otto Hoffmann; Dieter DDR 8250 Meißen Jeschke
Original assignee: KERAMIK WTB VEB
Current assignee: KERAMIK WTB VEB
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-11-26
Publication date: 1982-09-02
Also published as: GB2093987A; IT1150371B; GB2093987B; IT8247672A0; DD157828A1

Description

VE Wissenschaftlich-te^:cnni°sche^ef·* °*" '"' '°°° 3146834

Betrieb Keramik -3

8250 Meißen, Ossietzkystraße 37 a

Meßvorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie and Cberflächenbeschaffenheit von Körpern, insbesondere ieinkeramischer Erzeugnisse

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie und Oberfläche von Körpern mit heller Oberfläche, insbesondere weißer feinkeramiseher Erzeugnisse« Meßvorrichtung und Verfahren ermöglichen eine berührungslose Erfassung der für die Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit charakterisierenden Werte während des Durchlaufes des Körpers sowie eine maschinelle mathematische Auswertung der erfaßten V.erte, um durch Gegenüberstellung mit vorgegebenen Qualitätskriterien den geprüften Körper in eine Qualitätekategorie einzustufen«

Es sind für geometrische Messungen an Körpern Lösungen bekannt, die sich jeweils auf ein bestimmtes Erzeugnis beschränken und meist durch Analogmessungen diese Erzeugnisse bewerten_a Dafür werden pneumatische oder mechanische Abroll- oder Abtastvorrichtungen eingesetzt. Weiterhin sind op tome ch ani sehe Verfahren bekannt, die mittels lichtStrahlabtastung eine Vermessung von Körpern vornehmen«, Diese Verfahren erfordern alle einen erheblichen feinmechanischen Aufwand«

Bekannt sind auch Meßvorrichtungen und Verfahren zur berührungslosen gleichzeitigen Bestimmung der Höhe und Parallelität von durchlaufenden Körpern.

Bei weiteren Einrichtungen werden Rotations- oder Schwingungsspiegel verwendet, die Lichtimpulse vom zu vermessenden Objekt auf Empfänger geben und damit die Messung ermöglichen.

In der feinkeramischen Industrie sind alle gefertigten Erzeugnisse einer Qualitätseinstufung zu unterziehen. Die Qualitätseinstufung bestimmt die Preisgruppe, der das Erzeugnis zugeordnet wird.

Alle Prüfvorgänge, die zur Qualitätseinstufung erforderlich sind, werden bislang visuell und manuell ausgeführt. Auf Grund dieser Prüfungsmethode sind subjektive Fehler häufig und die Messung ist leicht manipulierbar.

Die Erfindung hat das Ziel, die für die beauftragte Arbeitskraft anstrengende visuelle Prüfung abzulösen und außer der Arbeitserleichterung eine Leistungssteigerung zu gewährleisten bei gleichzeitigem Wegfall der bei der subjektiven Prüfmethode möglichen Pehler.

Vorzugsweise sollen feinkeramische Erzeugnisse, wie Teller, Schalen und Tassen geprüft werden, Darüberhinaus lassen sich beliebige Erzeugnisse prüfen, sofern sie eine mathematisch einfach beschreibbare Geometrie aufweisen und Oberflächenfehler kontrastreich gegenüber der Oberflächengrundhelligkeit auftreten.

Als Kriterien für die Einstufung von feinkeramischen Erzeugnissen in Qualitätskategorien dienen die vorhandenen Randdeformationen und Anzahl sowie Größe von Flecken auf der allseitigen Oberfläche,

Brfindungsgemäß werden die Wießwerte, die zui Beschreibung der für die Prüfung erforderlichen geoae.tritchen Punkte und der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich t ind, mittels einer horizontal liegenden, besser jedoch zv/ei symmetrisch zueinander auf einer gemeinsamen optischen .achse befindlichen optischen Projektionseinrichtungen, deren optische Achse parallel zur Transportebene verläuft und/oder mit ihr

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zusammenfällt und einer vertikal stehenden, günstiger jedoch zwei auf einer gemeinsamen optischen Achse befindlichen optischen Projektionseinrichtungenj, deren optische Achse 90 Grad senkrecht auf der horizontalen Achse steht, wobei sich beide optischen Achsen auf oder oberhalb der Transportebene schneiden und somit die Meßebene bilden,, die weiterhin so angeordnet sind, daß die Mitte des PrüfObjektes das Zentrum der Meßebene passieren kann.

Das zu prüfend3 Erzeugnis, das sich optisch deutlich vom Hintergrund abieben muß, wird mit definierter Geschwindigkeit entlang d jr l'ransportebone durch die Meßebcjno transportiert.

Jede Projektionseinrichtung enthält ein aus der Optik bekanntes Linsensystem, mittels dem auf der Abbildungsseite ein Bild der jeweiligen Ansicht des PrüfObjektes auf der Empfangsseite eines fotoelektrischen Wandlers, der in der Lage istj, eine Rasterung des Bildinhaltes sowie helligkeitsproportionale Wandlung vorzunehmen,, erzeugt wird.

Das jeweils in der Meßebene befindliche linienhafte Abbild wird taktweise in Zusammenwirken mit der in Bezug zur Meßebene vorhandenen Relativbewegung des PrüfObjektes als elektrisches Impulstelegramm konstanter Länge zyklisch von allen in der Meßebene angebrachten Wandlern abgefordert und einer zentralen Auswerteeinrichtung zugeführt, wo die einzelnen Projektionen so verknüpft werden, daß die wahren Größen des PrüfObjektes in horizontaler und vertikaler Richtung ermittelt und nach Durchlauf des PrüfObjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zugeführt und nach Identifizierung des PrüfObjektes sowie nach Gegenüberstellung mit vorgegebenen Grenzwerten eine Einstufung des PrüfObjektes in die entspreohende Qualitätsklasse erfolgen kann«

Weiterhin werden die Impulstelegramme dazu benutzt, Farbabweichungen der Oberfläche gegenüber der Grundfarbe der PrüfObjekte zu bestimmen, zu lokalisieren und nach Durchlauf des PrüfObjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zuzuführen, in der die Größenverhältnisse der festgestellten Farbabweichungen, vorzugsweise sichtbare Flecken, bewertet und bei der Qualitätseinstufung berücksichtigt werden,

3s ist möglich, auf Grund der elektronischen Auswertung die Qualitätseinstufung der PrüfObjekte durch Einbeziehung von Ergebnissen anders gearteter Prüfungen, wie zusätzlich abgetastete mechanische Größen von deformierten Böden und/ oder Schallemmissions-, Infrarot-Messungen kcnplex zur Auffindung von Rissen, reliefartigen Oberfläcienfehlern zu präzisieren,

Die 13rf iurtung wird an einem AusführungsL Jispi 3I näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen;

Fig. 1 : . die schematisch dargestellte ließ- und Transportvorrichtung mit horizontal xnd vertikal angeordneten Projektionssystem^ 1 als Schnitt aus der Vorderansicht

!•'ig, 2: UeQ- und Transportvorrichtu ig in der Drauf nicht

Fig. 3: eine perspektivische Darste .lung der Meß- und Transportvorrichtung mit ho:^vizon-;al und vertikal angeordneten Pro j ektionusys turnen in der Meßebene

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Pig« 4 s e ine Darstellung/,um iirkormon dor für di.o Berechnung der tatsächlichen Abmessungen erforderlichen Größen.

Mit 1 ist ein Transportsystem bezeichnet, auf dem das Priifobjekt 2j im dargestellten Beispiel ein feinkeramisches I¹Iaengeschirr, durch die Meßebene 6 bewegt wird. In der Meßebene 6 befinden sich zwei horizontale Projektionssysteme, bestehend aus Jptikon 3.1 und lichtempfindlichen Zeilensensoren 4· 1, derjn gemeinsame optische Achse 5.1 in Höhe der Standfläche de 3 Prü'Objektes 2 verläuft sowie zwei vertikale Produktionssysteme dt den Optiken 3.2 und den lichtempfindlichen Zeilens insor ^n 4*2, deren gemeinsame optische Achse 5p2" um 90 Grad versitzt zuroptischen Achse 5*1 durch die Mittellinie der Ira.isportebene 7 verläuft und sich im gleichen Punkt mit der optischen Achse 5a. 1 schneidet. Die Projektionssysteme, im einfachsten Pail nach dem Prinzip der Lochkamera aufgebaut, jedoch wegen größerer Lichtausbeute mit optischen Linsensystemen und Abblendeinrichtungen ausgerüstet j enthalten in der Abbildungsebene lichtempfindliche elektronische Sensoren mit zellenförmig angeordneten Raste^-elementen in Form bekannter elektronischer Bildaufnahmeröhren oder äquivalenter Halbleiterbauelemente, die in der Lag) sind, eine Zeile des profilierten Bildes in dor Helligk ;it in proportionale elektrische Spannungen umzuwandeln«

Bei taktweiser Abforderung der elektrischen Spannungen je einer Zeile der lichtempfindlichen Zeilensensoren 4.1 und 4o2, gesteuert durch den Intervallimpulsgeber 8, entsteht ein elektrisches Impulsdiagramm mit konstanter Länge, das die maßstäbliche in der Projektionsperspektive dargestellten geometrischen Verhältnisse des PrüfObjektes 2 widerspiegelt und aus dem in der Polge mittels bekannter mathematischer Zusammenhänge, die zum Zwecke einer maschinellen Auswertung durch elektronische Rechenschaltungen, vorzugsweise durch Einsatz von Mikroprozessortechnik, die tatsächlich vorhandenen geometrischen Abmessungen des Prüf-

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Objektes 2 errechnet werden können. ·

Der für die Messung erforderliche Gleichlauf zwischen takt weiser Impulsentnahme der Helligkeitswerte und der Durchlaufgeschwindigkeit des PrüfObjektes 2 wird durch die vom Intervallimpulsgeber 8 gelieferten Impulse hergestellt, während der Antrieb des Transportsystems 1 und somit der Weitertransport des Prüf Objektes 2 über einen drehzahlgeregelten Antrieb 9 erfolgt.

In Pig· 4 sind die für die mathematische Auswertung erforderlichen Größen dargestellt, Bs bedeuten U₁ und Ep = Abstand des Optikmittelpunktes zum Schnitt punkt aller optischen Achsen e.. und βρ = Abstand des Optikmittelpunktes zur Abbil-

dungsebene

A, B = tatsächliche Abmessungei am Cojekt a, b = die in der Abbildungse-betie ■ dargestellten

Abmessungen A und B

Die Schnittpunkte der beiden Grenzmeßstrahlen, d, h, die Stellen, an denen ein Übergang von dunkel auf hell bzw, umgekehrt am Rande des Objektes erfolgt, aus den zwei um 90 Grad versetzten Projektionen beinhalten di-3 beiden gesuchten Meßgrößen in horizontaler und vertikaler Richtung.

■ vus den beiden Gruiidgleichungen

_{A =} a . (IiJ₁ - B) ' -"■■■'■

^e1

_{B s} b ♦ (E₂ - A)

^e2

lassen sich die am Prüfobjekt vorhandenen Maße bestimmen. Diese Gleichungen sind jedoch nur für die Lochkamera und

• ♦ · β · t

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sogenannte "dünne Linsen" gültig. Bei Verwendung "dicker Linsen" muß eine Korrektur mit Konstanten entsprechend dem eingesetzten Objektiv erfolgen·

Diese mathematischen Zusammenhänge werden nach jeder abgetasteten Zeile mittels bekannter Rechentechnik, vorzugsweise jedoch mit elektronischer Mikroprozessortechnik, bearbeitet, um in Ergebnis die tatsächlichen Werte für die Abmessungen am Prüfobjekt 2 zu erhalten. Auf Grund des kontinuierlich¹: η Transportes des Prüf Objektes 2 durch die Meßebene 6 erfolgt eine Auswertung der abgetasteten Zeilen und der errechneten Maße A und B. Nach Durchlauf des gesamten Prüfobj iktes 2 liegen alle absoluten Maße vor und es kann ein Vergleich mit den vorgegebenen Idealmaßen eines Vergleiclisobjektes erfolgen, um eine Einstufung in vorgegebene Qualitätsstufen vorzunehmen. Da jeder zu vermessende Punkt durch zwei um 90 Grad versetzte Abbildungen erfaßt und in der Auswertung definiert wird, werden Versetzungen des Prüfobjektes 2 außerhalb der Mittellinie der Transportebene 7 zwangsläufig kompensiert. Die aus den projizieren Abbildungen gebildeten Impulsdiagramme enthalten außer den Maßen der Außenkanten des Prüfobjektos 2 noch Informationen übor die Beschaffenheit der Oberfläche, speziell Angaben über Helligkeitsunterschiede, die fleckförmig auftreten, Lage und Größe der Flecke werden durch bekannte elektronische Auswerteverfahren ermittelt, indem jede abgetastete Zeile, deren Impulstelegramm den Helligkeitswert jeder Stelle der abgetasteten Zeile enthält, im Bereich der Oberfläche des PrüfObjektes 2 hinsichtlich Helligkeitsunterschiedes und deren Länge untersucht wird. Die Lage der Plecke jeder Zeile wird dabei durch geeignete bekannte elektronische Speicherverfahren bis zum Abschluß der Abtastung des gesamten Prüfobjektes 2 gespeichert und im Anschluß mittels bekannter elektronischer Auswerteverfahren die Gesamtfehlerfläche und deren geometrische Lage auf dem Prüfobjekt 2 ermittelt. In der anschließenden Ge samt auswertung werden alle gemessenen und errechneten Kriterien und solche, die nicht aus dem

hier beschriebenen Verfahren stammen, Sollwerten, die den Idealwerten des PrüfObjektes 2 mit ihren zulässigen Toleranzen entsprechen, gegenübergestellt und durch bekannte Verfahren, vorzugsweise der elektronischen Mikroprozessortechnik, ausgewertet und als Steuersignal für eine automatische Qualitätseinstufung angegeben.

Die Vorrichtung ist ohne mechanische Umstellung zum Prüfen der unterschiedlichsten Erzeugnisse geeignet, sofern sie sich in Dimensionen bewegen, die innerhalb dor Abbildungsebene liegen und deren Oberfläche gegenüber dem Hintergrund einen deutlichen Kontrast aufweisen, E;; ist lediglich ein erzeugnisspezifisches Datenmaterial erforderlich, wobei die Umstellung von einem auf einen anderen Prüf objekt typ in gegenüber der erreichbaren Prüfzeit in vernachlässigbaren Zeiträumen erfolgt.

Die Prüfzeit und davon ausgehend, die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in erster Linie von der -Arbeitsgeschwindigkeit des eingesetzten Mikroprozessors und ferner von der geforderten Anzahl der Rasterelemente pro Zeile, das heißt der geforderten Auflösung, abhängig. Bei einer dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden Taktfrequenz des Mikroprozessors von 2,5 MIIz für den Logikteil, die gleichzeitig zur Abforderung- ι er Helligkeitswerte der Zeilenraster benutzt wird, ergibt sich bei einem Prüf Objektdurchmesser von 250 mm und einer Prüfobjekthöhe von 125 mm bei einem Auflösungsvermögen bis 0,5 mm entsprechend je 500 Rasterelementen ρη·ο Zeile in den vertikalen Projektionssystemen und lu 25C Rasterelementen in den waagerechten Projektionssystemen, also insgesamt 1500 abzufordernder Helligkeitswcrte, eine Abtastseit pro Zeile von 0,6 ms zuzüglich einer fin die Zeilenauswertung erforderlichen Zeit von 0,2 es. Verausgesetzt, es handelt sich um ein Prüf objekt mit eiinem Verhältnis Länge zu Breite von 1:1, zum Beispiel bei c-inem konzentrisch geformten feinkeramischen JPlachgesoliirr, ergibt sich eine Gesamtprüfzeit von 400 ms pro Prüfobjekt. In der

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weiteren Annahme,^:daß die lichten Abstände zwischen den auf einein Transportband kontinuierlich der Meßvorrichtung sugs führt en ^üfot^kteT^ie^^

entsprechen, ergibt sich eine Leistung von 4500 Stück pro Stunde.

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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen für die Erfindung "Meßvorrichtung zur berührungslosen Prüfung der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit von Körpern, insbesondere feinkeramiseher Erzeugnisse"

1 = Transportsystem

2 = Prüfobjekt

3«1 = Optische Projektionseinrichtung

3»2 = Optische Projektionseinrichtung

4-»1 = Lichtempfindlicher Zeilensensor

4· 2 = Lichtempfindlicher Zeilenseiisor

5*1 = Optische Achse

5*2 = Optische Achse

6 = Meßebene

7 = Transportebene

8 = Intervallimpulsgeber

9 = Drehzahlgeregelter Antrieb

Claims

Patentansprüche

Γ 1„)Meßvorrichtung zur berührungslosen Prüfung der Geometrie U'id Oberflä ;]ionb': s chaff erhielt voji Kurporn, insboeondoro von feinker uniscJien lirzougnioson, dadurch gekennzeichnet, daß eine ho..¹XZOnCaI liegende, günstiger jedoch 2 symmetrisch zuei lande:,?· auf einer gemeinsamen optischen Achse befindliche optische Projektionseinrichtung (3.1), deren optische Ac ise ([5.T) parallel zur Transportebene (7) verläuft und/oler mit ihr zusammenfällt und einer vertikal stehenden, günstiger jedoch 2 auf einer gemeinsamen optischen Achse befindliche optische Projektionseinrichtung (3·2), deren optische Achse (5.2) 90 Grad senkrecht auf der horizontalen Achse (5.1) steht, wobei sich beide optische Achsen (5*1 und 5.2) auf oder oberhalb der Mittellinie der T .-"ansp jrtebene (7) schneiden und damit die Meßebene (6) bilden, so zueinander ungeordnet sind, daß die Mitte des P-^üfObjektes (2) etwa auf der Mitte der Transportebene (7) das Zentrum der Meßebene (6 mit 5.1 und 5.2) kontinuierlich passieren kann.

2_e Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Geometrie von Körpern, insbesondere von feinkeramischen Erzeugnissen, mit Mitteln der Elektronik und Datenverarbeitung unter Verwendung geeigneter Umwandlungsverfahren, die linienhafte Projektionen in elektrische Spannungsbilder umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbilder in Form von Impulstelegrammeη konstanter Länge, die in direkter Beziehung und Abhängigkeit zur Bildauflösung und damit zur Transportgeschwindigkeit stehen, abgefordert, einer zentralen elektronischen Auswerteeinrichtung zugeführt und die einzelnen Projektionen so miteinander verknüpft worden, daß die wahren Größen des PrüfObjektes in horizontaler und vertikaler Richtung in der jeweiligen Meßebeno ermittelt und nach Durchlauf des PrüfObjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zugeführt und nach Identifizierung des PrüfObjektes und nach Gegenüberstellung der jeweils vorgegebenen Grenzwerte zum Einstufen in die entsprechenden Qualitätsklassen benutzt werden.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit der Prüfobjekte die Impulstelegramme dazu benutzt werden, stellenweise Abweichungen der Färbe des PrüfObjektes gegenüber der Grundfarbe zu bestimmen, zu lokalisieren und nach Durchlauf des PrüfObjektes durch die Meßebene einer Gesamtauswertung zuzuführen, in der die Größenverhältnisse der festgestellten Farbabweichungen, vorzugsweise Flecke, bewertet und nach Gegenüberstellung der jeweils vorgegebenen Grenzwerte zum Einstufen in die entsprechenden Qualitätsklassen benutzt werden.

Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtauswertung nach Durchlauf des PrüfObjektes durch die Meßebene in Verbindung mit anderen Meßwerten bzw, Signalen, wie zum Beispiel zusätzlich abgetastete mechanische Größen von deformierten Böden, und/oder Schallemmissions-, Infrarot-Messung zur Auffindung von Rissen, reliefartigen Oberflächenfehlern erfolgen kann, wenn sie zur komplexen Beurteilung des Prüfobjektes geeignet sind.