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Anlage zur Eingabe vom 29.12.1982
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Pat/12.974/vB-Hx Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von Oberflächen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen
von Oberflächen mittels eines, durch einen Abtaststrahl erzeugten fliegenden, die
Oberfläche quer zu ihrer Bewegungsrichtung abtastenden Lichtpunktes auf in-Abtastrichtung
sich erstrekkende Oberflächenverformungsfehler.
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Verformungsfehler der Obe-rfläche lassen sich, insbesondere bei bahnförmigen
Gütern recht gut erfassen, wenn die Verformung relativ steil ist. Eine kontinuierliche
Oberflächenprüfung setzt voraus, daß das zu prüfende Material an einer Prüfvorrichtung
vorbeigefördert werden kann, wobei sich eine solche Prüfvorrichtun.g nur dann lohnt,
wenn entweder große Stückzahlen gefertigt werden oder mehr oder weniger endlose
Stränge von Halbzeug, wie beispielsweise extrudierte Profile aus Metallen oder Kunststoff,
Kunststoff- oder Papierbahnen, Bleche oder Glas, insbesondere Flachglas. Zur Vereinfachung
der Erläuterung wird die Erfindung nachstehend am Beispiel der Flachglasprüfung
beschrieben, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
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Bei der Flachglasherstellung tritt häufig ein Fehler
auf,
der als drip bezeichnet wird und der sich als kleine, sehr flache Vertiefung oder
Erhebung in der Oberfläche des Glases darstellt Der Eindruck, bzw.
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die Erhebung weist die Form eines Ellipsoiden auf, d.h., daß der sogenannte
drip von flachen Rundungen begrenzt wird, die zu keiner plötzlichen oder starken
Abweichung des reflektierten Abtaststrahles führen. Die bei der Prüfung mit dem
fliegenden Lichtpunkt eingesetzten Geräte weisen üblicher Weise einen Empfänger
auf, der mit einer Art schlitzförmigen Blende versehen ist, wobei sich die Blende
parallel zur Bewegung des Abtaststrahles und damit quer zur Förderrichtung des zu
prüfenden Gutes erstreckt. Trifft der Abtaststrahl auf eine Verformung, so'wird
der Abtaststrahl so reflektiert, daß er auBerhalb des vom Empfänger erfaßten Bereiches,
also außerhalb der Schlitzblende auftrifft. Ist die Vertiefung jedoch sehr flach
und erstreckt sich zudem noch im wesentlichen parallel zur Bewegung des Abtasts-trahles,
so wird der Abtaststrahl weiterhin in den Empfänger reflektiert und von ihm erfaßt,
wodurch es zu keiner Fehleranzeige kommt, obwohl ein Fehler in der Oberfläche vorhanden
ist.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu'Grunde, eine Prüfvorrichtung
so auszugestalten, daß auch sehr flache Oberflächenverformungen sicher als Fehler
erkannt werden-können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst,- däs durch die Kombination
der folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Der Non der zu prüfenden Oberfläche reflektierte
Abtaststrahl wird optisch in Lichtimpulse zerlegt, die Lichtimpulse werden in elektrische
Impulse
umgewandelt, die elektrischen Impulse werden,asu-f ihren
zeitlichen Abstand zueinander.ubeXprüft und/ oder mit einer vorgegebenen Größe verglichen.
Bei unterschiedlichem Abstand und/oder von der vorgegebenen Größe abweichender Größe,
wird ein Fehler signal ausgelöst.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht
im wesentlichen aus einer Lichtquelle, insbesondere einem Laserstrahler, Mitteln
zum -Traversieren des erzeugten Strahles über eine Bahnbreite, Mitteln zum Erfassen
des reflektiert Strahles, Mitteln zur fotoelektrischen Umwandlung des reflektierten
Strahles und Mitteln zur Ausw&rtung der aus der fotoelektrischen Umwandlung
erhaltenen Impulse. Sie ist gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) in dem Strahlenweg zwischen zu prüfender Oberfläche und fotoelektrischem Wandler
ist ein optischer Taktgeber angeordnet, b) dem optischen Taktgeber ist ein lichtstreuendes
Element nachgeschaltet.
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Das optische Aufteilen des reflektierten Lichtstrahles in Lichtimpulse,
in Verbindung mit der U.mwandlung der Lichtimpulse in elektrische Impulsè! ermöglicht
eine Analyse der erhaltenen Impulse.
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So kann, wie bisher üblich, die Stärke des Impulses analysiert werden
und aus der Stärke, also der Helligkeit der Reflektion auf Fehler in der Oberfläche
geschlossen werden, die durch Farbänderungen oder Einschlüsse in der Glasbahn entstehen,
zum anderen ist es aber möglich, den zeitlichen Abstand der Impulse voneinander
zu ermitteln, der jeweils einer bestimmten, auf der zu prüfenden Oberfläche
zurückgelegten
Länge entspricht. Ist der ermittelte, -zeitliche Abstand der Impulse voneinander
identisch mit dem vorgegebenen Wert einer in den Prozessor der Auswertestufe einspeicherbaren
Größe, so handelt es sich bei diesem Abtastzyklus, d.'h. dem einmaligen Überstreichen
der Bahnbreite um ein fehlerfreies Materialstück. Existieren jedoch Unterschiede,
so ist der reflektierte Abtaststrahl durch Oberflächenverformung abgelenkt worden,
die Geschwindigkeitsintervalle ändern sich dadurch, weil einzelne Taktfelderschneller,
oder ggf. sogar mehrfach während einer einzigen Abstastung überstrichen wurden,
was eine Fehleranzeige auslöse.
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Statt des Vergleichens mit einer vorgegebenen Größe ist es'auch möglich,
den Zeitabstand der einzelnen Impulse voneinander zu vergleichen und aus der Tatsache
der Änderung des Zeitabstandes einen Fehler zu diagnostizIeren und daraufhin ein
Fehlersignal auszulösen.
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Der optische Taktgeber ist vorzugsweise im Strahlengang zwischen der
zu prüfenden Oberfläche und dem fotoelektrischen Wandler angeordnet, d.'h., daß
der reflektierte Strahl direkt den Takt auslöst und die Taktabgabe nicht, wie das
auch möglich wäre, durch einen Hilfsstrahl- erfolgt, der aus dem Abtaststrahl abgespaltet
und dann er-st -über einen Taktgeber geleitet wird. Bevorzugt ist der Taktgeber
ein transparentes Lineal, auf das in definiertem Abstand Markierungen aufgebracht
oder auch eingebracht sind. Diese Markierungen sollen entweder den gleichen Abstand
voneinander haben, um in einer Abtastung immer Impulse zu ergeben, die als Bezugssignal
dienen. Zweckmäßiger sind die Markierungen.
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auf dem transparenten Lineal 'jedoch radial angeordnet, weil der
Strahl von der Lichtquelle zwar als Punkt auf der.Traversiervorrichtung, im allgemeinen
einem rotierenden Spiegelpolygon, abgebildet wird, von hier jedoch durch die Rotation
des deS Spiegels als Radius über die abzutastende Bahn streicht und d-abei zu den
Außenrändern der Bähn einen längeren Weg zurücklegt, wodurch sich bei gleichem Winkel'zwischen
den einzelnen Markierungen zwar ungleich lange Abtaststrecken, aber gleich lange
Zeitimpulse ergeben. Dadurch, daß gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Winkel
zwischen den einzelnen, radial angeordneten Marken eine gleiche, konstante Größe
aufweist, ist trotz der unterschiedlichen Geschwindigkeit, mit der der Strahl die
zu prüfende Fläche abtastet, gewährleistet, daß ein zeitlich konstanter Wert zwischen
den einzelnen Markierungen eingehalten wird.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
der Winkel eine Größe von 1 bis 10 Minuten aufweist. Bei den derzeit üblichen Abtastbreiten
und der dafür erforderlichen Entfernung zwischen abzutastender Materialbahn und
Spiegelrad ergibt sich in den Bereichen um eine Minute ein sehr dichtes Taktraster,
was die Auswertung auch kleinster Vertiefungen, bzw. Erhöhlungen, die zudem noch
seh flach sind, ermöglichten. Oberhalb einer Winkelgröße von 10 Minuten :rt wirdv
das Taktraäter sichtbar grober, so daß die Auswertung feiner Fehler besonders im
Randbereich der zu prüfenden Materialbahn nicht mehr sicher gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein lichtstreuendes
Element dem-Taktgeber nachgeschaltet, das vorzugsweise als Milchglasscheibe ausgestaltet
ist. Diese Milchglasscheibe ist im allgemeinen direkt dem fotoelektrischen Wandler
vorgeschaltet, so daß der reflektierte Strahl auf dieser Milchglasscheibe eine Abbildung
hervorruft, die vom fotoelektrischen Wandler er' faßt und ausgewertet wird. Der'Abbildung
des reflektierten Strahles auf der Milchglas scheibe kommt in den Fällen eine besondere
Bedeutung zu, in denen der- reflektierte Strahl ohne Zwischenschalten dieser Milchglasscheibe
am fotoelektrischen Wandler vorbeigeleitet würde, also nicht auf die Kathode fällt.
Durch das Abbilden des reflektierten Strahles auf der ilchglasscheibe wird also
der Bereich, den der fotoelektrische Wandler erfassen kann, erheblich erweitert.
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Die Erfindung wird nachstehend. anhand- der Zeichnungen erläu.tert:
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Prinzipskizze der Prüfvorrichtung;
Figur 2 zeigt -diese Prüfvorrichtung als Seitenansicht im Schnitt; Figur 3 im Detail
einen Ober£1ächenverformungsfehler mit der sich daraus ergebenden Reflektion der
Strahlen beim Abtastvorgang.
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Im Innengehäuse 2 ist ein Laserstrahler 1 angeordnet, der einen Strahl
21- auf das Spiegelrad 13 wirft. Das Spiegelrad 13 wird durch den Spiegelrad-.
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motor 6 angetrieben und läuft mit einer Drehzahl von 25000 n 1 um.
Der Strahl 21 wird beim Auftreffen auf die Spiegel des Spiegelrades 13 reflektiert
und passiert als Abtaststrahl 3 die Abdeckscheibe 12, ehe er auf die Oberfläche
18 der Glasbahn 17 auftrifft. Die Glasbahn 17 wird in Pfeilrichtung 22 durch Transportwalzen
20, die von einem Motor 5 angetrieben werden, unter der Abtaststation 19 hinwegbewegt.
Der Abtaststrahl 3 bildet auf der Oberfläche 18 der Glasbahn 17 eine Abtastlinie
7, die sich über die gesamte Breite der Glasbahn 17 erstreckt. Von ihr wird der
Abtaststrahl 3 als reflektierter Strahl 4 zurückgeworfen, passiert das Taktlineal
lo und gelangt über das, lichtstreuende Element 15 auf den fotoelektrischen Wandler
16. Der fotoelektrische Wandler 16 ist über ein Verbindungskabel 8 mit der Auswertestation
9 verbunden.
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Die Reflektion des Abtaststrahles 3 erfolgt entsprechend den Gesetzen
der Optik, d.h. sie richtet sich nach dem jeweiligen Auftreffwinkel. Der reflektierte
Strahl 4 weist also ebenso wie der Abtaststrahl 3 einen sich kontinuierlich ändernden
Winkel auf, wie er in Figur 3 dargestellt ist.
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Bei fehlerfreier Oberfläche 18 ist der zwischen dem reflektierten
Strahl 4.1 und der Oberfläche 18 gebildete Winkel p im Randbereich R der Glasbahn
17 spitzer als das weiter zur Mitte M der Glasbahn 17 hin der Fall ist, d.h. der
zwischen reflektiertem Strahl 4.5 und der Oberfläche 18 gebildete Winkel ? ist stumpfer.
Dreht, wie in Figur 3 dargestellt, das Spiegelrad 13 im Gegenzeigersinn, so wird
er
Abtaststrahl 3. als reflektierter Strahl 4.1 reflektiert und
erreicht eine Markierung 11 im Randbereich RT des Taktlineales lo. Durch den Fehler,
also den drip 14 der Oberfläche 18, wird der Abtasts-trahl 3.2 im Bereich des Fehlerbeginnes
stark abgelenkt und überspringt, wie in Figur 3 dargestellt, 4 Markierungen i1 in
Richtung Mittelbereich M, d.h. er benötigt für das Uberqueren von 4 Markierungen
nur ein Viertel der Zeit, die vorgegeben ist. Mit weiterer Umdrehung des Spiegelrades
13 erreicht der Abtaststrahl 3.3 einen tiefer gelegenen Punkt im drip 14, d.h.,
daß der reflektierte Strahl 4.3 wieder weiter in Nähe des Randbereiches R der Glasbahn
17 auf das Taktlineal lo auffällt. Analoges gilt vom Abtaststrahl 3.4, bei dem sich'gemäß
Fig. 3 der reflektierte Strahl 4.4 noch weiter nach links zum Randbereich,R verschiebt,
wo hingegen nach Passieren des drips 14 der Abtaststrahl 3.5 wieder die Normalposition
als reflektierter Strahl 4.5 einnimmt.
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Der reflektierte Strahl 4 beschreibt also eine hin-und hergehende
Bewegung bei Auftreten eines Fehlers, der in diesem Fall als Vertiefung dargestellt
würde.
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Dasselbe Phänomen tritt j'edoch,auch bei einer ana; logen flachen
Erhöhung auf, nur verläuft dann der reflektierte Strahl bei der beschriebenen Hin-
und Herbewegung in entgegengesetzter Richtung. In bei den Fällen führt aber die
so zustandegekommene Bewegung, die von der Normalbewegung des -refiektier ten Strahles
4 abweicht, zu einer Fehleranzeige.