DE3307591C2

DE3307591C2 - Verfahren zur optischen Kontrolle der Oberfläche eines Prüfgutes

Info

Publication number: DE3307591C2
Application number: DE19833307591
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8524 Neunkirchen a. Brand Wahode
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3307591A1

Abstract

Zu einer lückenlosen und kontinuierlichen Kontrolle der eng begrenzten, kleinste Unregelmäßigkeiten aufweisenden Oberfläche eines Prüfgutes (2) mit einem von einer Lichquelle (8) ausgehenden gebündelten Lichtstrahl (7), der auf der Oberfläche einen eine Relativbewegung bezüglich der Oberfläche ausführenden Lichtfleck (11) erzeugt, von dem eine ein Rückstreubild ergebende Streustrahlung ausgeht, die auf ein erstes lichtempfindliches elektrisches Meßelement (12) zum Messen der Lichtintensität fällt, wird die Lichtintensität des Rückstreubildes zusätzlich mit einem zweiten lichtempfindlichen elektrischen Meßelement (13) gemessen, das sich an einem anderen Ort als das erste lichtempfindliche elektrische Meßelement (12) befindet, bezüglich dieses ersten lichtempfindlichen elektrischen Meßelementes (12) ortsfest ist und dessen Ausgangssignal getrennt vom Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen elektrischen Meßelementes (12) abgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Kontrolle der Oberfläche eines Prüfgutes mit einem von einer Lichtquelle ausgehenden gebündelten Lichtstrahl, der auf der Oberfläche einen eine Relativbewegung bezüglich der Oberfläche ausführenden Lichtfleck erzeugt, von dem eine ein Rückstreubild ergebende Streustrahlung ausgeht, die auf ein erstes seitlich zum Intensitätsmaximum des Rückstreubildes angeordnetes lichtempfindliches elektrisches Meßelement zum Messen der Lichtintensität fällt.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Seite 340 aus »Technisches Messen tm« (1979), Heft 9, bekannt. Mit diesem Verfahren werden optisch Oberflächenkenngrößen von einer eine ausgeprägte Rillenstruktur aufweisenden Oberfläche von Prüfgut gemessen, das ein durch Drehen hergestelltes Werkstück ist. Das Prüfgut ist demgemäß ein zylinderförmiges Werkstück, dessen äußere Mantelfläche von einer Lichtquelle mit einem gebündelten Lichtstrahl unter Ausbildung eines Lichtflekkes beleuchtet wird, von dem eine Streustrahlung ausgeht, die nur ein einziges lichtempfindliches elektrisches s Meßelement zum Messen der Lichtintensität des Streulichtes trifft

Das zylinderförmige Werkstück dreht sich während des Meßvorganges um seine Längsachse und erfährt einen Vorschub in Richtung dieser Längsachse. Zur Erfassung der Streulichtverteilung werden entweder die Lichtquelle oder das lichtempfindliche elektrische Meßelement oder beide zusammen um den Lichtfleck auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Werkstückes geschwenkt.

Da dieses Schwenken von Lichtquelle und/oder lichtempfindlichem elektrischem Meßelement nur mit einer endlichen Geschwindigkeit erfolgen kann, wird wegen der Drehung und des Vorschubs des zylinderförmigen Werkstückes das Rückstreubild einer bestimmten Stelle auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Werkstückes nur unvollständig erfaßt, d.h. es wird jeweils nur ein einziger begrenzter Bereich des Rückstreubildes ausgewertet Die nächste Auswertung nach dem Weiterschwer.ken der Lichtquelle bzw. des lichtempfindlichen elektrischen Meßelementes betrifft schon einen anderen Punkt auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Werkstückes.

Dies ist tragbar, solange die Oberflächenstruktur auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Werkstückes weitgehend einheitlich ist, was bei einem durch Drehen hergestellten zylinderförmigen Werkstück in der Regel der Fall ist. Ist jedoch mit eng begrenzten Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Werkstückes zu rechnen, so ist mit dem bekannten Verfahren eine lückenlose Kontrolle der Oberfläche des Prüfgutes nicht gewährleistet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lükkenlose und kontinuierliche Kontrolle der Oberfläche eines Prüfgutes insbesondere auch dann zu ermöglichen, wenn diese Oberfläche eng begrenzte kleinste Unregelmäßigkeiten aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Dieses zusätzliche zweite lichtempfindliche elektrische Meßelement erfaßt gleichzeitig mit dem ersten lichtempfindlichen elektrischen Meßelement einen weiteren Bereich des Rückstreubildes derselben Stelle der Oberfläche des Prüfgutes. Dadurch wird nicht nur eine lückenlose Kontrolle der Oberfläche des Prügutes erzielt, sondern auch eine verbesserte Aussage über das Ausmaß von Störungen auf der Oberfläche des Prüfgutes ermöglicht.

Vorteilhafterweise wird der von der Lichtquelle ausgehende gebündelte Lichtstrahl rechtwinklig auf die Oberfläche des Pn'ifgutes gerichtet. Dadurch wird weitgehend vermieden, daß das Ergebnis der Kontrolle der Oberfläche des Prüfgutes durch Schwingungen und Formabweichungen des Prüfgutes verfälscht wird.

In günstiger Weise kann das Ausgangssignal jedes der beiden lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente einem anderen Meßsystem eines Auswertegerätes zugeordnet werden. Dies kann dadurch geschehen, daß der Ausgang jedes der beiden lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente an ein anderes Meßsystem angeschlossen wird, so daß die Ausgangssignale der beiden elektrischen Meßelemente getrennt voneinander ausgc-

wertet werden. Dadurch wird schließlich eine Aussage über Art, Größe und Orientierung der Störungen auf der Oberfläche des Prüfgutes ermöglicht.

Aus »Melliand Textilberichte«, 3/1982, Seite 200, ist es zwar bekannt, mit einem Laser-Scanner auf einer Materialoberfläche einen Lichtfleck zu erzeugen und zur optischen Kontrolle der Materialoberflache im Dunkelfeld, also seitlich zum Intensitätsmaximum des Rückstreubildes, einen Photoempfänger als Detektor anzubringen, ein weiterer als Detektor dienender Photoempfänger ist jedoch genau in der Reflexionsebene, also im Intensitätsmaximum des Rückstreubildes angeordnet, so daß das Ergebnis der optischen Kontrolle der Materialoberfläche wegen der Empfindlichkeit des Reflexionslichtes gegenüber Lage- und Formänderungen der Ma- terialoberfläche beispielsweise durch Erschütterungen infolge des Vorschubs des Materiales ganz erheblich verfälscht wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem Ausfiihrungsbeispiel näher erläuten.

F i g. 1 zeigt perspektivisch und schematisch dargestellt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kontrollieren der Außenoberfläche eines Hüllrohres für Brennstäbe eines Kernreaktorbrennelerr.entes.

F i g. 2 zeigt ein Fließschaltbild zu F i g. 1. In F i g. 1 ist ein aus Zirkoniumlegierung bestehendes, zur Aufnahme von Kernbrennstoff in einem Kernreaktorbrennelement bestimmtes Hüllrohr 2 in zwei Antriebsköpfen 3 gelagert. Diese Antriebsköpfe 3 weisen je drei Vorschubrollen 4 aus Gummi auf, die in jedem Antriebskopf durch einen nicht dargestellten Zahnkranz zusätzlich angetrieben werden und die das Hüllrohr umfassen und sowohl in Umdrehung um seine Längsachse versetzten als auch in Richtung dieser Längsachse vorschieben (Vorschub).

Zwischen den beiden Antriebsköpfen 3 ist mit Abstand vom Hüllrohr 2 ein koaxial zum Hüllrohr 2 gewölbter Blechschirm 5 parallel zum Hüllrohr 2 angeordnet. Dieser Blechschirm 5 weist eine zentrale Durchtrittsöffnung 6 für einen gebündelten Lichtstrahl 7 auf, der von einem als Lichtquelle 8 dienenden Laser ausgeht und von einem Spiegel 10 durch die Durchtrittsöffnung 6 hindurch reflektiert und rechtwinklig auf die Außenoberfläche des Hüllrohres 2 gerichtet wird, wo ein Lichtfleck 11 erzeugt wird.

Auf der dem Hüllrohr 2 zugewandten Innenseite weist der Blechschirm 5 vier aus in Serie geschalteten Fotozellen bestehende lichtempfindliche elektrische Meßelemente 12 und sechs aus in Serie geschalteten Fotozellen bestehende lichtempfindliche elektrische Meßelemente 13 auf. Der Ausgang der Meßele.nente 12 ist jedoch von dem der Meßelemente 13 getrernt. Von den Meßelementen Ί2 sind jeweils zwei beiderseits der Durchtrittsöffnung 6 in einer Geraden angeordnet, die parallel zur Längsachse des Hüllrohres 2 ist, während von den Meßelementen 13 jeweils drei beiderseits der Durchtrittsöffnung 6 auf einem Geradenzug angeordnet sind, der rechtwinklig zur Längsachse des Hüllrohres 2 ist. Damit liegen die Meßelemente 12, der Lichtfleck 11 und die Durchtrittsöffnung 6, in der sich das Intensitätsmaximum des von der Außenoberfläche des Hüllrohres im Lichtfleck 11 ausgehenden, auf dem Blechschirm 5 abgebildeten Rückstreubildes befindet, in einer ersten Ebene 14. Die Meßelemente 13 liegen zusammen mit dem Lichtfleck 11 und der Durchtrittsöffnung 6 mit dem in ihr befindlichen Intensitätsmaximum des Rückstreubildes in einer zweiten Ebene 15, die rechtwinklig zur ersten Ebene 14 ist.

Wie aus F i g. 2 hervorgeht, sind die elektrisch in Serie geschalteten Meßelemente 12 mit ihrem Ausgang über einen Verstärker 16 an ein erstes Ablenkplattenpaar 17 eines ein Meßgerät darstellenden Kathodenstrahloszüloskops 20 angeschlossen, während die elektrisch in Serie geschalteten Meßelemente 13 mit ihrem Ausgang über einen Verstärker 18 am zum Ablenkplattenpaar 17 rechtwinkligen Ablenkplattenpaar 19 des Oszilloskops 20 angeschlossen sind. Die Ablenkplattenpaare 17 und 19 bilden zwei verschiedene, voneinander unabhängige Meßsysteme des aus dem Kathodenstrahloszilloskop 20 bestehenden Auswertegerät, deren Wirkungen auf den anzeigenden Elektronenstrahl 21 des Kathodenstrahloszilloskops 20 sich überlagern.

An den Verstärkern 16 und 18 ist ferner ein weiteres Auswertegerät 22 angeschlossen, das die Ausgangssignale der lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente 12 und 13 zum Vergleich mit vorgegebenen Festwerten verarbeitet.

Das auf dem Kathodenstrahloszilloskop 20 geschriebene zweidimensionale Bild gibt unmittelbaren Aufschluß über die Oberflächenbeschaffenheit auf der Außenseite des Hüllrohres 2 an der Stelle, an der sich gerade der Lichtfleck 11 befindet. Treten an dieser Stelle Unregelmäßigkeiten in der Beschaffenheit der Oberfläche des Hüllrohres 2 auf, so wird der Kathodenstrahl 21 aus seiner Normallage im Zentrum des Bildschirmes abgelenkt. Die Ablenkrichtung gibt Hinweise auf die Art der Unregelmäßigkeiten und die Auslenklänge auf das Ausmaß der Unregelmäßigkeiten.

Im Auswertegerät 22 können eine Gewichtung der Ausgangssignale der lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente 12 und 13 hinsichtlich des Ausmaßes und der Art der Unregelmäßigkeiten in der Beschaffenheit der Oberfläche des Hüllrohres 2 vorgenommen und die sich ergebenden Meßwerte mit den vorgegebenen Festwerten zur Beurteilung der Akzeptanz des Hüllrohres 2 verglichen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur optischen Kontrolle der Oberfläche eines Prüfgutes mit einem von einer Lichtquelle ausgehenden gebündelten Lichtstrahl, der auf der Oberfläche einen eine Relativbewegung bezüglich der Oberfläche ausführenden Lichtfleck erzeugt, von dem eine ein Rückstreubild ergebende Streustrahlung ausgeht, die auf ein erstes lichtempfindliches, seitlich zum Intensitätsmaximum des Rückstreubildes angeordnetes elektrisches Meßelement zum Messen der Lichtintensität fällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensität des Rückstreubildes zusätzlich mit einem zweiten lichtempfindlichen elektrischen Meßelement (13) gemessen wird, das sich seitlich zum Intensitätsmaximum des Rückstreubildes an einem anderen Ort als das erste lichtempfindliche elektrische Meßelement (12) befindet, wobei dieser Ort außerhalb einer durch das erste lichtempfindliche Meßelement (12), das Intensitätsmaximum des Rückstreubildes und den Lichtfleck (11) auf der Oberfläche des Prüfgutes aufgespannten Ebene (14) liegt, bezüglich dieses ersten lichtempfindlichen elektrischen Meßelementes (12) ortsfest ist und dessen Ausgangssignal getrennt vom Ausgangssignal des ersten lichtempfindlichen elektrischen Meßelementes (12) abgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (8) ausgehende gebündelte Lichtstrahl rechtwinklig auf die Oberfläche des Prüfgutes (2) gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale jedes der beiden lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente (12) und (13) einem anderen Meßsystem eines Auswertegerätes zugeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswertegerät ein Kathodenstrahloszilloskop (20) mit Anlenkplattenpaaren (17) und (19) als Meßsysteme verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswertegerät (22) verwendet wird, das die Meßgröße an den Ausgängen der beiden lichtempfindlichen elektrischen Meßelemente (12) und (13) zum Vergleich mit vorgegebenen Festwerten verarbeitet.