DE3938471A1 - Verfahren zur optischen oberflaechenkontrolle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 31 23 184 bekannt. Es bedient sich der Verwendung einer Vorrichtung, die in ihren mechanischen Teilen sehr aufwendig gestaltet ist und als wesentliche Komponente eine Aufnahmevorrichtung umfaßt, mit der der Prüfling während der Durchführung der Oberflächenkontrolle relativ zur Kamera in eine drehende Bewegung versetzbar ist. Die Oberfläche wird dabei punkt­ oder zeilenförmig abgetastet und die Intensität des reflek­ tierten Lichtes zur Ermittlung von Fehlern ausgewertet. Das automatische Einbringen von leicht deformierbaren und nicht formstabilen Prüflingen in die Aufnahmevorrichtung gestaltet sich indessen äußerst schwierig und steht einer Verbreitung des vorbekannten Verfahrens bisher noch hinder­ lich entgegen. Ein Nachteil des vorbekannten Verfahrens besteht darin, daß die Abtastung der Oberfläche eine mecha­ nische Relativbewegung des Prüflings erforderlich macht und dementsprechend zeitaufwendig ist. Die Erzielung schnel­ ler Prüfzeiten ist auch aus diesem Grunde so gut wie ausge­ schlossen.

Ein weiterer Nachteil des vorbekannten Verfahrens besteht darin, daß die Fehler durch die punkt- oder zeilenförmige Abtastung der Oberfläche nur eindimensional- und nicht zweidimensional in ihren flächigen Eigenschaften erfaßt werden können. Dadurch ist es ausgeschlossen, schwerwie­ gende Oberflächenfehler, die aber nur kontrastschwach in Erscheinung treten, von zulässigen Oberflächenunregelmäßig­ keiten oder Sekundärstörungen zu unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Ver­ fahren derart weiterzuentwickeln, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren hat insbesondere zum Ziel, eine Automatisierung bei der Durchführung des Kontrollvorganges unter Verwendung vereinfachter, mechanischer Hilfsmittel auch dann zu er­ möglichen, wenn die Prüflinge nur eine sehr geringe Form­ beständigkeit haben. Dabei soll die Qualität des Meßergeb­ nisses so weit verbessert werden, daß schwerwiegende Ober­ flächenfehler des Prüflinges auch dann sicher erkannt wer­ den können, wenn sie nur kontrastschwach in Erscheinung treten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merk­ malen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestal­ tungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des Prüflings unter Vermeidung einer rotierenden Relativ­ bewegung in ihren Außenkonturen erfaßt und in einem ersten Schritt zur rechnerischen Bestimmung der Lage des Mittel­ punktes verwendet. Hierzu dient zweckmäßig eine elektro­ nische Kamera, welche es ermöglicht, ein flächiges Bild des Prüflings aufzunehmen und in einem digitalen Speicher abzulegen. Jeder Rasterpunkt des in dem Speicher abgelegten Bildes entspricht einem Bildelement und enthält dann einen Wert, der die Helligkeit des entsprechenden Oberflächen­ punktes des kontrollierten Prüflinges in objektiver Weise wiedergibt. Die Erfassung der Außenkonturen des Prüflinges und die rechnerische Bestimmung der Lage des zugehörigen Mittelpunktes ist demgemäß problemlos möglich.

In einem zweiten Schritt werden die Helligkeiten der einzel­ nen Bildelemente auf den Mittelpunkt konzentrisch umschlie­ ßenden Kreisbahnen erfaßt und zur Bildung von Mittelwerten verwendet, die die durchschnittliche Helligkeit der in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Kreisbahnsegmente in objekter Weise widerspiegeln. Jedem Bildelement wird dabei ein Mittelwert zugeordnet, der sich aus einer frei wählbaren Anzahl von linken und rechten Nachbarbildelemen­ ten auf der Kreisbahn errechnet.

In einem dritten Schritt werden einen frei bestimmbaren Schwellwert überschreitende Abweichungen der Bildelemente einer jeden Kreisbahn von den zugehörigen Mittelwerten als Basisfehler gekennzeichnet und dem Bildelement zugeord­ net, so daß in einem vierten Schritt einander auf benachbar­ ten Kreisbahnen benachbarte Basisfehler zu Fehlerflächen ergänzt und in einem fünften Schritt frei bestimmbare, mathematisch definierte Merkmale der Fehlerflächen bestimmt und durch Vergleich mit frei bestimmbaren Sollwerten der Bestimmung von Ausschußteilen zugrundegelegt werden können.

Die Abweichungen können z. B. durch Fremdkörper, Ausbrüche, Kratzer, Staub, kleinste Poren etc. auf der Oberfläche des Prüflings hervorgerufen sein. Besonders bei radial ausgedehnten Fehlern ist wichtig, die Basisfehler, die als solche unrelevant sein können, zu Fehlerflächen zusam­ menzusetzen, um eine objektive Aussage über die tatsäch­ liche Wertigkeit zu erhalten und echte Fehler (ausgedehnte Kratzer, Ausbrüche) von zulässigen Unregelmäßigkeiten (winzigen Poren, Staub) unterscheiden zu können. Ein Krat­ zer und eine Pore an sich können, wenn man nur ein zuge­ höriges Basisfehlermerkmal als solches betrachtet, nicht objektiv bewertet werden.

Durch den Verzicht auf eine rotierende Relativbewegung der Prüflinge während der Durchführung des Kontrollver­ fahrens ist deren Zuführung und Abführung stark vereinfacht. Die bei einer automatischen Durchführung des Verfahrens benötigten Einrichtungen sind dementsprechend wenig kompli­ ziert und störanfällig und einfach zu beschaffen.

Aus der statisch ruhenden Zuordnung des Prüflings zu der Kamera und der Lichtquelle resultiert der Vorteil, daß das erhaltene Abbild der Oberfläche völlig ruhig ist und für die verschiedenen Oberflächenzonen Helligkeiten aus­ weist, die die tatsächliche Beschaffenheit der Oberfläche in objektiver Weise widerspiegeln. Für eine objektive Be­ urteilung der Oberflächengüte ist das von großem Vorteil. Die Gefahr des Auftretens von Meßfehlern ist deutlich reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich, vom Grundsätz­ lichen her betrachtet, unter Verwendung einer jeden belie­ bigen Lichtquelle realisieren, so auch beispielsweise mit normalem Tageslicht. Dieses steht jedoch nicht immer und an jeder beliebigen Stelle in einer ausreichenden Güte zur Verfügung, weshalb es sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Oberfläche des Prüflings während der Durch­ führung des Kontrollverfahrens mittels einer künstlichen Lichtquelle beleuchtet wird. Diese sollte zweckmäßig in der Rotationsachse des Prüflings angeordnet sein und von der Oberfläche des Prüflings einen axialen Abstand haben. Insbesondere die Verwendung von Lichtquellen, welche im wesentlichen rotationssymmetrisch gestaltet sind, hat sich als vorteilhaft bewährt.

Je nach Reflektionsverhalten der Oberfläche des zu kon­ trollierenden Prüflings kann es sinnvoll sein, die Beleuch­ tung mit im wesentlichen monochromatischem Licht vorzu­ nehmen, um Abweichungen des Reflektionsverhaltens benach­ barter Oberflächenbildelementen voneinander noch deutlicher in Erscheinung treten zu können. Ein ähnlicher Effekt läßt sich erzielen, wenn die Erfassung des Reflektionsverhal­ tens der Oberfläche des Prüflings durch ein Farbfilter hindurch vorgenommen wird.

Grundsätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei der Oberflächenkontrolle von rotationssymmetrischen Prüflingen bliebiger Gestalt und beliebiger Zusammenset­ zung verwenden. Der bevorzugte Anwendungsbereich ist auf die Qualitätskontrolle von Dichtringen aus polymerem Werk­ stoff gerichtet.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnung weiter verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer für die Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwend­ baren Vorrichtung;

Fig. 2 und 3 das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendete Meßprinzip in schematischer Darstellung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Unterlage 2, auf welche die zu kontrollierenden Prüflinge 1 mittels einer Transporteinrichtung 13 aufein­ anderfolgend auflegbar sind. Oberhalb der dabei erreichten Meßposition ist eine Kamera 3 mit senkrecht nach unten weisendem Objektiv angeordnet. Dem Objektiv ist in Rich­ tung des Prüflings 1 ein optisches Farbfilter 11 vorge­ lagert sowie eine ringförmig ausgebildete Lichtquelle 10, die ebenfalls gegen die Unterlage 2 gerichtet ist.

Die Kamera 3 ist eine sogenannte CCD-Kamera (carge-compled device), was es erlaubt, ein flächiges Bild der Oberfläche des Prüflings 1 aufzunehmen und in einem digitalen Spei­ cher abzulegen, der mit der Kamera 3 verbunden ist. Der Speicher 14 ist an einen Rechner 12 angeschlossen oder in einen Rechner integriert, in dem die Auswertung des von der Kamera 3 aufgenommenen Oberflächenabbildes vor­ genommen wird. Sie besteht darin, daß die Oberfläche 4 des auf der Unterlage ruhend gelagerten Prüflings 1 in ihren Außenkonturen 5, 6 erfaßt und in einem ersten Schritt zur rechnerischen Bestimmung der Lage des zugehörigen Mit­ telpunktes 7 verwendet wird. In einem zweiten Schritt wer­ den die Helligkeiten der einzelnen Bildelemente 4.1, 4.2, ..... auf, den Mittelpunkt 7 konzentrisch umschließenden, Kreisbahnen 8.1, 8.2 ..... erfaßt und zur Bildung von elek­ trischen Mittelwerten verwendet, die die durchschnittli­ chen Helligkeiten in objektiver Weise beschreiben. In ei­ nem dritten Schritt werden einen frei bestimmbaren Schwell­ wert überschreitende Abweichungen der erhaltenen elektri­ schen Signale von den Mittelwerten als Basisfehler gekenn­ zeichnet und den jeweiligen Bildelementen 4.1; 4.2; ..... der Kreisbahnen 8.1; 8.2; ..... zugeordnet, so daß in ei­ nem vierten Schritt einander auf benachbarten Kreisbahnen 8.1; 8.2; ..... benachbarte Basisfehler zu Fehlerflächen (9) ergänzt werden können und in einem fünften Schritt frei bestimmbare, mathematisch definierte Merkmale der Fehlerflächen (9) bestimmt, beispielsweise die Größe, und durch Vergleich mit frei bestimmbaren Sollwerten, beispiels­ weise der maximal zulässigen Größe, der Bestimmung von Ausschußteilen zugrundegelegt werden können. Diesbezügliche Einzelheiten werden durch die Fig. 2 und 3 verdeutlicht. Die einzelnen Kreisbahnen sind darin mit 8.1; 8.2; 8.3; ..... bezeichnet. Aus den Intensitäten 3.1 der Bildelemente einer Kreisbahn wird zu jedem Bildelement aus einer defi­ nierten Anzahl von linken und rechten Nachbarelementen ein lokaler Mittelwert 3.2 gebildet.

Unter- oder überschreitet die Bildintensität 3.1 den lokalen Mittelwert der dazugehörigen Kreisbahn in einem frei be­ stimmbaren Maße 3.3, so wird die entsprechende Stelle der Kreisbahn als Basisfehler 3.4 markiert.

Von dem Basisfehler werden Basismerkmale wie die Ausdehnung (3.5) in Richtung der Kreisbahn oder die maximale (3.6) und mittlere (3.7) relative Abweichung vom Mittelwert be­ stimmt. ln einem vierten Schritt werden anschließend Basis­ fehler benachbarter Kreisbahnen 8.1; 8.2; ..... rechnerisch zu Fehlerflächen ergänzt und rechnerisch mit frei bestimmba­ ren, mathematisch definierten Merkmalen verglichen, beispiels­ weise einem frei festgelegten Wert für die maximal zulässige Größe einer einzelnen Fehlerfläche. Im gleichen Sinne ist es möglich, die quantitativen Werte der Basismerkmale in die Endauswertung mit einzubeziehen, beispielsweise ver­ einzelt auftretende Extremabweichungen von den Durchschnitts­ werten oder ähnlich.

Die Durchführung der Kontrolle eines einzelnen Prüflinges erfordert bei Verwendung der gebräuchlichen Rechnerein­ heiten einen derart kurzen Zeitaufwand, daß es möglich ist, die zu kontrollierenden Prüflinge auch mit einer gleichbleibend geringen Geschwindigkeit kontinuierlich an der Kamera vorbeizuführen. Für die Anwendung des er­ findungsgemäßen Verfahrens in der Massenfertigung ist das von großem Vorteil. Die Erfassung der Oberfläche kann in diesem Falle mit ausreichender Genauigkeit unter Verwen­ dung einer sogenannten Shutter-Kamera erfolgen, wobei die einzelnen Bildaufnahmen zweckmäßig durch Lichtschranken oder ähnliche Sensoren ausgelöst werden.

Die Gut/Schlechtsortierung der geprüften Teile kann unter Verwendung des von dem Rechner gelieferten Ergebnisses auf an sich bekannte Weise erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von Druckluftdüsen oder Klappen, die automa­ tisch angesteuert und betätigt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur optischen Oberflächenkontrolle der Stirn­ fläche eines rotationssymmetrischen Prüflings, bei dem der Prüfling auf eine Unterlage aufgebracht und die Oberfläche mit Hilfe einer Kamera elektronisch erfaßt und anhand der Helligkeit von einander benachbarten Bildelementen durch Vergleich mit einem vorgegebenen Helligkeitssollwert zu einer qualitativen Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit des Prüflings verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (4) unter Vermeidung einer rotierenden Relativbewegung des Prüflings (1) in ihren Außenkonturen (5, 6) erfaßt und in einem ersten Schritt zur rechnerischen Bestimmung der Lage des Mittelpunktes (7) verwendet wird, daß in einem zweiten Schritt die Helligkeiten der Bildelemente (4.1; 4.2; .....) auf, den Mittelpunkt (7) konzentrisch umschließenden, Kreisbahnen (8.1; 8.2; .....) erfaßt und zur Bildung von Mittelwerten verwendet werden, daß in einem dritten Schritt einen frei bestimmbaren Schwell­ wert überschreitende Abweichungen von den Mittelwerten als Basisfehler gekennzeichnet und den jeweiligen Bildelementen (4.1; 4.2; .....) der Kreisbahnen (8.1; 8.2; .....) zugeordnet werden, daß in einem vierten Schritt einander auf benachbarten Kreisbahnen (8.1; 8.2; .....) benach­ barte Basisfehler zu Fehlerflächen (9) ergänzt werden und daß in einem fünften Schritt frei bestimmbare, mathe­ matisch definierte Merkmale der Fehlerflächen (9) be­ stimmt werden und durch Vergleich mit frei bestimmbaren Sollwerten der Bestimmung von Ausschußteilen zugrunde­ gelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (4) mittels einer künstlichen Lichtquelle (10) beleuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der Oberfläche (4) mit Hilfe einer künst­ lichen Lichtquelle (10) vorgenommen wird, die der Rota­ tionsachse des Prüflings (1) konzentrisch zugeordnet ist und von der Oberfläche (4) einen axialen Abstand hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung mit einer im wesentlichen rotationssymme­ trisch gestalteten Lichtquelle (10) bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung mit im wesentlichen monochromati­ schem Licht vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Oberfläche (4) des Prüflings (1) durch ein Farbfilter (11) hindurch vorgenommen wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 bei der Qualitätskontrolle von Dichtringen aus polymerem Werkstoff.