DE4426490C2 - Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Verfahren der obengenannten Gattung basieren in bekannter Weise auf der Methode der laserinduzierten Funkenspektroskopie (laser induced breakdown spectroscopy, LIBS). Hierbei wird der Lichtimpuls eines Hochleistungslasers auf die Materialoberfläche fokussiert, wodurch eine geringe Materialmenge verdampft und in ein Plasma überführt wird. Das Plasma strahlt beim Abkühlen innerhalb der ersten Mikrosekunden nach dem Laserschuß die charakteristische Atomemission ab, aus deren Spektrum nach den Methoden der klassischen Atomemissionsspektroskopie auf die Materialzusammensetzung geschlossen werden kann.

Da das LIBS-Verfahren eine Oberflächenanalyse vornimmt, besteht eine der wesentlichen technologischen Problem­ stellungen darin, Fehlanalysen durch Oberflächenver­ schmutzungen oder -beschichtungen zu vermeiden.

Beim derzeitigen Stand der Technik wird zur Vorreini­ gung der Oberfläche vor der Analyse ein zweiter Laser eingesetzt. Die Strahlen zweier Excimerlaser werden übereinandergelegt und auf dieselbe Stelle gerichtet. Die Auslösezeitpunkte liegen nur einige 100 Mikro­ sekunden auseinander, so daß die Bewegung des Teiles durch das Band zwischen den beiden Laserschüssen ver­ nachlässigbar ist und daher beide denselben Oberflä­ chenpunkt treffen. Der Schub des einen Lasers dient zur Reinigung der Oberfläche mittels Laser­ ablation, der Schub des zweiten Lasers zur Analyse nach LIBS. Der Einsatz zweier Laser erhöht allerdings die Anschaffungs- und Betriebskosten pro analysiertem Teil erheblich. Sollte für hartnäckige Oberflächenschichten mehr als ein Reinigungsschuß notwendig werden, so ist dies - wenn überhaupt mit mehreren Lasern möglich - mit einem erheblichen weiteren Kostenaufwand verbunden.

Zu diesem Thema existiert die EP 0 293 983 A1 der Metallgesellschaft AG, welche die gesamte Schrottsor­ tierung umfaßt und die LIBS-Analyse auf diesem Stand einschließt.

Des weiteren geht aus der DE 40 04 627 A1 ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe und eine diesbezügliche Vorrichtung hervor, die mit Hilfe eines Laserstrahls, der in aufgefächerter Weise über den zu untersuchenden Werkstoff geführt wird und stichprobenartig Oberflächenplasmen erzeugt, aufgrund derer mit Hilfe üblicher spektroskopischer Untersuchungsmethoden auf Element-Molekülkonzentratio­ nen geschlossen werden kann. Die Auswahl der einzelnen auf der Werkstückoberfläche vorgenommenen Meßpunkte erfolgt dabei im wesentlichen statistisch, so daß mit einer sehr hohen Laserpulsrepititionsrate gearbeitet werden muß, um aussagekräftige Ergebnisse über die Zusammensetzung der Werkstoffe zu erhalten.

Eine weitere Möglichkeit das Grundmaterial in dem vorstehend geschilderten Fall spektroskopisch zu er­ fassen ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 38 157 A1 zu entnehmen, aus der ein Verfahren zur Be­ stimmung der Dicke einer Beschichtung hervorgeht. Hier­ zu wird ein Laserstrahl in gepulster Form auf eine zu untersuchende Werkstückoberflächenstelle gerichtet, der mögliche Beschichtungs- bzw. Verschmutzungsschichten solange mit Strahlungsenergie beaufschlagt, bis sich das Reflexionsverhalten der auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Laserstrahlung charakteristisch ändert. Hierzu ist es erforderlich, den Laserstrahl möglichst lange auf ein und dieselbe Stelle zu fokussieren, um vorhandene oberflächliche Ablagerungen zu verbrennen.

Ferner gibt die DE 29 32 660 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Fehlern an, die in einem bahnförmig laufenden Flächengebilde enthalten sind. Das bekannte Verfahren kann als Mustererkennungs­ verfahren eingestuft werden, das in Abhängigkeit der Reflexionseigenschaften die bestrahlten Flächengebil­ de näher spezifiziert. So wird zunächst das flä­ chige Gut mit einer Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt und auf Unregelmäßigkeiten untersucht. Wird ein vorge­ gebener Grad an Unregelmäßigkeiten überschritten, so wird eine Videokamera zur Fehlerarterkennung auf die spezielle Stelle ausgerichtet.

Schließlich ist aus der DE 41 28 176 A1 eine Vor­ richtung zur automatischen Sortierung von Gegenständen zu entnehmen, die sich vornehmlich auf die Erkennung und anschließende Auswahl von Kunststoffgegenständen beschränkt. Die Oberflächen von Kunststoffgegenständen sind in der für die Müllsortierung vorgesehenen Gegen­ stände zumeist frei zugänglich, so daß keine zu­ sätzlichen Reinigungsschritte erforderlich sind.

Im vorliegenden Fall besteht jedoch die Schwierigkeit, einen an sich inhomogenen Materialstrom, der in unter­ schiedlichster Weise verschmutzt ist, zu untersuchen. So ist durch den Abrieb in der Aufbereitung und beim Transport die Verschmutzung der zu untersuchenden Teile im allgemeinen inhomogen, d. h. es gibt Stellen, an denen die glänzende Metalloberfläche durchaus gut sichtbar und daher die Verschmutzung gering ist. In Anbetracht dieser Tatsache muß die Frage gestellt wer­ den, weshalb mit dem hohen Kostenaufwand zweier oder evtl. mehrerer Laserschüsse eine willkürlich gewählte Stelle der Oberfläche durch Laserablation gereinigt werden muß, wenn an anderer Stelle nur wenig oder gar keine Verschmutzung vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von metallischen Tei­ len, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht derart auszubilden, daß unter Vermeidung von aufwendigen Laserstrahlsystemen die Analysesicherheit erhöht wird, und daß der zur Materialerkennung ver­ wendete Laserstrahl möglichst ausschließlich auf weniger verschmutzte Materialstellen gelenkt werden soll.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 bzw. dem Patentanspruch 3 zu entnehmen. Vorteilhafte Aus­ führungsformen sind den Ansprüchen 2 sowie 4 bis 6 zu ent­ nehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, wobei jedes metallische Teil mit einer über seine Oberfläche ablenkbaren Laserstrahlung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas bestrahlt wird und aus den spektroskopischen Eigenschaften des laserinduzierten Oberflächenplasmas die stofflichen Eigenschaften des metallischen Teils mit einer Ana­ lyseeinheit ermittelt werden, durch folgende Verfahrensschritte ausgebildet:

• - Das zu analysierende metallische Teil wird durch eine Triggervorrichtung geführt, durch die ein Zeitnullpunkt für die nachfolgenden Analyseschritte gesetzt wird. Das zu untersuchende metallische Teil wird mit einer Licht­ quelle beleuchtet und mit Hilfe einer Bildaufnahmeein­ heit aufgenommen. Anschließend werden die Ausgangssignale der Bildaufnahmeeinheit derart ausgewertet, daß die räumliche Lage der hellsten Stelle des aufge­ nommenen Bildes des Teiles als Indiz für eine metallische blanke Stelle ermittelt wird. Schließlich wird auf die ermittelte hellste Stelle mit Hilfe einer Spiegeloptik die Laserstrahlung gerichtet.

Ferner ist vorzugsweise erkannt worden, daß die Analy­ sesicherheit dadurch erhöht werden kann, indem die Information bezüglich der Form- und Farbbeschaffenheit des zu analysierenden Teils zusätzlich in die Untersu­ chungskriterien mit einfließen. Da dem Analysesystem vermittels der Kameraaufnahme ohnehin ein Bild von jedem Teil vorliegt, kann dieses Bild zusätzlich im Hinblick auf Farbe und Form der einzelnen Teile unter­ sucht werden. Zum Beispiel lassen sich die Buntmetalle Kupfer und Messing aufgrund ihrer roten bzw. gelben Farbe von den weißen Metallen Zink, Aluminium oder Magne­ sium unterscheiden. So zeichnen sich Oberflächen­ verchromungen aufgrund ihrer hohen Reflektivität aus. Zudem gibt eine zusätzliche Forminformation Auskunft über die Beschaffenheit des Teils als Guß- oder als Walzteil. Gußteile, bspw. Aluminiumguß oder Zinkguß, weisen nach einem Schredderprozeß scharfe Bruchkanten auf, wohingegen Walzteile bzw. Knetlegierungen runde Quetschkanten besitzen.

Die erfindungsgemäße Zusammenführung der Analysedaten aus der LIBS-Untersuchung mittels Laserstrahl mit den Bildinformationen ermöglicht eine Steigerung der Ana­ lysesicherheit.

In vorteilhafter Weise ergibt sich aufgrund der Ganz­ heitsbildserfassung der zu untersuchenden Teile mittels des Aufnahmensystems die Möglichkeit, daß die Abfolge der Teile nicht linear hintereinander erfolgen muß, sondern je nach örtlichen Gegebenheiten bspw. auf einem Fließband auch unsortiert nebeneinander. Das Auswerte­ system, das die Teile nach ihrer hellsten Stelle oder nach ihrer Form erfaßt, kann somit in der Bandebene bei jedem Teil die Zielkoordinaten der hellsten Stelle oder einer anders gewählten Stelle angeben.

Hierzu muß jedoch der Laserstrahlengang entsprechend ablenkbar sein, so daß er die statistisch angeordneten Teile treffen kann. In an sich bekannter Weise können hierzu Scannerspiegel verwendet werden.

Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens erfindungsgemäße Vorrichtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, weist in an sich bekannter Weise einen Laser zur Erzeugung einer Laserstrahlung, eine Ab­ lenkeinheit für die Laserstrahlung und eine Detektor- und Auswerteeinheit auf. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum Setzen des Zeitnullpunktes eine Triggervorrichtung, eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des jeweils zu untersuchenden metallischen Teils, eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme des jeweils zu untersuchenden metallischen Teils und zur Erzeugung von Ausgangssignalen und eine Einheit zur Feststellung der hellsten Stelle als Indiz für eine metallisch blanke Stelle auf dem jeweils zu untersuchenden metallischen Teil und zur lagemäßigen Zuordnung aufgrund der Aus­ gangssignale der Bildaufnahmeeinheit auf. Ferner ist die Ablenkeinheit für die Laserstrahlung, ge­ steuert von der Einheit zur Feststellung der hellsten Stelle und ihrer lagemäßigen Zu­ ordnung zur Lenkung der Laserstrahlung auf die hellste Stelle ausgebildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Übersicht der Vorrichtung.

Gemäß der Darstellung gelangt das zu analysierende Teil 1 zunächst durch einen von einer Triggervorrichtung definierten Triggerpunkt 2, wo der Zeitnullpunkt für die nachfolgenden Analyseschritte gesetzt wird und von der diese gesteuert werden. Dies ist möglich, da sich das Transportband mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Bevor das Teil 1 unter die Analyseoptik gelangt, wird es zu einem festen Zeitpunkt mit einer Beleuchtungseinrichtung 3, z. B. einer hellen kontinuier­ lichen Lichtquelle oder einer Blitzlampe beleuchtet. Eine CCD- Kamera 4 nimmt das Bild auf und ein nachfolgend ge­ schalteter Computer ermittelt aus den Datenpunkten die Koordinaten der hellsten Stelle. Im allgemeinen wird dies eine Stelle hoher Reflektivität sein, an der die blanke Metalloberfläche hervortritt. Ferner werden die Informationen über Form und Farbe erfaßt.

Die Analyseoptik ist wie folgt aufgebaut: Der Laser 5 sendet den Lichtimpuls über den dichroitischen Spiegel 6, der für das Laserlicht durchlässig ist und die Fokussierlinse 7 auf den ersten drehbaren Spiegel 8, der eine Auslenkung in Y-Richtung bewirkt. Ein zweiter drehbarer Spiegel 9 sorgt für die Z-Auslenkung. Mit den Koordinaten für die hellste Stelle und dem Zeitpunkt des Durchlaufens des Triggerpunktes kann die Stellung der Spiegel 8 und 9 derart berechnet und eingestellt werden, daß beim Auslösen des Laserschusses der Fokus exakt auf der gewünschten Stelle geringer Verschmutzung liegt. Das Licht des örtlich in X-, Y- und Z-Richtung nicht fest definierten Plasmafunkens gelangt rückwärts über die Spiegel 8 und 9 auf den dichroitischen Spiegel 6. Dort wird es reflektiert und mit einer Linse 10 in eine Lichtleitfaser 11 eingekoppelt. Dadurch, daß Laser und Plasmalicht über dieselben beweglichen Spiegel 8 und 9 geführt werden, bleibt die Anordnung unabhängig von der Position des Plasmafunkens justiert. Die Lichtleitfaser leitet die Atomemission an ein Spektrometer weiter, an dem das Spektrum detektiert und abschließend weiterverarbeitet wird. Die Weiterverarbeitung erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung der Form- und Farbinformationen über das Teil, so daß die Analysesicherheit erheblich ge­ steigert ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, wobei jedes metallische Teil mit einer über seine Oberfläche ablenkbaren Laserstrahlung zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas bestrahlt wird und aus den spektroskopischen Eigenschaften des laserinduzierten Oberflächenplasmas die stofflichen Eigenschaften des metallischen Teils mit einer Analyseeinheit ermittelt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - das zu analysierende metallische Teil durch eine Triggervorrichtung geführt wird, durch die ein Zeit­ nullpunkt für die nachfolgenden Analyseschritte ge­ setzt wird,
• - das zu untersuchende metallische Teil mit einer Lichtquelle beleuchtet und mit Hilfe einer Bildauf­ nahmeeinheit aufgenommen wird,
• - die Ausgangssignale der Bildaufnahmeeinheit derart ausgewertet werden, daß die räumliche Lage der hellsten Stelle des aufgenommenen Bildes des Teiles als Indiz für eine metallisch blanke Stelle ermittelt wird, und daß
• - auf die ermittelte hellste Stelle mit Hilfe einer Spiegeloptik die Laserstrahlung gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Form und Farbe des jeweils zu untersuchenden metallischen Teils erfaßt werden.

3. Vorrichtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• - einem Laser zur Erzeugung einer Laserstrahlung,
• - einer Ablenkeinheit für die Laserstrahlung und
• - einer Detektor- und Auswerteeinheit,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zum Setzen des Zeitnullpunktes eine Triggervorrich­ tung,
• - eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des jeweils zu untersuchenden metallischen Teils,
• - eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme des jeweils zu untersuchenden metallischen Teils und zur Er­ zeugung von Ausgangssignalen und
• - eine Einheit zur Feststellung der hellsten Stelle als Indiz für eine metallisch blanke Stelle auf dem jeweils zu untersuchenden metallischen Teil und zur lagemäßigen Zuordnung auf­ grund der Ausgangssignale der Bildaufnahmeeinheit vorgesehen sind sowie, daß
• - die Ablenkeinheit für die Laserstrahlung, ge­ steuert von der Einheit zur Feststellung der hellsten Stelle und ihrer lagemäßigen Zu­ ordnung zur Lenkung der Laserstrahlung auf die hellste Stelle ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Erfassung der hellsten Stelle zusätzlich zur Erfassung der Form und der Farbe des zu untersuchenden Teils ausgebildet ist, und daß die Auswerteeinheit zur Berücksichtigung dieser zusätzlich erfaßten Informationen über die Form und die Farbe ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheit eine CCD-Kamera ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit eine kontinuierlich emittierende Lichtquelle oder eine Blitzlampe ist.