DE4130217A1 - Verfahren und vorrichtung zur pruefung von oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Prüfung von Oberflächen, insbesondere hin­ sichtlich der geschliffenen Oberfläche von Stahlröhren, Stahlstangen o. ä., die auf der äußeren, runden Oberflä­ che in Umfangsrichtung Schleifspuren aufweisen.

Es sind Verfahren zur automatischen optischen Ermitt­ lung von Fehlern auf der äußeren Oberfläche von Stahl bekannt. Es wird hierzu beispielsweise mit hoher Präzi­ sion bei der Prüfung von Oberflächen mit einem Laser­ strahl die Oberfläche des Stahls abgetastet. Wenngleich viele Vorschläge zur automatischen optischen Prüfung der äußeren, runden Oberfläche von Stahlröhren, Stahl­ stangen u.ä. mit kreisförmigem Querschnitt bekannt sind, so findet doch kaum ein Verfahren in der Praxis Verwendung. Der Grund liegt darin, daß bei der Prüfung von derartigen Oberflächen durch optische Einrichtungen die automatische Prüfung durch Schleifspuren in der Stahlröhre, Stahlstange o. ä. bzw. durch deren Vibration während des Transports gestört ist.

Die äußere, runde Oberfläche von Stahlröhren, Stahl­ stangen o. ä., die eine präzise Oberflächenprüfung er­ fordern, sind üblicherweise bei der Fertigung abschlie­ ßend in Umfangsrichtung geschliffen worden. Bei Versu­ chen, kleine Fehler auf der äußeren, runden Oberfläche durch optische Verfahren zu ermitteln, werden daher die sehr feinen Schleifspuren in Umfangsrichtung auf der äußeren runden Oberfläche der Stahlröhre o. ä. gemeinsam mit den Oberflächenfehlern ermittelt. Derartige Schleifspuren sind umso größere erkennbare Störungs­ quellen, je genauer das Prüfsystem arbeitet. Aus diesem Grund war es bislang mit optischen Verfahren nicht mög­ lich, eine äußerst präzise Oberflächenprüfung von äuße­ ren, runden Oberflächen von Stahlröhren, -stangen o. ä. durchzuführen.

Bei der Prüfung der gesamten äußeren, runden Oberfläche von Stahlröhren, -stangen o. ä. werden diese üblicher­ weise spiralförmig transportiert. Durch exzentrischen Bau oder Verformungen schwingen jedoch die zu prüfenden Materialien während der spiralförmigen Beförderung, so daß fehlerhafte Ermittlungen oder das Übersehen von fehlerhaften Stellen die automatische optische Oberflä­ chenprüfung von Stahlröhren o. ä. erheblich stören.

Zur Prüfung der Oberfläche von metallischen, äußeren, runden Oberflächen durch Verwendung von Streulicht ist die Japanische Patentveröffentlichung 58-53 861 bekannt, nach der das von einem bestrahlten Teil reflektierte Licht einem optischen Sensor über ein Mattglas als Pro­ jektionsplatte und einen Schlitz zugeführt wird. Da nach diesem Verfahren das vom bestrahlten Teil reflek­ tierte Licht einmal auf eine aus Mattglas gefertigte Projektionsplatte geführt und dann vom optischen Sensor aufgenommen wird, sind die extrem kleinen Fehler nicht mit hoher Präzision erfassbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung von Oberflächen zu schaf­ fen, die es gestattet, mit großer Genauigkeit eine op­ tische Oberflächenprüfung von Stahlröhren, -stangen o. ä. durchzuführen, deren äußere, runde Oberflächen in Umfangsrichtung geschliffen wurden, ohne von Schleif­ spuren oder durch Unregelmäßigkeiten der Stahlröhre o. ä. bedingte Vibrationen beeinflußt oder gestört zu werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, enthaltend die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte, sowie eine Vorrichtung, enthaltend die in Anspruch 4 genannten Merkmale, gelöst.

Zum besseren Verständnis der Merkmale, Kennzeichen und Vorteile der Erfindung wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung eines Ausführungs­ beispiels der Erfindung.

Zur näheren Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachfolgend ein Hauptgesichtspunkt der Erfindung erläutert.

Zur Prüfung der Oberfläche eines zu prüfenden Gegen­ standes wird üblicherweise die Oberfläche des Materials mit Licht bestrahlt, das reflektierte Licht durch den Einsatz eines optischen Photosensors, wie beispiels­ weise einer Fernsehkamera, photoelektrisch umgewandelt und das damit gewonnene Signal zur Ermittlung von Feh­ lern weiterentwickelt. Sofern ein durch Fremdkörper auf der zu prüfenden Materialoberfläche bedingter Fehler oder geringer Mangel vorliegt, wird das darauf auftref­ fende Licht gestreut. Da dadurch die Erzeugung starker, direktreflektierender Strahlung im den Fehler umgeben­ den Teil verhindert und nur gestreutes Licht erkannt wird, können durch Fremdkörper bedingte geringe Fehler und Mängel in einem hohen Nutz-/Störsignalverhältnis ermittelt werden. Sofern jedoch das zu prüfende Mate­ rial metallisch ist, wird grundsätzlich starke, direk­ treflektierendes Strahlung erzeugt, sobald Licht auf die zu prüfende Materialoberfläche auftrifft. Durch Verwendung von Licht mit hoher Streuqualität und indi­ rekter Bestrahlung des Metalls kann direktreflektie­ rende Strahlung unterbunden werden, so daß der Anteil an Streulicht leicht ermittelt werden kann.

Im vorliegenden Fall wird die von einer Strahlungs­ quelle ausgehende Strahlung auf eine Strahlungsstreu­ platte, beispielsweise eine milchigweiße Strahlungs­ streuplatte, gelenkt, um die Strahlung zu streuen und die durch die Strahlungsstreuplatte gelangende Strah­ lung auf die zu prüfende Gegenstandsoberfläche zu lei­ ten. Die milchigweiße Strahlungsstreuplatte streut auch innerhalb der Platte die Strahlung, so daß die gesamte Oberfläche der wilchigweißen Strahlungsstreuplatte leuchtend hell wird, um als flache Plattenstrahlungs­ quelle zu dienen. Auf diese Weise wird eine starke ge­ streute Lichtstrahlung erzeugt. Durch Bestrahlung des zu prüfenden Gegenstandes mit dieser Strahlung ist es möglich, sowohl das an der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes sich brechende Licht als auch die von Schleifspuren herstammende direktreflektierende Strah­ lung zu unterdrücken.

Was Schleifspuren in der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes anbelangt, so besteht keinerlei Gefahr, daß der optische Sensor die Schleifspuren als Schatten auffaßt, da das Licht auf die Oberfläche des zu prüfen­ den Gegenstandes in der Richtung der Schleifspuren fällt.

Die vorliegende Erfindung findet ferner bei der Unter­ suchung von Gegenständen runder, säulenartiger Form An­ wendung. Auch wenn der zu prüfende Gegenstand während der Prüfung ein wenig vibrieren sollte, so können durch die Vibration der Mittelachse des Gegenstandes bedingte Schwankungen unterdrückt werden, da der Gegenstand durch Streulicht großer Breite von der gesamten mil­ chigweißen Strahlungsstreuplatte bestrahlt wird.

Da die zu prüfende Materialoberfläche mit weißem Licht bestrahlt wird, erfaßt der optische Sensor diese Mate­ rialoberfläche als eine weiße, helle Fläche. Im allge­ meinen besteht weißes Licht aus einem kontinuierlichen Spektrum ohne jede Verstärkung oder Abschwächung von Lichtbestandteilen bestimmter Wellenlänge, so daß weißes Licht die geeignete Strahlungsquelle zum Einsatz bei Prüfungen zur Ermittlung von Fehlern auf metalli­ schen Oberflächen darstellt. Wenn ein fehlerhafter Teil auf der Oberfläche des metallischen Materials vorliegt, wird das Licht an diesem fehlerhaften Teil derart ge­ streut, daß der Anteil an weißem Licht bis zu einem Schatten reduziert wird, so daß der optische Sensor diesen Teil eindeutig als einen schwarzen, fehlerhaften Teil erfaßt.

Was die milchigweiße Strahlungsstreuplatte anbelangt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und im Verfah­ ren zur Prüfung von Oberflächen Verwendung findet, so genügt eine milchigweiße Kunststoffplatte, die Opalglas oder ähnlichem als Konstruktionsmaterial nahekommt. Während die Lichtstreuung von milchigweißem Glas der von Kunststoffplatten gleichkommt, erscheint im vorlie­ genden Fall eine Kunststoffplatte gegenüber Glas bruch­ sicherer und günstiger in der Handhabung. Diese Art von milchigweißer Platte enthält extrem kleine weiße Kör­ ner, um die Strahlungsrichtung des durchstrahlenden Lichts räumlich aufzuspalten und einen hohen Streuungs­ grad zu erzielen. Weißes Licht von kontinuierlichem Spektrum als Lichtstrahlung stellt eine geeignete Strahlung gegenüber metallischen Oberflächen dar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In diesem Ausführungsbeispiel wird eine zu prüfende Stahlröhre 1 spiralförmig in horizontaler Richtung oder in Richtung seiner Mittelachse O transportiert.

Eine als Stroboskop ausgebildete Strahlungsquelle 2 verwendet beispielsweise eine Xenonlampe, die eine obere, äußere, runde Oberfläche der Stahlröhre 1 von oberhalb der Stahlröhre 1 in geneigter Richtung be­ strahlt. Eine optische Achse 2A der Strahlungsquelle 2 steht in rechtem Winkel zur Mittelachse O der Stahl­ röhre 1, während ein Winkel (Schnittwinkel α) zwischen der optischen Achse 2A und einer Lotrechten N an einem Schnittpunkt I, an dem die von der Strahlungsquelle 2 ausgehende Strahlung auf die äußere runde Oberfläche 1A der Stahlröhre 1 auftrifft, in der Größenordnung von etwa 45° gewählt wird. Vor der Strahlungsquelle 2 ist eine Strahlungsstreuplatte, beispielsweise eine mil­ chigweiße Strahlungsstreuplatte in rechtem Winkel zur optischen Achse 2A der Strahlungsquelle 2 angeordnet.

Eine Stromquelle 3 der Strahlungsquelle 2 wird durch ein Schaltsignal aus- und eingeschaltet, wobei das Schaltsignal von einem Signalprozessor 4 geliefert wird, um die Strahlungsquelle 2 blitzartig zu betäti­ gen.

Eine nachfolgend kurz als optischer Sensor bezeichnete optische Sensoreinrichtung 6, beispielsweise eine Fern­ sehkamera (CCD-Kamera) wird auf einem Reflektionsstrah­ lengang OP angeordnet, um einen oberen Teil der be­ strahlten, äußeren, runden Oberfläche 1A der Stahlröhre 1 zu erfassen. Ein Videosignal der Optischer Sensor 6 wird dem Signalprozessor 4 gesandt, wo es in Abstimmung mit der Blitzfolge der Strahlungsquelle 2 abgespeichert wird. Das abgespeicherte Videosignal wird einem Monitor 7 zur Abbildung zugeführt. Das Signal wird im Signal­ prozessor 4 unmittelbar binär digitalisiert oder es wird nach binär digitalisiert, nachdem es durch Diffe­ rentiation analysiert wurde, um die Helligkeitsunter­ schiede zu verstärken. Basierend auf einem solchen Hel­ ligkeitsunterschied wird demgegenüber das Oberflächen­ fehlersignal einem Ausgangsterminal 8 zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung von Oberflä­ chen erfolgt unter Verwendung der vorstehend beschrie­ benen Vorrichtung wie folgt:
Während die Stahlröhre 1 spiralförmig transportiert wird, wird der obere Teil ihrer äußeren runden Ober­ fläche 1A durch die Strahlungsquelle 2 bestrahlt. Das den oberen Teil der äußeren runden Oberfläche 1A der Stahlröhre 1 bestrahlende Licht hat bereits die mil­ chigweiße Strahlungsstreuplatte 5 durchstrahlt, während es in rechtem Winkel zu der Mittelachse O der Stahl­ röhre 1 strahlt, so daß im bestrahlten Teil der Stahl­ röhre 1 die in der äußeren Oberfläche 1A der Stahlröhre in Umfangsrichtung, also rechtwinkelig zur Mittelachse O der Stahlröhre 1 eingeformten Schleifspuren ver­ schwinden um den fehlerfreien Teil in weißer Farbe, Fehler hingegen als schwarze Schatten anzuzeigen. Durch die Abtastung des bestrahlten Teils in vergrößerter Darstellung durch den optischen Sensor 6, durch Abbil­ dung des gewonnenen Bildes durch den Monitor 7 und durch Verarbeitung des erlangten Videosignales im Si­ gnalprozessor 4 können Fehler zuverlässig ermittelt werden, ohne die Schleifspuren als äußere Störquellen zu erfassen. Gleichzeitig wird auch der Einfluß ausge­ schaltet, der auf Vibrationen aufgrund von Unregelmäßi­ gkeiten usw. der Stahlröhre 1 zurückzuführen ist. Durch wiederholte Abtastung der spiralförmig transpor­ tierten Stahlröhre 1 wird die gesamte äußere runde Oberfläche der Stahlröhre 1 mit hoher Präzision unter­ sucht.

Bei Stahlröhren mit einem äußeren Durchmesser von 6,5 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm, dessen äußere runde Oberfläche mithilfe der PVA-Schleifmethode fertigge­ stellt wurde, konnten mittels des oben beschriebenen Verfahrens Oberflächenfehler in der Größenordnung von 50 Mikron und 20 Mikron Tiefe ermittelt werden. Sofern die milchigweiße Strahlungsstreuplatte 5 entfernt und die Lichtstrahlung auf die Schleifspuren gestreut wurde, wurden viele Signale ermittelt, die den obigen Oberflächenfehlern entsprachen.

Obgleich die milchigweiße Strahlungsstreuplatte 5 ver­ wendet wurde, wurde in dem Fall, daß die äußere runde Oberfläche der Stahlröhre 1 in der gegenüber der Mitte­ lachse O der Stahlröhre 1 geneigten Richtung bestrahlt wurde, viele Schatten von Schleifspuren ermittelt.

Der bei dieser Gelegenheit eingesetzte optische Sensor 6 war eine CCD-Kamera mit festgewählter, 50facher Ver­ größerung. Als Lichtquelle 2 fand ein Xenonstroboskop Verwendung und als milchigweiße Strahlungsstreuplatte 5 wurde eine Opalglas als Kunstruktionsmaterial ähnliche Kunststoffplatte eingesetzt.

Es ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die durch Schleifspuren und sonstige bei der Prüfung außer Acht zu lassende Unregelmäßigkeiten usw. bedingten Störungen des zu prüfenden Materials eliminiert werden, so daß es möglich ist, die Prüfung der geschliffenen äußeren runden Oberfläche mit hoher Präzision durchzuführen. Im Gegensatz zu Prüfungsmetho­ den nach dem Stand der Technik wird somit erreicht, au­ tomatisch bei gleichzeitiger erheblicher Vereinfachung der Signalverarbeitung Fehler zu ermitteln.

Claims (8)

1. Verfahren zur Prüfung von Oberflächen, enthaltend folgende Verfahrensschritte:

• a) ein Teil einer äußeren, runden, in Umfangsrich­ tung geschliffenen Oberfläche eines zu prüfenden Gegenstandes wird mit Streulicht senkrecht zur Mittelachse des Gegenstandes bestrahlt;
• b) der bestrahlte Teil der Oberfläche des Gegen­ standes wird durch einen optischen Sensor abge­ tastet, der im Strahlengang des von dem be­ strahlten Oberflächenteil reflektierten Lichtes angeordnet ist; und
• c) ein Videosignal des optischen Sensors wird zwecks Ermittlung einer an der äußeren Oberflä­ che vorhandenen fehlerhaften Stelle verarbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Streulicht weißes Licht gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einfallwinkel des Streulichtes auf die äußere, runde Oberfläche etwa 45° beträgt.

4. Vorrichtung zur Prüfung von Oberflächen, enthaltend:

• a) eine Strahlungsquelle zur Abstrahlung von Licht, so daß ein Teil einer äußeren, runden, in Um­ fangsrichtung geschliffenen Oberfläche eines zu prüfenden Gegenstandes schräg in senkrechter Richtung zur Mittelachse des Gegenstandes be­ strahlt wird;
• b) eine Strahlungsstreueinrichtung, die vor der Strahlungsquelle angeordnet ist und das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht streut sowie den Teil der äußeren, runden Oberfläche des Ge­ genstandes gleichmäßig bestrahlt;
• c) einen optischen Sensor, der im Strahlengang des von dem bestrahlten Oberflächenteil reflektier­ ten Lichtes angeordnet ist und zur Erzeugung ei­ nes Videosignales den bestrahlten Teil der Ober­ fläche des Gegenstandes abtastet.
• d) eine das Videosignal verarbeitende Signalprozes­ soreinrichtung zur Ermittlung einer fehlerhaften Stelle auf der äußeren, runden Oberfläche des Gegenstandes.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin enthaltend eine die Strahlungsquelle speisende Stromquelle, die durch die Signalprozessoreinrichtung gesteuert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin enthaltend einen Monitor, der das Videosignal der Signal­ prozessoreinrichtung zur Wiedergabe eines Bildes des Gegenstandes erhält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei als Strahlungs­ streueinrichtung eine milchigweiße Strahlungsstreu­ platte dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die milchigweiße Strahlungsstreuplatte aus Opalglas ähnlichem Kunst­ stoff gefertigt ist.