-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlern
eines Bauteils oder sonstigen Objekts und eine Vorrichtung zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens.
-
Zur
Detektion von Oberflächenfehlern von Bauteilen sind bereits
verschiedene Verfahren bekannt. Bei der sogenannten Dunkelfeldbeleuchtung wird
die Oberfläche des Bauteils von der Seite mit Licht aus
einer Lichtquelle bestrahlt. Das von der Oberfläche des
Bauteils zurückgestrahlte Licht wird von einem Sensor oder
einer Kamera erfaßt, beispielsweise einer CCD-Kamera. Das
vom Sensor erfaßte Bild kann ausgewertet und/oder gespeichert werden.
Die Dunkelfeldbeleuchtung wird insbesondere zur Detektion von Kratzern
oder ähnlichen Oberflächenfehlern eingesetzt.
Dabei wird die Oberfläche des Bauteils so beleuchtet, daß nur
vom Ort des Fehlers, also des Kratzers, Licht in den optischen Sensor
gelangt.
-
Zur
Veranschaulichung des bekannten Verfahrens der Dunkelfeldbeleuchtung
zeigt
-
1 eine
Vorrichtung zur Detektion von Oberflächenfehlern eines
Bauteils in einer schematischen Seitenansicht und
-
2 eine
abgewandelte Vorrichtung nach 1.
-
Die
Vorrichtung gemäß 1 umfaßt
zwei Lichtquellen 4, 4' zum Bestrahlen der Oberfläche
eines Bauteils 5 aus einer jeweils seitlichen Richtung und
eine CCD-Kamera 2 mit einem Sensor zum Erfassen des von
der Oberfläche des Bauteils 5 zurückgestrahlten
Lichts. Die Lichtquellen 4, 4' liegen einander
gegenüber. Sie sind symmetrisch zur Mittenachse der CCD-Kamera 2 angeordnet.
Aus den Lichtquellen 4, 4' trifft gerichtetes
Licht auf die Oberfläche des Bauteils 5.
-
Der
Meßbereich A wird durch die Apertur 6 der CCD-Kamera 2 und
den Abstand der CCD-Kamera 2 von dem Bauteil 5 bestimmt.
Die Lichtquellen 4, 4' sind so angeordnet, daß durch
die Reflexion auf der Oberfläche des Bauteils 5 kein
Licht in die CCD-Kamera 2 gelangt. Die Lichtquelle 4 strahlt
gerichtetes Licht von der linken Seite unter einem Öffnungswinkel α auf
den Meßbereich A. Der untere Grenzstrahl 7 trifft
im linken Endpunkt 8 des Meßbereichs A unter einem
Winkel β auf die Oberfläche des Bauteils 5 und
wird von dort als Strahl 9 gespiegelt. Die Anordnung ist
dabei derart getroffen, daß der gespiegelte Strahl 9 nicht
in die CCD-Kamera 2 fällt, sondern unter der CCD-Kamera 2 abgestrahlt
wird.
-
Der
obere Grenzstrahl 10 aus der Lichtquelle 4 führt
zum rechten Ende 8' des Meßbereichs A und wird
von dort in einem Winkel γ, der kleiner ist als der Winkel β,
in den Strahl 11 gespiegelt, der ebenfalls nicht in die
CCD-Kamera 2 fällt, sondern unter der CCD-Kamera 2 abgestrahlt
wird.
-
Die
Lichtquelle 4' liegt auf der gegenüberliegenden
Seite des Meßbereichs A. Auch das von dieser Lichtquelle 4' auf
den Meßbereich A gestrahlte Licht fällt bei der
Reflexion auf der Oberfläche des Bauteils 5 nicht
in die CCD-Kamera 2.
-
-
Bei
der Dunkelfeldbeleuchtung nach 1 wird das
von den Lichtquellen 4, 4' ausgestrahlte Licht
bei einer fehlerfreien Oberfläche des Bauteils 5 in
der aus 1 ersichtlichen Weise am optischen Sensor
in der CCD-Kamera 2 vorbei reflektiert. Aus der Sicht der
CCD-Kamera 2 erscheint der Meßbereich A bei einer
fehlerfreien Oberfläche des Bauteils 5 dunkel.
-
Wenn
sich auf der Oberfläche des Bauteils 5 ein Kratzer
oder ein ähnlicher Fehler befindet, wird das von den Lichtquellen 4 und/oder 4' abgestrahlte Licht
in die CCD-Kamera 2 zurückgestrahlt. Auf diese Weise
können Kratzer auf der Oberfläche des Bauteils 5 erkannt
werden.
-
Die
Empfindlichkeit der Messung ist umso größer, je
kleiner die Winkel β bzw. γ sind, unter denen
die Strahlen 7, 10 bzw. 7', 10' und
die dazwischen liegenden Strahlen auf den Meßbereich A
auftreffen. Aus mechanischen Gründen ist es allerdings oftmals
erforderlich, daß die Lichtquellen 4, 4' einen bestimmten
Mindestabstand zur Oberfläche des Bauteils 5 einhalten
müssen. Hierdurch werden die Winkel β und γ und
die dazwischen liegenden Winkel vergrößert.
-
Ein
Beispiel hierfür ist in 2 gezeigt. Durch
die Vergrößerung des Abstandes der Lichtquellen 4, 4' von
der Oberfläche des Bauteils 5 vergrößern
sich die Winkel β und γ. Die reflektierten Strahlen 9, 9' der
unteren Grenzstrahlen 7, 7' gelangen in die CCD-Kamera 2 und
auf deren Sensor.
-
Um
dies zu verhindern und um die Empfindlichkeit zu steigern können
die Winkel β und γ dadurch verkleinert werden,
daß der seitliche Abstand der Lichtquellen 4, 4' vom
Meßbereich A vergrößert wird. Hierdurch
wird allerdings auch die gesamte Anordnung vergrößert
bzw. die Vorrichtung, in der sich die Lichtquellen 4, 4' befinden.
Dadurch, daß ein gewisser Abstand der Lichtquellen 4 von
der Oberfläche des Bauteils 5 eingehalten werden
muß, nimmt also entweder die Empfindlichkeit ab, oder die
Baugröße der Vorrichtung bzw. Prüfanordnung
nimmt zu.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art zu verbessern.
-
Nach
einem ersten Vorschlag wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur
Detektion von Oberflächenfehlern eines Bauteils nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Es wird nur ein hin terer Bereich der
Oberfläche des Bauteils mit Licht aus der Lichtquelle bestrahlt
und/oder es wird nur das von einem hinteren Bereich der Oberfläche
des Bauteils zurückgestrahlte Licht von dem Sensor erfaßt und/oder
von einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Dadurch, daß nur
ein – von der Lichtquelle her betrachtet – hinterer
Bereich der Oberfläche des Bauteils mit Licht aus der Lichtquelle
bestrahlt wird, wird der Einfallswinkel des unteren Grenzstrahls
gegenüber der Oberfläche des Bauteils kleiner,
so daß die Empfindlichkeit gesteigert werden kann. Alternativ kann
bei gleichbleibender Empfindlichkeit der seitliche Abstand der Lichtquelle
von dem Bauteil verringert werden.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Die
Oberfläche des Bauteils kann mit Licht aus mehreren Lichtquellen
bestrahlt werden. Insbesondere kann die Oberfläche des
Bauteils mit Licht aus zwei Lichtquellen bestrahlt werden. Die zwei Lichtquellen
liegen vorzugsweise einander gegenüber. Es ist allerdings
auch möglich, mehrere Lichtquellen zu verwenden, die ringförmig
um das Bauteil herum angeordnet sind. Besonders geeignet sind stabförmige
Lichtquellen oder Lichtquellen mit einer sonstigen Längserstreckung.
-
Bei
einer Vorrichtung zum Detektieren von Oberflächenfehlern
eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die der
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nach einem ersten Vorschlag durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 7 bis 10 beschrieben.
-
Bei
einem Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlern eines
Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 wird die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe nach einem weiteren Vorschlag, für den
selbständig Schutz beansprucht wird, durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Nach diesem Vorschlag
wird die Oberfläche des Bauteils von der Seite mit Licht
aus einer Streifenprojektionseinheit bestrahlt. Das von der Oberfläche
des Bauteils zurückgestrahlte Licht wird von dem Sensor erfaßt.
Durch die Verformung der Streifen auf der Oberfläche des
Bauteils können flächige Verformungen dieser Oberfläche
wie insbesondere Dellen oder Beulen erkannt werden. Ferner können
durch die Bestrahlung der Oberfläche des Bauteils von der
Seite mit Licht aus einer Lichtquelle, also durch diese Dunkelfeldbeleuchtung,
auch Oberflächenfehler wie insbesondere Kratzer erkannt
werden.
-
Die
beiden erfindungsgemäßen Verfahren können
miteinander kombiniert werden.
-
Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung
zur Detektion von Oberflächenfehlern eines Bauteils nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 14 nach einem weiteren Vorschlag, für
den selbständig Schutz beansprucht wird, durch die Merkmale
des Anspruchs 14 gelöst. Die Vorrichtung umfaßt
eine Streifenprojektionseinheit zum Projizieren eines Streifenmusters
aus einer seitlichen Richtung auf die Oberfläche des Bauteils.
-
Die
beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen können
miteinander kombiniert werden.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
-
3 eine
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Detektion von Oberflächenfehlern eines
Bauteils in einer schematischen Seitenansicht und
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einer Streifenprojektionseinheit.
-
Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform sind Bauteile,
die denjenigen der 1 und 2 entsprechen,
mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß sie nicht
erneut beschrieben werden müssen.
-
Der
Lichtkegel aus der Lichtquelle 4 ist derart eingestellt,
daß der untere Grenzstrahl 17 an dem Punkt 18 in
der Mitte des Meßbereichs A auf die Oberfläche
des Bauteils 5 auftrifft. Gleiches gilt für den
unteren Grenzstrahl 17' aus der gegenüberliegenden
Lichtquelle 4'. Die oberen Grenzstrahlen 10, 10' der
Lichtquellen 4, 4' treffen, wie auch bei den vorbekannten
Ausführungsformen nach 1 und 2,
auf den jeweiligen hinteren Endpunkten 8', 8 auf
der Oberfläche des Bauteils 5 auf. Auf diese Weise
wird – von der Lichtquelle her betrachtet – nur
der hintere Bereich 19 der Oberfläche des Bauteils 5 mit Licht
aus der Lichtquelle 4 bestrahlt. In entsprechender Weise
wird nur der hintere Bereich 19' der Oberfläche
des Bauteils 5 mit Licht aus der Lichtquelle 4' bestrahlt.
-
Bei
der Ausführungsform nach 3 wird die
Oberfläche des Bauteils 5 bzw. der Meßbereich
A mit Licht aus zwei einander gegenüberliegenden Lichtquellen 4, 4' bestrahlt.
Es wäre allerdings auch möglich, meherere Lichtquellen
ringförmig um das Bauteil 5 bzw. den Meßbereich
A herum anzuordnen (in der Zeichnung nicht dargestellt). Die Lichtquellen 4, 4' können
im wesentlichen punktförmig sein. Es ist allerdings auch
möglich, stabförmige Lichtquellen zu verwenden,
wobei die Richtung der Längserstreckung vorzugsweise senkrecht
zur Zeichenebene der 3 liegt.
-
Ferner
ist es möglich, zur Verwirklichung der Erfindung die Anordnung
nach 2 zu verwenden und nur das von dem jeweiligen
hinteren Bereich der Oberfläche des Bauteils 5 zurückgestrahlte
Licht von dem Sensor in der CCD-Kamera 2 zu erfassen und/oder
von einer Auswerteeinrichtung auszuwerten. Hierzu kann das Verfahren
in der Weise durchgeführt werden, daß jeweils
nur eine der Lichtquellen 4, 4' leuchtet. Wenn
beispielsweise die Lichtquelle 4 eingeschaltet ist, kann
der linke Bereich des Objektivs der CCD-Kamerra 2 von einer
Abdeckung abgedeckt werden (in der Zeichnung nicht dargestellt),
so daß vom Sensor in der CCD-Kamera nur das vom hinteren
Bereich 19 der Oberfläche des Bauteils 5 zurückgestrahlte
Licht erfaßt wird. Zur Überprüfung des linken
Bereichs 19' des Meßbereichs A kann die Lichtquelle 4 ausgeschaltet
und die Lichtquelle 4' eingeschaltet werden, und eine Abdeckung
verdeckt den rechten Teil des Objektivs der CCD-Kamera 2. Bei
diesem zweiten Teil der Messung wird dann nur das von dem hinteren
Bereich 19' der Oberfläche des Bauteils 5 zurückgestrahlte
Licht von dem Sensor in der CCD-Kamera 2 erfaßt.
-
Ferner
kann folgendes Verfahren durchgeführt werden: Zunächst
wird die Lichtquelle 4 eingeschaltet, die den gesamten
Meßbereich A beleuchtet, wie in 2 gezeigt.
Es wird allerdings nur das von dem hinteren Bereich 19 der
Oberfläche des Bauteils 5 zurückgestrahlte
Licht ausgewertet. In einem zweiten Schritt wird die Lichtquelle 4 ausgeschaltet
und die Lichtquelle 4' eingeschaltet, und es wird nur das von
dem hinteren Bereich 19' zurückgestrahlte Licht ausgewertet.
-
Bei
der Ausführungsform nach 4 ist zusätzlich
zu den stabförmigen Lichtquellen 4, 4' noch eine
Streifenprojektionseinheit 3 vorhanden. Die Streifenprojektionseinheit 3 liegt
in etwa auf derselben Höhe wie die Lichtquellen 4, 4' und
die CCD-Kamera 2. Sie liegt allerdings zwischen den Lichtquellen 4, 4' und
dem Abstand von der CCD-Kamera 2. In Umfangsrichtung betrachtet
ist die Streifenprojektionseinheit 3 gegenüber
den Lichtquellen 4, 4' jeweils um 90° versetzt.
Durch die Streifenprojektionseinheit 3 wird gerichtetes
Licht unter einem bestimmten Winkel, nämlich dem Triangulationswinkel,
auf die Oberfläche des Bauteils 5 geworfen. Die
Streifenprojektionseinheit 3 projiziert ein Streifenmuster
auf die Oberfläche des Bauteils 5.
-
Beim
Betrieb der Vorrichtung nach 3 können
die Lichtquellen 4, 4' abgeschaltet und die Streifenprojektionseinheit 3 eingeschaltet
werden, wie in 4a gezeigt. Die von
der Streifenprojektionseinheit 3 auf die Oberfläche
des Bauteils 5 projizierten Streifen werden durch flächige
Verformungen dieser Oberfläche wie beispielsweise Dellen
oder Beulen verformt. Durch die Verformung der Streifen können
diese flächigen Verformungen von der CCD-Kamera 2 erkannt
und ausgewertet werden.
-
Ferner
ist es möglich, die Streifenprojektionseinheit 3 auszuschalten
und die Lichtquellen 4, 4' einzuschalten, wobei
diese Lichtquellen 4, 4' gleichzeitig leuchten
können oder abwechselnd eingeschaltet werden können.
Die Lichtquellen 4, 4' erzeugen eine Dunkelfeldbeleuchtung,
durch die es möglich ist, scharfkantige Fehlstellen wie
insbesondere Kratzer zu erkennen. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung mit
den Lichtquellen 4, 4' kann das verbesserte Verfahren
gemäß 3 durchgeführt werden.
Es ist allerdings auch möglich, die konventionellen Verfahren nach 1 und 2 anzuwenden.
-
Durch
die Erfindung kann die Baugröße der Prüfvorrichtung
minimiert werden, ohne den Einfallswinkel der Lichtstrahlen von
den Lichtquellen 4, 4' zu erhöhen und
damit an Empfindlichkeit zu verlieren. Dieser Winkel beschreibt
im wesentlichen die Empfindlichkeit der Messung. Wenn aus mechanischen Gründen
ein gewisser Abstand der Lichtquellen 4, 4' von
der Oberfläche des Bauteils 5 eingehalten werden
muß, ist bei einer geforderten Meßempfindlichkeit
und damit einem geforderten maximalen Einstrahlwinkel der Abstand
einer Lichtquelle 4, 4' von der Mittenachse der
CCD-Kamera 2 bzw. der Abstand der Lichtquellen 4, 4' voneinander
und damit die Baugröße der Prüfeinheit
vorgegeben. Um die Baugröße der Prüfeinheit
zu minimieren, ohne den Auftreffwinkel der Strahlung zu erhöhen
und damit an Empfindlichkeit zu verlieren, beleuchten die Lichtquellen 4, 4' nicht
jeweils gemeinsam den gesamten Meßbereich A, sondern jeweils
nur den hinteren Teil bzw. den gegenüberliegenden Teil.
Der Abstand zwischen den Lichtquellen 4, 4' kann
auf diese Weise reduziert werden, ohne daß sich der Auftreffwinkel
der Strahlung auf der Oberfläche des Bauteils 5 und
damit die Meßempfindlichkeit ändern.
-
Die
Erfindung kann in der Weise realisiert werden, daß die
Lichtquellen 4, 4' nur die jeweils gegenüberliegende
Seite des Meßbereichs A beleuchten, so daß bei
fehlerfreiem Bauteil das Licht größtenteils am
Sensor der CCD-Kamera vorbei reflektiert wird. Es ist auch eine
Beleuchtung von mehr als zwei Seiten, bis hin zu einer Ringbeleuchtung,
möglich. Es ist ebenfalls möglich, mit den Lichtquellen
nacheinander jeweils das gesamte Bildfeld zu beleuchten und bei
der Bildauswertung nur die jeweils gegenüberliegende Bildhälfte
zu berücksichtigen.
-
Bei
einem Streifenprojektionssensor fällt in der Regel von
der Streifenprojektionseinheit 3 gerichtetes Licht unter
einem bestimmten Winkel (Triangulationswinkel) auf das zu prüfende
Bauteil. Durch die Verformung der Streifen lassen sich flächige
Verformungen der Oberfläche wie beispielsweise Dellen und
Beulen erkennen. Die Detektion von scharfkantigen Fehlstellen wie
beispielsweise Kratzern ist mit einer Streifenprojektionseinheit
jedoch nur bedingt möglich, da das Licht von der Streifenprojektionseinheit
nur aus einer Richtung kommt. Dementsprechend wird eine zusätzliche
Aufnahme mit einer Beleuchtungsrichtung senkrecht zur Streifenprojektion aus
den Lichtquellen 4, 4' vorgenommen. Um die Baugröße
der Vorrichtung so kompakt wie möglich zu halten kann das
Verfahren nach 3 durchgeführt werden,
bei dem jeweils nur der hintere Bereich des Meßbereichs
bestrahlt wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202005011807
U1 [0010]
- - DE 102004026375 A1 [0010]
- - DE 102004058778 A1 [0010]
- - DE 102005031490 A1 [0010]