DE19713973A1 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Prüfen der Mantelfläche zylindrischer Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Prüfen der Mantelfläche zylindri­ scher Körper, wie Wellen, Kolbenstangen, Achsen und dergleichen.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derar­ tigen Verfahrens.

Bei der Herstellung von zylindrischen Werkstücken können durch prozeßbedingte oder durch andere Ursachen hervorgerufene Oberflächenfehler, beispielsweise Kratzer oder Risse, auftreten. Derartige Fehler müssen erkannt und die schadhaften Werkstücke ausgesondert werden.

Als bekannte Verfahren zum Erkennen derartiger Fehler sind zum Beispiel die Wirbel­ stromprüfung oder die Farbeindringmethode zu nennen. Diese Prüfverfahren sind je­ doch verhältnismäßig aufwendig und unflexibel. So ist die Wirbelstromprüfung bei­ spielsweise nur an elektrisch leitfähigen Werkstücken möglich. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß diese Prüfverfahren bei hohen Fertigungstakten eine 100%- Prüfung während des Produktionsprozesses der Werkstücke nicht zulassen. Eine sol­ che 100%-Prüfung ist jedoch insbesondere bei hohen Qualitätsanforderungen an die Werkstückoberfläche unerläßlich. Allgemein bekannte optische Meßverfahren bringen hier Abhilfe. Problematisch dabei ist jedoch, die zu prüfende Oberfläche zum einen so mit einer Kamera oder einem Kamerasystem zu sichten und zum anderen so zu be­ leuchten, daß mit einem minimalen Aufwand an Gerätschaften ein Maximum an Ro­ bustheit und Prüfgeschwindigkeit erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zum optischen Prüfen der Mantelflä­ che zylindrischer Körper ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die sich ei­ nerseits durch einen möglichst geringen Aufwand auszeichnen und andererseits eine große Prüfgeschwindigkeit zulassen. Darüber hinaus soll die Vorrichtung möglichst robust sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist, und mit einer Vorrichtung, wie sie im Anspruch 3 definiert ist, erfindungsgemäß gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unter­ ansprüche 2 bzw. 4 bis 12.

Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung für Prüflinge, die eine bestimmte vorgegebene Länge nicht überschrei­ ten,

Fig. 1b ein optisches Bauteil der Prüfvorrichtung gemäß Fig. 1a in Draufsicht,

Fig. 1c ein weiteres optisches Bauteil der nämlichen Prüfvorrichtung in Drauf­ sicht,

Fig. 2a eine zweite, für Prüflinge beliebiger Länge geeignete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,

Fig. 2b ein optisches Bauteil der Prüfvorrichtung gemäß Fig. 2a in Draufsicht und

Fig. 2c eine Einzelheit des optischen Bauteils gemäß Fig. 2b.

Die Prüfvorrichtung gemäß den Fig. 1a,b und c verfügt über eine Beleuchtungs­ einrichtung, bestehend aus einer Lichtquelle 1 zum Erzeugen eines kollimierten Licht­ strahles 2, einem Reflektorkörper 3 mit verspiegelten Flächen 4 und 5 und aus einem teildurchlässigen Spiegel 6. Die verspiegelte Fläche 4 hat die Form der Mantelfläche eines Kegels, die hier eine Neigung zur Kegelachse von 45° aufweist. Der die verspie­ gelte Fläche 4 tragende Kegel sitzt dabei im Zentrum einer Scheibe, die im Bereich ihres Randes, der Kegelmantelfläche gegenüberliegend die verspiegelte Fläche 5 trägt, die eine bezüglich der Kegelachse rotationssymmetrische Konusfläche ist. Die Konus­ fläche ist so geneigt, daß die beim Schnitt dieser Fläche 4 und der Fläche 5 mit einer Ebene, in der die Kegelachse liegt, entstehenden unmittelbar gegenüberliegenden Schnittlinien einen spitzen Winkel bilden. Die Anordnung der Spiegelflächen 4 und 5 bewirkt, daß der von der Lichtquelle 1 koaxial auf den Kegel gerichtete Lichtstrahl 2 mit kreisförmigem Querschnitt durch Reflexion zunächst an der Spiegelfläche 4 und sodann an der Spiegelfläche 5 in einen in Lichtausbreitungsrichtung konvergent zulau­ fenden Lichtstrahl 7 mit ringförmigem Querschnitt überführt wird. Dieser Lichtstrahl 7 wird schließlich mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels 6 in Richtung eines zylindri­ schen Prüflings 8 gelenkt. Der teildurchlässige Spiegel 6 und der Prüfling 8 sind dabei so zueinander ausgerichtet, daß der Lichtstrahl 7 die Mantelfläche des Prüflings 8 zumindest auf einem Teil seiner Länge gleichmäßig beleuchtet. Der konvergent zu­ laufende Lichtstrahl 7 fällt dabei bezüglich der Prüflingslängsachse 9 unter einem klei­ nen Winkel auf die Prüflingsoberfläche, wobei der Einfallswinkel entlang des beleuch­ teten Zylinderabschnittes näherungsweise als konstant anzusehen ist.

Die Prüfvorrichtung gemäß den Fig. 1a,b und c verfügt ferner über ein Bilderfas­ sungssystem, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Reflektorkörper 10, in dessen Zentrum sich eine zylinderförmige Öffnung 11 befindet und der eine verspie­ gelte Oberfläche 12 aufweist, sowie aus einer Kamera 13. Der Durchmesser der zy­ linderförmigen Öffnung 11 ist größer als der Durchmesser des Prüflings 8, so daß die­ ser durch die Öffnung 11 hindurchbewegt werden kann. Die verspiegelte Oberfläche 12 des Reflektorkörpers 10 hat die Form einer bezüglich der Längsachse 9 rotations­ symmetrischen 45°-konischen Fläche. Die Kamera 13 ist auf der Verlängerung der Prüflingslängsachse 9 angeordnet und zwar so, daß die Kamera 13 mit ihrem Sicht­ feld 14 durch den teildurchlässigen Spiegel 6 hindurch und über die verspiegelte Oberfläche 12 des Reflektorkörpers 10 quasi senkrecht auf die Mantelfläche des Prüflings 8 blickt. Der Reflektorkörper 10 ist dabei so positioniert, daß die Kamera 13 stets auf den Bereich der Mantelfläche des Prüflings 8 blickt, der vom Lichtstrahl 7 nach Art einer Dunkelfeldbeleuchtung in einem flachen Winkel beleuchtet wird.

Ist die Oberfläche des Prüflings 8 frei von Kratzern, Rissen oder ähnlichen fehlerhaften Stellen, so sieht die Kamera 13 ein gleichmäßiges dunkles Bild. Sind jedoch auf der Oberfläche Fehler vorhanden, so wird das eingestrahlte Licht an den Fehlstellen gestreut, die dann von der Kamera 13 als helle Flecken erkennbar sind. Während des Prüfvorganges wird der Prüfling 8 durch die Öffnung 11 des Reflektorkörpers 10 in die Prüfvorrichtung hineinbewegt und wieder herausgezogen. Dabei nimmt die Kamera 13 in vorgegebenen zeitlichen Abständen Bilder auf und tastet somit die gesamte Mantelfläche des Prüflings 8 ab. Wahlweise kann die Oberfläche beim Hineinfahren oder beim Herausziehen geprüft werden. Zwecks Plausibilitätsprüfung ist es aber auch genausogut möglich, sowohl beim Hinein- als auch beim Hinausbewegen des Prüflings 8 Bilder aufzunehmen.

Die beschriebene Prüfvorrichtung ist für Prüflinge geeignet, die eine bestimmte Länge nicht überschreiten.

Die Fig. 2a, b und c zeigen eine Prüfvorrichtung, die zum Prüfen der Mantelfläche von zylindrischen Prüflingen beliebiger Länge eingesetzt werden kann. Diese Prüfvor­ richtung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen durch ein zusätzlich im Strahlengang angeordnetes Spiegelsystem 15 und dadurch, daß die Kamera 13 hier bezüglich der Prüflingslängsachse 9 achsparallel versetzt angeordnet ist. Baugleiche Teile der Beleuchtungseinrichtung und des Bilderfassungssystems sind im übrigen mit den nämlichen Bezugszeichen versehen wie sie bei der Prüfvorrichtung gemäß den Fig. 1a, b und c verwendet wurden. Auch bei der Prüfvorrichtung gemäß den Fig. 2a, b und c wird zunächst der von der Lichtquelle 1 koaxial auf den Kegel des Re­ flektorkörpers 3 gerichtete kollimierte Lichtstrahl 2 mit kreisförmigem Querschnitt durch Reflexion zuerst an der Spiegelfläche 4 und danach an der Spiegelfläche 5 des Reflektorkörpers 3 in einen in Lichtausbreitungsrichtung konvergent zulaufenden Lichtstrahl 7 mit ringförmigem Querschnitt überführt. Dieser Lichtstrahl 7 wird nun aber nicht mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels 6 direkt in Richtung des Prüflings 8 gerichtet sondern zunächst in Richtung des Spiegelsystems 15. Das Spiegelsystem 15 verfügt über ein erstes Paar ebener, im gewählten Beispiel rechteckiger Spiegelflä­ chen 16, die in einem rechten Winkel zueinander stehen und eine dachähnliche Anordnung bilden, sowie über ein zweites Paar ebener Spiegelflächen 17, die gleich­ falls in einem rechten Winkel zueinander stehen und eine dachähnliche Anordnung bilden, jedoch zusätzlich im Bereich der Mitte ihrer gemeinsamen Kante (Dachkante) eine Öffnung 18 aufweisen, deren Durchmesser größer als der Prüflingsdurchmesser ist. Darüber hinaus verfügt das Spiegelsystem 15 über vier weitere ebene, im gewähl­ ten Beispiel rechteckige Spiegelflächen 19, 20, 21 und 22. Die Spiegelflächen 19, 20, 21 und 22 sind so angeordnet, daß die Ebenen jeweils benachbarter Spiegelflächen senkrecht zueinander stehen und die Ebenen gegenüberliegender Spiegelflächen einander parallel sind. Zwischen den benachbarten Spiegelflächen 19 und 20 ist das Spiegelflächenpaar 16 und zwischen den benachbarten Spiegelflächen 21 und 22 das Spiegelflächenpaar 17 plaziert und zwar jeweils in der Weise, daß die Dachkanten der Spiegelflächenpaare 16 und 17 auf einer Linie liegen und diese Linie eine der Diagona­ len im Rechteck darstellt, das als Schnittfigur der Ebenen, in denen die Spiegelflächen 19, 20, 21 und 22 liegen, und einer zu diesen Ebenen senkrechten Ebene ent­ steht. Abweichend von der in Fig. 2b dargestellten Ausbildungsform mit zwei bau­ teilmäßig voneinander getrennten Spiegelflächenpaaren 16, 17 ist es selbstverständ­ lich auch denkbar, diese Spiegelflächenpaare auf einem einzigen dachförmigen Bauteil anzuordnen. Die Verwendung eines solchen Bauteiles bietet den Vorteil eines geringeren Justageaufwandes beim Aufbau des Spiegelsystems 15.

Das Spiegelsystem 15 bewirkt, daß der mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels 6 mit seinem Strahlzentrum senkrecht auf die Dachkante des Spiegelflächenpaares 16 ge­ richtete, einen ringförmigen Querschnitt aufweisende Lichtstrahl 7 zunächst in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, wovon der eine Teilstrahl von der einen Spiegelfläche des Spiegelflächenpaares 16 in Richtung Spiegelfläche 19 und der andere Teilstrahl von der anderen Spiegelfläche des Spiegelflächenpaares 16 in die entgegengesetzte Rich­ tung, d. h. zur Spiegelfläche 20 gelenkt wird. Der auf die Spiegelfläche 19 treffende Teilstrahl wird von dieser Spiegelfläche 19 zur Spiegelfläche 21 und von der Spiegel­ fläche 21 zu einer der Spiegelflächen des Spiegelflächenpaares 17 reflektiert. Der auf die Spiegelfläche 20 treffende Teilstrahl wird hingegen von dieser Spiegelfläche 20 zur Spiegelfläche 22 und von dieser Spiegelfläche 22 zur anderen Spiegelfläche des Spiegelflächenpaares 17 reflektiert.

Von den Spiegelflächen des Spiegelflächenpaares 17 gelangen die Teilstrahlen schließlich zum mit seiner Längsachse 9 senkrecht zur Dachkante ausgerichteten und durch die Öffnung 18 hindurchbewegbaren Prüfling 8, wobei derselbe zumindest auf einem Teil seiner Länge, d. h. auf einem Zylinderabschnitt, gleichmäßig beleuchtet wird, mit der Besonderheit, daß hier jeder dieser Teilstrahlen jeweils eine Halbzylin­ derfläche des Zylinderabschnitts beleuchtet. Die Teilstrahlen fallen dabei bezüglich der Prüflingslängsachse 9 wie der Lichtstrahl 7 bei der vorstehend vorgestellten Prüfvor­ richtung unter einem kleinen Winkel auf die Prüflingsoberfläche.

Das den beleuchteten Zylinderabschnitt des Prüflings 8 radial verlassende Streulicht wird mittels 45°-konischer Spiegelfläche 12 des Reflektorkörpers 10 in Richtung Spiegelflächenpaar 17 gelenkt, durchläuft danach das Spiegelsystem 15 in umgekehr­ ter Richtung wie das Beleuchtungslicht, wird schließlich vom Spiegelflächenpaar 16 in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 6 reflektiert, passiert denselben und wird letztlich von der dahinter angeordneten Kamera 13 erfaßt.

Bei dieser Prüfvorrichtung kann der Prüfling 8 komplett durch die Vorrichtung hin­ durchgeführt werden, so daß Prüflinge beliebiger Länge untersucht werden können. Wegen ihres schmalen Aufbaus ist diese Prüfvorrichtung besonders geeignet, in ein Transportsystem im Fertigungsprozeß integriert zu werden.

Beide Prüfvorrichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie lediglich mit einer einzigen Kamera, z. B. einer CCD- oder Photodioden-Array-Kamera, zur Erfassung eines kom­ pletten Zylinderabschnittes der Prüflingsoberfläche auskommen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle des teildurchlässigen Spiegels 6 einen Ringspiegel einzusetzen.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Kamera 13 durch einen anderen Detek­ tor zu ersetzen. Kommt es z. B. nur darauf an, festzustellen, ob der Prüfling 8 Oberflä­ chenfehler aufweist, d. h. ohne genaue Lokalisierung derselben, so kann als Detektor auch eine PSD (Position Sensitive Diode) zum Einsatz kommen.

Claims (13)

1. Verfahren zum optischen Prüfen der Mantelfläche zylindrischer Körper, wie Wellen, Kolbenstangen, Achsen und dergleichen, bei dem zunächst ein kolli­ mierter Lichtstrahl mit kreisförmigem Querschnitt erzeugt wird, dieser Licht­ strahl sodann in einen konvergent zulaufenden Lichtstrahl mit ringförmigem Querschnitt überführt wird und der konvergent zulaufende Lichtstrahl so in Richtung des zylindrischen Körpers gelenkt wird, daß der konvergent zulaufen­ de Lichtstrahl bezüglich der Körperlängsachse unter einem kleinen Winkel auf die Mantelfläche fällt, und dabei zumindest ein Zylinderabschnitt des Körpers gleichmäßig beleuchtet wird, und bei dem mit einem Lichtsignalerfassungs­ system das den beleuchteten Zylinderabschnitt radial verlassende Streulicht erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergent zulaufende Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt wird und jeder dieser Teilstrahlen eine Halbzylinderfläche des Zylinderabschnitts be­ leuchtet.

3. Vorrichtung zum optischen Prüfen der Mantelfläche zylindrischer Körper, ins­ besondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus

• - einer Beleuchtungseinheit mit
  • - einer Lichtquelle (1) zum Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahles mit kreisförmigem Querschnitt,
  • - einem optischen Bauelement, das den Lichtstrahl mit kreisförmigem Querschnitt in einen konvergent zulaufenden Lichtstrahl (7) mit ringförmigem Querschnitt überführt und
  • - einem teildurchlässigen Spiegel (6), der den konvergent zulaufenden Lichtstrahl (7) so in Richtung des zylindrischen Körpers (8) lenkt, daß dieser Lichtstrahl (7) bezüglich der Körperlängsachse (9) unter einem kleinen Winkel auf die Mantelfläche fällt und daselbst zumindest einen Zylinderabschnitt gleichmäßig beleuchtet, und

bestehend aus

• - einem Lichtsignalerfassungssystem mit
  • - einem rotationssymmetrischen Reflektorkörper (10), der in seinem Zentrum eine Öffnung (11) aufweist, durch die der zylindrische Körper (8) bewegbar ist, und der über eine bezüglich der Längsachse (9) 45°-konische Spiegelfläche (12) verfügt, mit der das den beleuchteten Zylinderabschnitt radial verlassende Streulicht in Richtung des teildurchlässigen Spiegels (6) gelenkt wird, und
  • - einem das den teildurchlässigen Spiegel (6) passierende Streulicht erfassenden Detektor.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement, das den Lichtstrahl mit kreisförmigem Quer­ schnitt in einen konvergent zulaufenden Lichtstrahl (7) mit ringförmigem Quer­ schnitt überführt, ein Reflektorköper (3) ist, der über eine erste Spiegelfläche (4) verfügt, die die Mantelfläche eines im Zentrum einer Scheibe angeordneten Kegels ist, und der eine zweite Spiegelfläche (5) aufweist, die eine im Bereich des Scheibenrandes und koaxial zum Kegel angeordnete Konusfläche ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelmantelfläche eine Neigung zur Kegelachse von 45° aufweist und die Konusfläche so geneigt ist, daß die beim Schnitt dieser Spiegelflächen (4 und 5) mit einer Ebene, in der die Kegelachse liegt, entstehenden unmittel­ bar gegenüberliegenden Schnittlinien einen Winkel kleiner 90° bilden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Strahlengang ein Spiegelsystem (15) angeordnet ist, das den vom teildurchlässigen Spiegel (6) kommenden konvergent zulaufenden Licht­ strahl (7) in zwei Teilstrahlen zerlegt und achsparallel versetzt diese Teilstrah­ len so in Richtung des zylindrischen Körpers (8) lenkt, daß jeder dieser Teil­ strahlen eine Halbzylinderfläche des Zylinderabschnittes beleuchtet, und das das vom Reflektorkörper (10) reflektierte die beleuchteten Halbzylinderflächen radial verlassende Streulicht in Richtung teildurchlässiger Spiegel (6) lenkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem (15) über ein erstes Paar und ein zweites Paar in einem rechten Winkel zueinanderstehende und eine dachähnliche Anordnung bildende ebene Spiegelflächen (16 bzw. 17) verfügt, wobei das erste Spiegelflächenpaar (16) den vom teildurchlässigen Spiegel (6) kommenden Lichtstrahl (7) in zwei Teilstrahlen zerlegt und das zweite Spiegelflächenpaar (17) im Bereich der Dachkantenmitte eine Öffnung (18) aufweist, durch die der zylindrische Körper (8) axial bewegbar ist, und daß das Spiegelsystem (15) über vier weitere ebene Spiegelflächen (19, 20, 21 und 22) verfügt, die so angeordnet sind, daß die Ebenen jeweils benachbarter Spiegelflächen senkrecht zueinander stehen und die Ebenen gegenüberliegender Spiegelflächen einander parallel sind, und daß das erste Spiegelflächenpaar (16) so zwischen zwei benachbar­ ten Spiegelflächen (19, 20) und das zweite Spiegelflächenpaar (17) so zwi­ schen den beiden übrigen Spiegelflächen (21, 22) plaziert ist, daß die Dachkan­ ten der Spiegelflächenpaare (16, 17) auf einer Linie liegen und diese Linie eine der Diagonalen im Rechteck darstellt, das als Schnittfigur der Ebenen, in denen die Spiegelflächen (19 bis 22) liegen, und einer zu diesen Ebenen senkrechten Ebene entsteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächenpaare (16, 17) auf einem einzigen dachförmigen Bauteil angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor als PSD ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Photodioden-Array-Kamera ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine CCD-Kamera (13) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Spiegel (6) durch einen Ringspiegel ersetzt ist.