DE2801869A1 - Oberflaechenfehlerdetektor - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oberflachenfehlerdetektor und im einzelnen auf eine Einrichtung zum Erfassen irgendwelcher Fehler in der Oberfläche von im wesentlichen runde Querschnitte aufweisenden stangen- oder stabförmigen Materialien.

Ein Schweißstab ist ein typisches Beispiel für Materialien mit rundem Querschnitt, die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung überprüft werden können. Beim Herstellen solcher Schweißstäbe wird jeaer produzierte Stab einer visuellen überprüfung unterworfen, um irgendwelche Oberflächenfehler an einer Stufe unmittelbar vor dem abschließenden Verpackungsschritt festzustellen, damit aie Qualität (kommerzieller Wert) und das spezifizierte Leistungsvermögen der Schweißstäbe bei der Benutzung sichergestellt werden.

Die Schweißstäbe leiden leicht unter Fehlern im Zusammenhang mit einem teilweisen Abstreifen des Beschichtungsfluxmittels oder einem Ausbilden von in Axialrichtung oder ringförmig verlaufenden Rissen in dem Flux während des Produktionsvorgangs, insbesondere beim Beschichtungs- oder Trocknungsschritt, so daß es wichtig ist, solche Fehler zu erfassen, um die Qualität des Produkts zu gewährleisten.

Bisher wurden die Schweißstäbe einzeln und visuell beim abschliessenden Schritt des Produktionsverfahrens von einer inspizierenden Person überprüft und je nach Art sowie Größe des Fehlers aussortiert. Eine solche einzelne visuelle Überprüfung der Staboberfläche ist jedoch sehr zeitaufwendig und auch sehr ermüdend, wenn die überprüfungs- bzw. Uberwachungsgeschwindigkeit steigt, was zu einer nicht einwandfreien oder sogar irreführenden bzw. falschen Überwachungsentscheidung führen kann. Somit besteht die Gefahr, daß fehlerhafte Schweißstäbe durchgelassen und irrtümlicherweise als einwandfreie Produkte angesehen werden.

Gemäß dem US-Patent 3 43o o55 und vielen anderen Patenten werden verschiedene Arten von Oberflächenfehlerdetektoren unter Anwendung von Lichtstrahlen vorgeschlagen, wobei jedoch keiner dieser

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vorgeschlagenen Detektoren eine zufriedenstellende Lösung der obigen Probleme ermöglicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Oberflächenfehlerdetektors, der eine automatische Oberflächenüberwachung von im Querschnitt runden Stangen- oder Stabartikeln, wie von Schweißstäben, ermöglicht. Dieser soll sich durch eine besonders große Fehlererfassungsgenauigkeit auszeichnen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Oberflächenfehlerdetektor erfindungsgemäß aus durch eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, durch ein Materialfördermittel zum Befördern des zu überprüfenden Materials in einer zur Achse des Materials querverlaufenden Richtung unter Drehung des Materials um seine Achse, durch ein Mittel zum Abtasten der Materialoberfläche mit dem Laserstrahl in der axialen Richtung des sich um seine Achse drehenden Materials, durch ein optisches Mittel zum Bilden eines stationären optischen Bildes des Abtastmittels mit dem von der Materialoberfläche reflektierten Licht, durch ein an der Bildformungsposition vorgesehenes Lichtempfangsmittel und durch ein Verarbeitungsmittel, das die Ausgangsgröße von dem Lichtempfangsmittel aufnimmt, um die Fehlersignale zu unterscheiden. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Figur 2 - in einer Draufsicht die wesentlichen Teile des Ausführungsbeispiels aus Figur 1.

Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination einer optischen Fehler- bzw. Riß-Detektoreinheit und eines Materialdreh- sowie -fördersystems. Die Einrichtung ermöglicht eine Oberflächenüberprüfung über die volle Länge und den vollen Umfang eines stangen- oder stabförmigen Materials, wie eines Schweißstabes. Die optische Fehler-Detektoreinheit besitzt einen

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Abtastspiegel 11, mit dem. ein Laserstrahl in einem vorbestimmten Raum zu einem linearen Abtasten veranlaßt werden kann, ferner ein optisches Kondensor- bzw. Beleuchtungssystem 12 und einen Lichtempfänger 13, wobei diese Teile wie in Figur 2 dargestellt relativ zu dem Schweißstab 14 angeordnet sind, so daß ein stationäres Bild des optischen Punkts des Abtastspiegels an der Lichtaufnahmefläche des Lichtempfängers durch das Licht gebildet wird, das auf die Schweißstaboberfläche eingewirkt hat. Das Schweißstab-Dreh- und -Fördersystem besteht aus einem Schweißstab-Zufuhrmechanismus, einem Schweißstab-Drehmechanismus, der dazu bestimmt ist, jeden Schweißstab an einer fixierten Position oder längs der Bewegungsrichtung zu drehen, und einen Schweißstab-Abgabemechanismus. Der Schweißstab-Zufuhrmechanismus sorgt für ein Zuführen der Schweißstäbe zu dem Drehmechanismus, wobei die Schweißstäbe mit der Abtastrichtung des Abtastspiegels axial ausgerichtet gehalten werden. Der Schweißstab-Drehmechanismus ist so aufgebaut, daß er jeden Schweißstab an der Abtastposition des Abtastspiegels um seine eigene Achse drehen läßt, so daß der Spiegel eine Abtastung über die volle Länge und den vollen Umfang der Schweißstaboberflache durchführen kann. Der Schweißstab-Abgabemechanismus ist so gestaltet, daß er den inspizierten bzw. überprüften Schweißstab aus der Abtastposition entfernt. Es handelt sich somit um eine Kombination eines optischen Fehlerdetektors, der Oberflächenfehler bzw.-risse an dem Schweißstab aufgrund eines Diffraktionsbetriebes erfassen kann, und eines Schweißstab-Dreh- sowie -Fördersystems, welches ein fortlaufendes Durchführen der Zufuhr-, Dreh- und Abgabe- bzw. Ablaßschritte ermöglicht, wobei der Schweißstab so getragen wird, daß der optische Fehlerdetektor bezüglich der Fortbewegungsrichtung an der Vorder- oder Rückseite des überprüften Schweißstabes angeordnet ist. Aufgrund dieser Kombination kann die erfindungsgemäße Einrichtung die überwachende Person von der zeitaufwendigen Inspektionsbzw. Überwachungsarbeit befreien, wodurch sich eine bedeutende Arbeitseinsparung und Rationalisierung des Überwachungsvorgangs mit einem großen ökonomischen Effekt ergibt. Die Verwendung einer Laserlichtquelle ist vorteilhaft, da sie eine Vergrösserung des Verhältnisses zwischen dem Störsignal im Zusammenhang

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mit natürlichen Komponenten des Schweißstabes und dem Fehlersignal zuläßt , um die Einrichtung störbeständig und frei von fehlerhaften oder unterlassenen Erfassungsvorgängen zu machen, so daß sich insgesamt eine bedeutende Verbesserung der Überwachungszuverlässigkeit ergibt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

emäß Figur 1 besitzt die erfindungsgemäße Einrichtung im wesentlichen ein Schweißstab-Dreh- und -Fördersystem 15 sowie eine optische Fehler- bzw. Riß-Detektoreinheit 16. Das Dreh- und Fördersystem 15 besteht aus einem Bandförderaufbau 151 zum Tragen bzw. Bewegen der Schweißstäbe 14 in der Pfeilrichtung und aus einem Beschleunigungsförderaufbau 152, der so eingerichtet ist, daß jeder von dem Bandförderaufbau 151 getragene Schweißstab 14 eine Drehbewegung um seine eigene Achse an der Oberseite des Förderaufbaus durchführt, and zwar zumindest an der Stelle nahe dem Abgabeende des Aufbaues. Die Schweißstäbe 14 werden unter passenden Abständen auf dem Überführungs-Bandförderaufbau 151 so angeordnet, daß ihre axiale Längsrichtung transversal zur Bewegungsrichtung des Bandförderaufbaues 151 verläuft. Jeder von dem Bandförderaufbau 151 getragene Schweißstab 14 wird zu einer Drehung um seine eigene Achse veranlaßt, und zwar durch den Beschleunigungs-Bandförderaufbau 152, der nahe dem Abgabeende angeordnet ist. Schließlich wird jeder Schweißstab 14 auf einen Abgabe-Bandförderaufbau (nicht dargestellt) an dem Abgabeende überführt und hierdurch zu einer Stelle abtransportiert, in der keine Behinderung des Uberwachungsvorgangs stattfindet.

Der optische Fehlerdetektor 16 besitzt folgende Glieder: Eine Laserlichtquelle 161, die einen Lichtstrahl aussendet; einen Abtastspiegel 162, der den Laserstrahl von der Lichtquelle 161 reflektieren und eine lineare Abtastung an einer vorbestimmten Stelle durchführen kann; einen durchscheinenden bzw. halbdurchlässigen Spiegel 163, der an der vorbestimmten Stelle und an der Förderseite des Dreh- sowie Tragsystems angeordnet ist, so daß die Strahlen des von dem Abtastspiegel 162 kommenden Laserlichts

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an dem durchscheinenden bzw. halbdurchlässigen Spiegel reflektiert und gegen den Schweißstab 14 gerichtet werden, der von und zwischen den Bandförderbaugruppen 151 sowie 152 an der Abgabeseite des Systems 15 getragen wird, um auf diese Weise die Oberfläche des Schweißstabes axial abzutasten; ein Kondensor- bzw. Beleuchtungsglied 165, mit dem die Lichtstrahlen, die den halbdurchlässigen Spiegel 163 durchlaufen haben, zusammengefaßt werden, um ein stationäres Bild des reflektierten Lichts an der Lichtaufnahmeseite bzw. -fläche eines Lichtempfängers 164 zu bilden; einen Verstärker 166, mit dem das Ausgangssignal von dem Licntempfanger 164 in ein Eingabesignal umgesetzt wird; und eine Verarbextungseinheit, mit der das Signal vom Verstärker 166 für eine Spitzen- oder Brextenunterscheidung einem Bearbeitungsvorgang unterworfen wird, wie einer Differentiation, um automatisch zu entscheiden, ob irgendein Fehler vorliegt oder nicht vorliegt.

Ein stationäres Bild des optischen Punktes des Abtastspiegels 162, das dem Oberflächenzustand des Abtastpunktes an der Schweißstaboberfläche entspricht, wird an der Lichtaufnahmefläche des Lichtempfängers 164 gebildet, und der der Lichtmenge entsprechende Signalpegel wird durch ein bekanntes Behandlungs- bzw. Verarbeitungsglied 167 unterschieden (discriminated), um so eine überwachung über die volle Länge und den gesamten Umfang der runden Oberfläche eines jeden Schweißstabes durchzuführen.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung mit den oben beschriebenen baulichen Einzelheiten wird jeder zu überprüfende Schweißstab 14 unter Drehung um seine eigene Achse zu der optischen Fehlerdetektoreinheit 16 getragen bzw. bewegt, und zwar durch den Beförderungs-Bandförderaufbau 151 und den Beschleunigung s-Bandforderaufbau 152 des Schweißstabdreh- und -fördersystems 15. Dabei erfolgt eine Abtastung durch den Laserstrahl an der in der Bewegungsrichtung liegenden Vorderseite des Schweißstabes 14 und in dessen axialen Richtung. Wenn die Abtastgeschwindigkeit sehr viel größer als die Drehzahl des Schweißstabes ist, wird die gesamte Oberfläche des Schweißstabes bei einer Drehung desselben abgetastet. Die Information bezüglich des Oberflä-

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chenzustandes des Schweißstabes an dem Abtastpunkt ergibt sich als eine Änderung im stationären Bild des optischen Punktes des Abtastspiegels 162, das auf der Lichtempfangsfläche des Lichtempfängers gebildet wird. Eine solche Änderung wird von dem Licht· empfänger 164 erfaßt und in das Verarbeitungsglied 167 eingegeben welches entscheidet, ob oder ob nicht irgendein Fehler vorliegt. Ein das Vorhandensein oder Fehlen eines Fehlers bzw. Risses anzeigendes Signal wird für jeden Schweißstab an der Ausgangsseite des Verarbeitungsgliedes 167 abgegeben.

Wenn das Zuführen, Drehen und Abführen der Schweißstäbe durch das Zusammenwirken des tragenden Bandförderaufbaus 151 sowie des Beschleunigungs-Bandförderaufbaus 152 aufeinanderfolgend durchgeführt werden, ergibt sich ein gleichförmiger Strom von Schweißstäben 14 auf dem Fördersystem, und ferner werden die mit dem optischen Fehlerdetektor 16 durchgeführten Fehlerentscheidungsvorgänge beschleunigt. Da ferner der Laserstrahl auf die Oberfläche des Schweißstabes an der Vorder- oder Rückseite bezüglich der Bewegungsrichtung aufgebracht wird, besteht keine Gefahr für fehlerhafte Erfassungsvorgänge, auch wenn der Schweißstab 14 von der Position A zur Position B aus Figur 2 bewegt wird. Somit bleibt der tiberprüfungsvorgang unbeeinflußt von jeglicher Lageänderung in der horizontalen Richtung, das heißt von jeglicher Geschwindigkeitsänderung der Bandförderer. Wenn die Verhältnisse zwischen den Fehlersignalen von den fehlerhaften Teilen und den Störsignalen von den körpereigenen Komponenten einmal mit einem normalen Reflexionssystem und einmal mit der erfindungsgemäßen Einrichtung für verschiedene Fehlerarten gemessen werden, ergeben sich die S/N Verhältnisse (S: Signale aufgrund der Fehlerkomponente, N: Störsignale aufgrund der körpereigenen Komponente) aus der folgenden Tabelle.

Fehlerart

Normales	Erfindungsgemäße
Reflexionssystem	Einrichtung
1	4-5
1 - 3	8-9
1	5-7
	4

Ablöse- bzw. Abstreiffehler
Axiale Risse
Ringförmige Risse
Kratzer

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Da eine Fehlererfassung möglich ist, wenn das Verhältnis von S/N größer als 3 ist, ergibt sich hieraus, daß die erfindungsgemäße Einrichtung in hervorragender Weise verschiedenartige Fehlertypen erfassen kann und auch eine sehr genaue Fehlererfassung ermöglicht.

Während die vorliegende Erfindung an einer Ausführungsform beschrieben wurde, bei der das Schweißstab-Dreh- und -Fördersystem aus Bandförderbaugruppen besteht, die entsprechend aufgebaut sind, um die zu überprüfenden Schweißstäbe zu tragen sowie zu drehen, ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung nicht auf eine solche Einrichtung beschränkt; der Schweißstab-Zufuhrmechanismus, der Drehmechanismus zum Drehen eines jeden Schweißstabes an einer festen Position und der Schweißstab-Abgabemechanismus können in einer gegenseitig funktionell separaten Beziehung aufgebaut sein. Dieser Aufbau eignet sich für eine Überprüfung bei langsamer Geschwindigkeit. Die Querschnittsform des zum Abtasten der Schweißstaboberfläche benutzten Lichtstrahls muß nicht kreisförmig bzw. rund sein. Der Strahl kann so geformt sein, daß er beim Auftreffen auf die Materialoberfläche in der Abtastrichtung kurz und in der hierzu rechtwinkligen Richtung langgestreckt ist. In diesem Fall wird der Einfluß aufgrund einer vertikalen Lageveränderung des Schweißstabes verringert, so daß eine größere Toleranz bezüglich vertikaler Lageveränderungen der Schweißstäbe während des Transportvorganges derselben zugelassen werden kann, was eine größere Vielseitigkeit bezüglich der Gestaltung des Schweißstab-Dreh- und -Fördersystems ermöglicht.

Gemäß den obigen Ausführungen beinhaltet die Erfindung somit einen Oberflachenfehlerdetektor, der eine automatische Fehlerüberwachung über die gesamte Länge und den gesamten Umfang der Schweißstaboberfläche mit großer Geschwindigkeit und Genauigkeit ermöglicht.

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Claims (3)

1. G 51 294 -su

   Firma KOBE STEEL, LTD., 3-18, 1-Chome, Wakinohama Cho, Fukiai-Ku, Kobe (Japan)

   Oberflächenfehlerdetektor

   Patentansprüche

   Oberflächenfehlerdetektor, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (161) zum Erzeugen eines Laserstrahls, durch ein Materialfördermittel (15, 151, 152) zum Befördern des zu überprüfenden Materials (14) in einer zur Achse des Materials (14) querverlaufenden Richtung unter Drehung des Materials (14) um seine Achse, durch ein Mittel (162) zum Abtasten der Materialoberfläche mit dem Laserstrahl in der axialen Richtung des sich um seine Achse drehenden Materials (14), durch ein optisches Mittel (165) zum Bilden eines stationären optischen Bildes des Abtastmittels mit dem von der Materialoberfläche reflektierten Licht, durch ein an der Bildformungsposition vorgesehenes Lichtempfangsmittel (164) und durch ein Verarbeitungsmittel (166, 167), das die Ausgangsgröße von dem Lichtempfangsmittel (164) aufnimmt, um die Fehlersignale zu unterscheiden.
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialbeförderungsmittel einen materialbeschleunigenden Förderaufbau (152) und einen materialtragenden Förderaufbau (151) aufweist, wobei die Drehzahl des Materials auf dem tragenden Förderaufbau (151) durch den beschleunigenden Förderaufbau (152) gesteuert wird.
3. 3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl querschnittsmäßig so geformt ist, daß er beim Aufbringen auf die Oberfläche des Materials (14) in einer zu dessen Achse rechtwinkligen Richtung länglich ist.

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