Qualität gespiegelt

Deflektometrie eröffnet breites Spektrum für die Oberflächeninspektion

  • Grundsätzlicher Aufbau der Phasenschiebenden DeflektometrieGrundsätzlicher Aufbau der Phasenschiebenden Deflektometrie
  • Grundsätzlicher Aufbau der Phasenschiebenden Deflektometrie
  • Graubild einer Aluminium-Oberfläche: Unzulässige Auffälligkeit
  • Modulationsbild einer Aluminium-Oberfläche: Zulässige Auffälligkeit
  • Neigungsbild: Unzulässige Auffälligkeit
  • Krümmungsbild: Zulässige (grün) und unzulässige (rot) Auffälligkeiten

Die Bestimmung der Oberflächenqualität durch Sichtprüfung ist notwendig, wenn die zugesicherten Eigenschaften technischer oder dekorativer Oberflächen nicht alleine durch den Fertigungsprozess gewährleistet sind. Allerdings sind Sichtprüfungen per­sonalintensiv, unterliegen Schwankungen und sind nur mit großem Trainingsaufwand portierbar. Rationalisierungsdruck, das Anstreben der Null-Fehler-Produktion und die Verfolgung gleicher Qualitätsstandards an unterschiedlichen Standorten motiviert die Automatisierung von Sichtprüfungen in der Produktion branchenübergreifend.


Carl Zeiss unterstützt dies mit der Entwicklung eines Produktes zur automatisierten Beurteilung von Oberflächenqualitäten. Ziel ist es, mit einem Verfahren unter den Einsatzbedingungen einer ­Fertigungsumgebung unterschiedlichste ­Anwendungsfälle abzudecken. Dieses Verfahren muss ein breites Spektrum an Oberflächen mit unterschiedlichen Reflektionseigenschaften und verschiedenen Geometrien der Prüflinge bewältigen und dabei robuste und reproduzierbare Ergebnisse liefern.


Analog zur Sichtprüfung
Ideal zur Meisterung dieser Anforderungen eignet sich das Verfahren der De­flektometrie. Der grundsätzliche Aufbau ­besteht aus einer Kamera und einer Musterfläche. Kamera, Prüfobjekt und Musterfläche sind so angeordnet, dass sich aus Sicht der Kamera die Musterfläche auf dem Prüfobjekt spiegelt. Die Spiegelung der Musterfläche erscheint dann abhängig von der Oberflächenform und entsprechend dem Reflexionsgesetz verzerrt. Dieses Verfahren ist stark dem Verhalten eines Sichtprüfers nachempfunden, der ebenfalls aus Reflexen auf der Oberfläche deren Qualität und Defektfreiheit beurteilt.
Als Prüfmuster haben sich sinusförmige Streifenmuster bewährt, die mit dem Phasenschiebe-Verfahren verwendet werden, das auch aus der Interferometrie und Streifenprojektion bekannt ist. Besonderer Vorteil des Verfahrens ist die Generierung mehrerer Informationskanäle für die Bildverarbeitung. Im Vergleich zu Standard-Grauwertbildverfahren führt dies zu höherer Stabilität und besserer Erkennungsleistung.
Die Beleuchtungseinheit erzeugt ein in mehreren konstanten Schritten phasenverschobenes Streifenmuster.

Nach jedem Schritt erfolgt eine Bildaufnahme vom Prüfobjekt, d. h. je Objektpunkt und pro Schritt wird ein Helligkeitswert ermittelt. Diese äquidistanten Abtastwerte des Sinusmusters ermöglichen die Berechnung der Phasenlage der Streifen und liefern die Information, an welchem Ort der Musterfläche der Musterreflex erzeugt wurde. Die Orientierungen von Kamera-Sehstrahl und bekanntem Ort auf der Musterfläche bestimmen so die Richtung der Oberflächennormalen, die wiederum die Neigung der Oberfläche beschreibt.


Drei Informationskanäle
Im ersten Informationskanal entsteht auf diese Weise ein Punkt für Punkt erstelltes ‚Neigungsbild‘, welches sehr aussagekräftig für eine Vielzahl von Oberflächenfehlern wie z. B. Dellen, Beulen und Lackläufern ist. Durch Differenzieren entsteht aus dem ‚Neigungsbild‘ ein ‚Krümmungsbild‘, in dem insbesondere kleinräumige geometrische Fehler mit ausgeprägten Kanten gut sichtbar sind, so z. B. Lunker, Pickel, Kerben und Kratzer.
Der zweite Informationskanal‚ das ‚Modulationsbild‘, zeigt an, wie stark die Sinusschwingung an einem bestimmten Punkt auftritt und repräsentiert den lokalen Glanzgrad einer Oberfläche. Diese Darstellung liefert wichtige Hinweise über matte Stellen, wie sie z. B. bei Schmutz, Kratzern und Beschichtungsfehlern auftreten.
Der dritte Informationskanal schließlich, das Grauwertbild, ist durch seine Synthese aus den phasenverschobenen Grundbildern besonders rauscharm. Eine spezielle Anordnung der Beleuchtungseinheit bietet zudem eine sehr homogene Ausleuchtung der Bilder, auch in den ­kritischen Randbereichen gekrümmter Oberflächen.


Dynamische Streifenmuster
Für die Prüfung eines breiten Spektrums an Oberflächen mit unterschiedlichen Glanzeigenschaften bietet die Verwendung sinusförmiger Streifen einen weiteren entscheidenden Vorteil: spiegelt die Oberfläche des Prüflings nicht perfekt, sondern weist eine mehr oder weniger breite Streukeule auf, werden die Sinusstreifen zwar abgeschwächt, jedoch nicht in ihrem Signalcharakter geändert. Dadurch erstreckt sich der Einsatzbereich neben typischen ‚Glänzern‘ wie lackierten, verchromten oder Kunststoff-Oberflächen auch auf z. B. gedrehte, gestrahlte und geschliffene Metalloberflächen.
Die Musterfläche samt Mustererzeugung ist eine maßgebliche Komponente des Deflektometrie-Aufbaus. Der flexible Einsatz bei unterschiedlichen Prüflingen erfordert es, die Muster dynamisch verändern zu können. Da die Neigung einer Oberfläche zwei Freiheitsgrade besitzt, kommen zwei Aufnahmesequenzen mit um 90° gedrehten Mustern zum Einsatz. Eine hohe Lichtstärke garantiert eine gute Ausleuchtung der Bilder auch bei Zeilenkameras mit ihren kurzen Belichtungszeiten. Wegen ihrer Vorteile bezüglich Flexibilität bei der Mustererzeugung, Helligkeit und Lebensdauer wurden als Beleuchtungseinheit zur Mustererzeugung LED-Arrays ausgewählt.
Die Bildaufnahme erfolgt mit in der industriellen Bildverarbeitung üblichen CCD- oder CMOS-Kameras. Wichtig ist beim eingesetzten Verfahren eine gute Linearität, da sonst die Phasenberechnung aus mehreren Bildern Ungenauigkeiten aufweisen kann. Zur Synchronisation der Aufnahmen mit den wechselnden Mustern müssen die Kameras fremd-triggerbar sein. Die Skalierbarkeit des Systems durch den simultanen Einsatz mehrerer Kameras garantiert die optimale Anpassung an die konkrete Aufgabenstellung.


Skalierbar und flexibel
Die Bildverarbeitung nutzt die in den Kanälen Grauwertbild, Neigungsbild und Modulationsbild bereitgestellten Informationen. Die Auswertung erfolgt pixelgenau über alle Kanäle und berücksichtigt dabei auch Abhängigkeiten zwischen den Kanälen. Zeigen z. B. zwei Auffälligkeiten im Grauwertbild keinen Unterschied, erlauben die zusätzlichen Kanäle eine weitere Differenzierung und erhöhen so die Genauigkeit der Bewertung.
Das neue Produkt aus dem Hause Carl Zeiss wird Anfang 2010 verfügbar sein. Es unterstützt in der Sichtprüfung übliche, ‚handliche‘ Teilegrößen. Ein flexibles Konzept zum Teilehandling ermöglicht sowohl die Integration in die Fertigungslinie als auch eine manuelle Bestückung. Durch eine hohe Skalierbarkeit des Systems ist die Anpassung an die Taktzeiten der Fertigungslinie bis in den Sekundenbereich garantiert. Damit erschließt Carl Zeiss neue Automatisierungs-Potentiale in der Fertigung und hilft, Effizienz und Qualität zu steigern.

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