УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОТРАЖАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2004 года по МПК G01N21/89 

Предпосылки создания и краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к оптическому детекторному устройству для использования при исследовании поверхности материала для выявления дефектов. Более конкретно, в изобретении рассматриваются проводимые в больших масштабах с высокой скоростью исследования поверхностей, которые являются, по меньшей мере, частично отражающими для выявления дефектов; сообщения о таких дефектах и отбраковка материалов с дефектами.

Высокоскоростной неразрушающий анализ материала массового производства в целях гарантии качества имеет большое значение для промышленности в течение многих лет. Без надлежащего контроля и проверки качества изделие может оказаться непригодным на месте окончательного потребления при обнаружении недостатка качества, и потребуется вернуть его и/или заменить.

Такой поздно обнаруженный дефект является очень дорогим с точки зрения изготовителя, так как он включает стоимость транспортировки, стоимость административных затрат и, что возможно наиболее важно для компании, которая стремится достичь репутации компании стабильного качества, потерю престижа у покупателя.

Было предложено много различных способов такого неразрушающего анализа. Например, Пейре и др. в патенте США 5164971 описывают использование данных радиографии и томографии, полученных при помощи рентгеновских лучей или гамма-лучей от источника детекторного устройства. Угловой поворот объекта дает в результате возможность приспособить данные анализа для исправления брака в частях объекта.

Мессинджер в патенте США 5265475 предусматривает волоконно-оптический датчик деформации для определения целостности критических связывающих соединений, применяемых в аэронавтике (включая слоистые материалы) путем внедрения чувствительного к деформациям волоконно-оптического кабеля внутрь соединения или слоистого материала.

Дель Грейд и др. в патенте США 5444241 описывают способ выявления дефектов в конструкциях путем нагревания этих конструкций, затем сканирования конструкции при двух различных длинах волн, получения данных в виде изображений и анализа изображений для выявления дефектов.

Ньюман в патенте США 5146289 описывает выявление дефектов, например, в слоистых материалах путем пневматического возбуждения акустических колебаний объектов и использования интерферометра для определения изображения объектов, формируемых светом, отраженным от объекта. Изображения сопоставляются, и отличия обеспечивают информацию о состоянии объекта.

Ким и др. в патенте США 5094108 описывают контактный ультразвуковой передатчик, который фокусирует ультразвуковые волны в точку выявления дефектов на поверхности или нижележащей поверхности основания. В патенте 5046363 также описано использование акустических волн для определения пустот в незакрепленном слое упаковки интегральной схемы. В патенте США 5001932 описано устройство сопла для подачи воды на конструкцию для подготовки ее к тестированию ультразвуком.

Каждый из этих способов или устройств обеспечивает комплексное решение для проверки изготовленных или слоистых изделий для выявления дефектов путем анализа собранных данных, либо посредством комплексных изобразительных технологий, либо алгоритмической обработки данных. Такие технологии не очень хорошо подходят для высокоскоростного анализа больших количеств материала.

Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение способа анализа для выявления дефектов в больших количествах материала.

Кроме того, целью настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может анализировать большое количество материала для выявления дефектов с высокой скоростью.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение простого оптического устройства для реализации вышеуказанных целей с использованием рассеяния или пропуска света в зависимости от качеств анализируемых поверхностей.

Настоящее изобретение предусматривает способ и устройство для сканирования больших поверхностей с высокой скоростью. Листовой материал, предпочтительно материал с большой площадью поверхности, проходит вдоль плоского участка с предварительно заданной скоростью. Материал освещается источником света, таким как волоконно-оптический источник света. Детектор, такой как линейный ряд "ссd", оперативно расположен таким образом, что свет не улавливается детектором, когда на поверхности нет дефектов. Если в материале нет дефектов, отражаемый свет отражается равномерно, в результате чего по существу нет рассеяния света, которое может быть выявлено детектором. При наличии дефекта имеется значительное рассеяние света, которое должно быть выявлено детектором.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство для выявления поверхностных дефектов в материале, имеющем поверхность, которая является частично отражающей. Это устройство содержит, по меньшей мере, один источник света, расположенный так, чтобы направлять падающий свет на поверхность, по меньшей мере, частично отражающего материала, и светоприемник, расположенный над поверхностью материала. Светоприемник и, по меньшей мере, один источник света расположены относительно друг друга так, что при отсутствии поверхностного дефекта в материале свет от, по меньшей мере, одного источника света, по существу, не улавливается светоприемником, и при наличии поверхностного дефекта в материале свет от, по меньшей мере, одного источника света отражается от дефекта в детектор.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство для выявления поверхностных дефектов в отражающем материале. Устройство включает множество волоконно-оптических источников света, расположенных относительно отражающего материала так, чтобы освещать поверхность материала, сканирующую камеру, обращенную к поверхности материала, и световые заслонки, разделяющие источники света и камеру. Когда материал перемещается относительно камеры и дефект в материале отсутствует, свет от источников света отражается от материала и блокируется заслонками так, что свет от источников света не улавливается детектором. При наличии дефекта в материале свет от источников света отражается от дефекта так, что заслонки не блокируют отраженный свет, и отраженный свет улавливается детектором.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ выявления дефектов в материале. В соответствии со способом материал, имеющий отражающую поверхность, перемещают в направлении, параллельном отражающей поверхности. По меньшей мере, один источник света и светоприемник расположены относительно друг друга, и свет излучается от, по меньшей мере, одного источника света на отражающую поверхность, при этом отражающая поверхность перемещается таким образом, что, когда на отражающей поверхности нет дефекта, свет не улавливается светоприемником. Свет, отраженный от одного или более дефектов на отражающей поверхности, улавливается детектором.

Краткое описание чертежей

Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения могут быть хорошо поняты путем изучения следующего подробного описания совместно с чертежами, на которых одинаковые позиции обозначают аналогичные элементы и на которых:

фиг.1 изображает схематически в частичном поперечном сечении вид сбоку устройства в соответствии с настоящим изобретением, на котором показана работа устройства при отсутствии в материале дефектов;

фиг.2 изображает схематически в частичном поперечном сечении вид сбоку устройства в соответствии с настоящим изобретением, на котором показана работа, при наличии в материале дефекта в форме выступа на поверхности;

фиг.3 изображает схематически в частичном поперечном сечении вид сбоку устройства в соответствии с настоящим изобретением, на котором показана работа при наличии в материале дефекта в форме выемки на поверхности;

фиг.4 изображает схематически в частичном поперечном сечении вид сбоку устройства в соответствии с другим конструктивным исполнением настоящего изобретения, на котором показана работа, при отсутствии в материале дефектов.

Подробное описание

Предпочтительный вариант реализации устройства 21 для дефектоскопии поверхностных дефектов в материале, имеющем поверхность, которая является частично отражающей, в соответствии с настоящим изобретением показано на фиг.1. Устройство 21 включает, по меньшей мере, один источник света 23, расположенный так, чтобы направлять падающий свет В на поверхность 25, по меньшей мере, частично отражающего материала 27, предпочтительно листа или рулона материала, который перемещается относительно источника света. Светоприемник 29 расположен над поверхностью 25 материала 27. Светоприемник 29 и источник света 23 расположены относительно друг друга так, что при отсутствии поверхностного дефекта в материале, то есть когда материал является по существу плоским, свет В от источника света не улавливается светоприемником. Однако, как видно из фиг.2 и 3, при наличии поверхностного дефекта F в материале 27 свет В от источника света 23 отражается от дефекта в детектор 29. Дефект F может представлять собой, например, выступ, отверстие или выемку, или какую-нибудь форму дефекта расслоения, который разрушает по существу плоскую в противном случае поверхность 25 материала 27.

Подходящие источники света 23 включают источники в форме одного источника света, или, как показано на фиг.1, двух источников света, или более. Многочисленные источники света 23 могут быть размещены на противоположных сторонах детектора 29. Если желательно или необходимо, источник света 23 может включать множество источников света, где, например, источник света включает множество волоконно-оптических источников света, расположенных относительно материала 27 таким образом, чтобы освещать поверхность 25 материала. В первоначальных применениях, где должны быть выявлены только самые большие дефекты, может быть необходим только один освещающий источник света 23. Однако гарантия улучшенного качества может быть обеспечена увеличением количества источников света 23 на один детектор, которое может изменяться. Обычно одна пара, две пары или три пары источников света 23 являются достаточными для хороших результатов.

Подходящие светоприемники 29 включают светоприемники в виде сканирующей камеры, предпочтительно там, где материал 27 является относительно широким, например прибора с зарядовой связью, или источник света может быть в форме фотодетектора. Фотодетекторы предпочтительны, когда не требуется формирование изображения, в особенности потому, что электрическая схема, требуемая для работы фотодетекторов, является, в общем, менее сложной, чем используемая для систем типа камеры. Светоприемник 29 может включать объектив 30. Объектив 30 может содействовать, среди прочего, выявлению слабого света, отраженного от небольших дефектов F.

Природа света, излучаемого источником света, может быть различной в зависимости от применения, для которого будет предназначено устройство 21. Например: свет, излучаемый от источника света 23, может быть в форме сфокусированного луча света от лампы накаливания; источник света может излучать поляризованный свет; источник света может излучать инфракрасный свет; и/или источник света может излучать ультрафиолетовый свет. Если желательно или необходимо, свет различных длин волн или форм может излучаться одновременно.

Материал 27 предпочтительно является гибким и предпочтительно имеет поверхности с высокой степенью отражения, хотя понятно, что настоящее изобретение применимо для различных поверхностей, которые отражают свет. Материал 27 предпочтительно является гибким листом или рулоном материала, который перемещается относительно устройства 21 по направлению стрелки 31, например, путем вытягивания посредством тянущего оборудования, например, пары роликов, между которыми проходит материал из рулона листового материала, или посредством перемещения материала транспортером. Материал 27 предпочтительно перемещается при скоростях от приблизительно 0,001 м/с до 2000 м/мин и наиболее предпочтительно при скоростях между 100 и 800 м/мин.

Материалы 27 в форме металлизированной бумаги (например, алюминиевой металлизированной бумаги), или алюминиевой фольги, или слоистых материалов, предпочтительно имеющих наружные слои из металлизированной бумаги или алюминиевой фольги, являются особенно предпочтительными для использования в устройстве и способе по настоящему изобретению. Листовой материал 27 может иметь ширину, изменяемую в широких пределах, например от нескольких миллиметров до нескольких метров по ширине, и может иметь толщину, изменяемую в широких пределах. Например, материал 27 имеет толщину от 0,5 до 10 мм и более предпочтительно между 1-5 мм. Это изобретение особенно хорошо подходит для слоистых материалов типа бумага-фольга, которые обычно используются в коробках для сигарет, чтобы обертывать или другим образом ограждать изделия типа сигарет. Когда такие слоистые материалы вступают в контакт с жидкостью либо путем распыления, либо в виде капель, падающих на поверхность, может произойти расслоение, что неизбежно влечет за собой отбраковку расслоившегося материала для обеспечения надлежащей упаковки изделий.

Устройство 21 предпочтительно включает наружные световые заслонки 33, размещенные относительно источника света 23 и светоприемника 29 для исключения попадания света из окружающей среды в светоприемник. Как видно на фиг.1, наружные световые заслонки 33 предпочтительно расположены так, чтобы по существу оградить как источник света 23, так и светоприемник 29 вместе с материалом 21, проходящим близко под наружными световыми заслонками, так чтобы предпочтительно исключить попадание по существу всего света из окружающей среды в светоприемник.

Устройство 21 также предпочтительно включает внутренние световые заслонки 35, размещенные относительно источника света 23 и светоприемника 29 так, чтобы исключить попадание света от источника света в светоприемник за исключением наличия дефекта в материале. Как видно на фиг.1, внутренние световые заслонки 35 предпочтительно расположены между источником света 23 и светоприемником 29. Наружные световые заслонки 33 и внутренние световые заслонки 35 предпочтительно расположены так, чтобы по существу окружить источник света 23 таким образом, чтобы только свет, отраженный от дефектов F внутри небольшой зоны сканирования 37 на поверхности 25 материала 27, можно было выявить детектором 29. В настоящем предпочтительном варианте реализации предусмотрены как наружные, так и внутренние световые заслонки 33 и 35, однако, если это желательно или необходимо, наружные световые заслонки могут быть использованы без внутренних световых заслонок, либо световые заслонки могут быть не предусмотрены совсем.

В способе выявления дефектов F в материале 27 в соответствии с настоящим изобретением, показанном на фиг.1, материал 21, имеющий отражающую поверхность 25, перемещают в направлении 31, параллельном отражающей поверхности. Источник света 23 и светоприемник 29 расположены относительно друг друга, и свет В излучается от источника света на отражающую поверхность 25, когда отражающая поверхность перемещается таким образом, что при отсутствии дефектов на отражающей поверхности свет не выявляется светоприемником. Свет В, отраженный от дефектов F на отражающей поверхности 25, выявляется детектором 29.

После выявления света В детектором 29, что свидетельствует о наличии дефекта F на поверхности 25 материала 27, сигнал от детектора посылается на контроллер 39 для того, чтобы указать на наличие дефекта на поверхности. Контроллер 39 предпочтительно управляет другим известным устройством 41 для принятия корректирующих мер, например подает сигнал на устройство 41 для маркировки материала 27 для ремонта или отрезания материала, для возможности его удаления из последующих операций переработки.

При работе “без дефектов” источник света 23 излучает первый, предпочтительно когерентный, луч света В. Первый луч света В падает на поверхность 25 в точке 43. Второй источник света 23’, если он предусмотрен, излучает второй, предпочтительно когерентный, луч света В’, который предпочтительно также падает в точку 43 на поверхности 25 материала 27. Когда нет дефектов, источники света 23, 23’ предпочтительно наклонены так, что лучи света В, В’ падающие на поверхность 25, отражаются снаружи от внутренних заслонок 35 предпочтительно внутрь наружных заслонок 33, так чтобы исключить возможность попадания даже незначительного света в детектор 29.

На фиг.2 и 3 показана дефектоскопия при работе, когда дефект F имеет форму выступа или выемки соответственно. Первый источник света 23 излучает первый луч света В, который падает на дефект F и отражается, в основном рассеиваясь, таким образом, что его часть проходит между внутренними заслонками 35 и выявляется детектором 29. Аналогичным образом, второй источник света 23’ излучает второй луч света В’, который также отражается, в основном рассеиваясь, от дефекта F, и его часть проходит между внутренними заслонками. Первый и/или второй лучи света В и/или В’ могут, находясь между внутренними заслонками 35, далее отражаться от одной или обеих внутренних заслонок перед тем, как будут выявлены детектором 29. Конечно, возможно, чтобы, для данного дефекта F, только один или часть из множества световых лучей, падающих на дефект, в действительности прошли между внутренними заслонками 35. Когда дефект F предпочтительно непрерывно перемещается относительно устройства, лучи, отраженные и рассеянные от дефекта, будут постоянно изменяться, но, по меньшей мере, некоторая часть будет выявлена детектором 29. Детектор 29 предпочтительно посылает сигнал на контроллер 39, который управляет другим устройством, связанным с дефектом. Например, детектор 29 может иметь такую конфигурацию, чтобы посылать сигнал в память контроллера 39, который различает наличие дефекта и отбраковывает поверхность 25, или часть материала, посредством процесса индексации.

Датчик 29 предпочтительно монтируется так, что он находится вблизи материала 27, предпочтительно в пределах от около 0,5 см от материала и более предпочтительно в пределах около 0,5-3 мм от материала. Источник света 23 предпочтительно монтируется с возможностью регулирования так, чтобы он мог поворачиваться около оси 47, для возможности регулирования угла, под которым луч В падает на материал 27. Аналогично, наружные и внутренние заслонки 33 и 35 предпочтительно являются регулируемыми по углу и/или регулируемыми с точки зрения расстояния между источником света 23, и/или детектором 29, и/или материалом 25, например, с возможностью поворота около осей 49 и 51 соответственно. Посредством соответствующей регулировки положения и/или угла источника света 23, и/или заслонок 33 и 35 облегчается использование устройства 21 с материалами различной толщины или с материалами, которые расположены на различных расстояниях от устройства. Если желательно или необходимо, положение и/или угол детектора 29 являются регулируемыми, например, посредством телескопического узла 53. Соответствующая регулировка компонентов устройства 21 предназначена для гарантии того, что нормально отраженный (без дефектов) луч света В не попадает в детектор 29, в то время как выявляется луч, отраженный от дефекта Р.

Как видно из конструктивного исполнения устройства 21’, показанного на фиг.4, падающие лучи В и В’ от разных источников света 23 и 23’ не должны быть сфокусированы в одной и той же точке, как описано выше при описании фиг.1-3. Источники света 23 и 23’ могут, например, фокусироваться на различных точках 43 и 43’ соответственно, причем обе точки находятся в пределах зоны сканирования детектора 29.

В то время как изобретение было проиллюстрировано и описано в соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, понятно, что в нем могут быть сделаны варианты и изменения без выхода за пределы изобретения, как оно изложено в пунктах формулы изобретения.

Устройство для обнаружения поверхностных дефектов (F) в материале (27) с частично отражающей поверхностью (25) включает, по меньшей мере, один источник света (23, 23′), расположенный так, чтобы направлять падающий свет на поверхность, по меньшей мере, частично отражающего материала (27), и светоприемник (29), расположенный над поверхностью материала (27). Светоприемник (29) и, по меньшей мере, один источник света (23, 23′) расположены относительно друг друга так, что при отсутствии поверхностного дефекта (F) в материале (27) свет от, по меньшей мере, одного источника света (23, 23′) по существу не улавливается детектором (29), и при наличии поверхностного дефекта (F) в материале (27) свет от, по меньшей мере, одного источника света (23, 23′) отражается от дефекта (F) в детектор (29). Техническим результатом является возможность анализа большого количества материала для выявления дефектов с высокой скоростью. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обнаружения поверхностных дефектов при перемещении образца материала, имеющего поверхность, которая является частично отражающей, содержащее средство для перемещения образца материала, при этом указанный материал имеет поверхность, которая является частично отражающей, по меньшей мере один источник света, размещенный с возможностью направления падающего света на поверхность материала; и светоприемник, расположенный над поверхностью материала; световые заслонки, расположенные относительно по меньшей мере одного источника света и светоприемника с возможностью исключения попадания света от по меньшей мере одного источника в светоприемник за исключением случая, когда имеются дефекты в материале, при этом указанные световые заслонки установлены с возможностью углового регулирования относительно направления перемещения материала, отличающееся тем, что светоприемник и по меньшей мере один источник света расположены относительно друг друга так, что при отсутствии поверхностного дефекта в материале свет от по меньшей мере одного источника света, по существу, не улавливается светоприемником, и при наличии поверхностного дефекта в материале свет от по меньшей мере одного источника света отражается от дефекта в детектор.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света включает в себя два источника света.3. Устройство по одному из п.1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света включает в себя множество источников света.4. Устройство по одному из пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света излучает сфокусированный луч света от лампы накаливания.5. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света излучает поляризованный свет.6. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света излучает инфракрасный свет.7. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света излучает ультрафиолетовый свет.8. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светоприемник включает сканирующую камеру.9. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светоприемник представляет собой прибор с зарядовой связью.10. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светоприемник представляет собой фотодетектор.11. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором светоприемник установлен с возможностью регулирования относительно по меньшей мере одного источника света.12. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один источник света установлен с возможностью регулирования относительно светоприемника.13. Устройство для обнаружения поверхностных дефектов в отражающем материале, содержащее множество волоконно-оптических источников света, расположенных относительно отражающего материала, для освещения поверхности материала; сканирующую камеру, обращенную к поверхности материала; световые заслонки, разделяющие источники света и камеру, отличающееся тем, что при перемещении материала относительно камеры, и отсутствия дефекта в материале, свет от источников света отражается от материала и блокируется заслонками так, что свет от источников света не улавливается детектором, и при наличии дефекта в материале свет от источников света отражается от дефекта так, что заслонки не блокируют отраженный свет, и отраженный свет улавливается детектором, при этом обеспечивается регулирование угла размещения световых заслонок относительно направления перемещения материала.14. Способ обнаружения дефектов в материале, содержащий следующие этапы: осуществляют перемещение материала, имеющего отражающую поверхность, в направлении, параллельном отражающей поверхности; располагают по меньшей мере один источник света и светоприемник относительно друг друга, и осуществляют излучение света от по меньшей мере одного источника света на отражающую поверхность, когда при перемещении отражающей поверхности при отсутствии на отражающей поверхности дефекта, свет не улавливается светоприемником; и улавливают детектором свет, отраженный от одного или более дефектов на отражающей поверхности, исключая попадание света излучаемого, посредством по меньшей мере одного источника света в светоприемник, исключая случая наличия дефекта в материале, посредством световых заслонок, расположенных относительно по меньшей мере одного источника и светоприемника, при этом обеспечивают регулирование угла расположения световых заслонок относительно материала.15. Способ по п.14, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап, при котором направляют сигнал от светоприемника в контроллер, чтобы указать на наличие дефекта на отражающей поверхности.16. Способ по одному из п.14 или 15, отличающийся тем, что по меньшей мере один источник света излучает сфокусированный луч света от лампы накаливания.17. Способ по одному из пп.14, 15 или 16, отличающийся тем, что по меньшей мере один источник света излучает поляризованный свет.18. Способ по одному из пп.14-17, отличающийся тем, что по меньшей мере один источник света излучает инфракрасный свет.19. Способ по одному из пп.14-17, отличающийся тем, что по меньшей мере один источник света излучает ультрафиолетовый свет.20. Способ по одному из пп.14-19, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап, в котором исключают попадание света из окружающей среды в светоприемник.21. Способ по одному из пп.14-20, отличающийся тем, что включает дополнительный этап регулирования положения по меньшей мере одного источника света относительно световых заслонок и светоприемника.22. Способ по одному из пп.14-21, отличающийся тем, что включает дополнительный этап регулирования положения светоприемника относительно по меньшей мере одного источника света и световых заслонок.23. Способ по одному из пп.14-22, отличающийся тем, что включает дополнительный этап регулирования положения по меньшей мере одного источника света относительно светоприемника.24. Способ по одному из пп.14-23, отличающийся тем, что включает дополнительный этап регулирования положения светоприемника относительно по меньшей мере одного источника света.