Hyperspektrale Oberflächenabtastung eines Körpers

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur hyperspektralen Oberflächenabtastung eines Körpers. Durch die Erfindung kann jede beliebige Freiform spektral abgetastet werden. Im gesamten Kontext der Erfindung wird unter „hyper spektral" der Übersichtlichkeit halber auch „multispektral" verstanden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Der Schlüssel moderner Spektroskopie liegt in der ortsaufge lösten Dechiffrierung der im reflektierten oder absorbierten Licht enthaltenen Informationen. Dies wird durch die Technik des „Hyperspectral Imaging" (HSI) ermöglicht, eine Art Zei lenkamera, mit der typischerweise im sichtbaren als auch im nahen Infrarotbereich durch Bewegung des Objektes oder der Kamera vollständig spektral aufgelöste Bilder erzeugt werden können. Je nach Arbeitsabstand und verwendetem Objektiv kön nen km ² oder aber pm ² große Bereiche untersucht werden.

Bei sehr kostenintensiven Formen in der initialen Fertigung, z.B. komplexe Gusskörper, bieten sich Wiederaufarbeitungsver fahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer der teuren Struktu ren an. Vor dem erneuten Aufbau der Oberflächenbeschichtungen erfolgt daher eine vollständige Entschichtung der Struktur.

Im Zuge der Verbreitung des 3D Drucks und der adaptiven Fer tigung sind jedoch Körper und Bauteile in jeder denkbaren Ge ometrie möglich, die sogenannte Freiform Geometrie, die viele neue Möglichkeiten bietet.

In bekannten Prozessen der Oberflächenbeschichtung oder - entschichtung werden Oberflächen nur dann automatisiert bear- beitet, wenn die Geometrie der zu bearbeiteten Oberfläche be kannt ist und sie durch das Prozessgerät erreichbar ist. Zur Erkennung und Quantifizierung der Oberflächenmaterialien kann z.B. die Methode des „Hyperspectral Imaging (HSI)" (= hyper spektrale Bildgebung) genutzt werden. Zumeist handelt es sich bei diesen Abbildungsgeräten um zeilenweise Rasterverfahren, bei denen der Materialkontrast entlang einer Linie bei einem festen Fokus in Form von Reflexionsspektren aufgenommen wird.

Auf Grund der Zerstörungsfreiheit der Methode bietet sich die HSI grundsätzlich für den Nachweis von Oberflächenveränderun gen oder auch Rückständen nach oder während eines Entschich- tungsprozesses an. Ebenso ermöglicht die HSI die Erkennung und Lokalisierung von Kontaminationen vor Beschichtungs schritten. In der europäischen Offenlegungsschrift EP 1598 121 A2 wird ein laserbasierter Entschichtungsprozess exempla risch beschrieben.

Das Untersuchen eines Körpers in Freiform führt hierbei al lerdings zu Herausforderungen bezüglich der Robustheit und der Zuverlässigkeit der HSI-Messung, da es eine herkömmliche Regelung auf die Parameter, wie Bewegung entlang der Frei form, Abstand zu dieser und zugelassener Winkelbereich, in automatisierter Form derzeit nicht gibt. Die abbildende Hy perspektralkamera muss stets in einem optimalen Fokus-Abstand und in der optimalen Orientierung zum untersuchten Objekt ge führt werden.

Die Bewegung entlang der Freiform lässt sich bis heute nicht automatisiert bewerkstelligen. Um die Visualisierung zuver lässig zu erreichen, muss der Abstand im Bereich der Fokus- Dynamik bleiben. Die Hyperspektralkamera sollte möglichst senkrecht zu der Oberfläche sein. Eine Ausleuchtung der Ober fläche ist nicht im geeigneten Winkel zur Detektion und nicht adaptiv gegenüber der Freiform möglich.

Das Problem wird bisher dadurch gelöst, dass manuell oder im besten Fall halbautomatisiert an die Oberfläche herangefahren wird, und unter nicht optimalen Bedingungen - z.B. Kompromiss bei Fokus, Orientierung etc. - die Bestimmung der Oberflä chenbeschaffenheit durchgeführt wird.

Das Problem wird auch dadurch gelöst, dass die Form des Bau teils auf die herkömmlichen Möglichkeiten der Bearbeitung an gepasst wurde, und dadurch die Bearbeitung automatisiert durchgeführt werden kann; jedoch auf Kosten der optimalen Ge ometrie und daraus folgend durch Erzeugen von zusätzlichen Materialkosten und einem suboptimalen Betrieb der Erzeugnis se. Ferner dauert das Verfahren dann deutlich länger.

Das Problem wurde oft auch nicht betrachtet und dadurch wur den Einbußen in Bearbeitungsgenauigkeit, Bauteilzuverlässig keit und -haltbarkeit in Kauf genommen.

Manuelle Materialbearbeitung nach einer meist thermischen o- der chemischen Kontrastierung der Oberflächen, wie es heutzu tage beispielsweise beim Prozess des „Turbine-Blade- Refurbishment" durchgeführt wird, sind bekannt.

In der Offenlegungsschrift DE 102018 128 993 Al wird das spektroskopische Messverfahren, insbesondere auch die Verwen dung einer Hyperspektralkamera, beispielhaft beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers nach einer Entschichtung einfach überprüft werden kann.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Das vorgestellte System löst die oben genannte Aufgabe durch eine geeignete Anordnung von benutzten Komponenten, ein Aus nutzen der für jede Komponente optimalen Bedingungen und eine Nutzung sämtlicher zur Verfügung stehender Informationen.

In einem ersten Aspekt dient ein Roboterarm der flexiblen Po sitionierung einer Detektionsvorrichtung sowie zum Führen dieser entlang einer geeigneten Trajektorie entlang der Frei form des entschichteten Körpers. Die Anordnung mit dem Robo terarm nutzt die bekannte dreidimensionale Geometrie des Kör pers aus dem Druck bzw. der Herstellung (digitaler Zwilling) der ursprünglichen Form.

In einem zweiten Aspekt wird eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche zur Erkennung des Oberflächenmate rials am Roboterarm montiert und flexibel in einem bestimmten Winkelbereich veränderbar angeordnet, sodass verhindert wer den kann, dass direkte Reflektionen des Lichtes von der Ober fläche detektiert werden. Diese tragen keine spektralen Mate rialinformationen. Abhängig von der Krümmung der Oberfläche kann die Beleuchtungsvorrichtung angepasst werden.

In einem dritter Aspekt umfasst die Detektionsvorrichtung ei ne Hyperspektralkamera, die für jede Position über der Ober fläche der Freiform in einem richtigen Abstand (= Fokus) ge bracht und senkrecht zur Oberfläche des Körpers ausgerichtet wird. Mit der dazu geeignet platzierten Beleuchtungsvorrich tung stellt die Anordnung eine Art Dunkelfeldbeleuchtung dar. Abhängig von den Aufnahmeparametern der Hyperspektralkamera (Integrationszeit, Anzahl der Mittelungen, etc.), der Krüm mung der Oberfläche und ihrer Beschaffenheit (Reflektivität) bewegt sich der Roboterarm mit angepasster Geschwindigkeit über den Körper. Die Relativgeschwindigkeit der Messlinie ge genüber der Oberfläche wird konstant gehalten.

In einem vierten Aspekt wird eine prädiktive Analyse zur ob jektiven Bestimmung der gesuchten Oberflächeneigenschaften des Körpers. Die Spektroskopie erlaubt es, Zustände (Alte- rung, Feuchte, Fremdmaterial, etc.) _/ Beschaffenheiten (Schichtdicken, Materialübergangsbereiche, Homogenität, etc.) und Materialzusammensetzungen mittels statistischer Modelle zu bestimmen. Die prädiktive Analyse ist robust, wenn der In formationsgehalt der gesuchten Größe sich aus dem Spektrum des Rauschens oder anderer Störgrößen abhebt. Bei der adapti ven hyperspektralen Bildgebung in dieser Form werden Störgrö ßen dadurch minimiert, weil die Aufnahmeumgebung konstant bleibt, obwohl sich die Oberflächengeometrie stark verändert während eines Abfahrens der Freiform des Körpers.

In einem fünften Aspekt werden die Fahrwege des Roboterarms optimiert. Dadurch, dass die Freiformgeometrie als auch die optimalen Parameter jeder Komponente bekannt sind, wird im Vorfeld eine geeignete Scan-3D-Bahn berechnet, sodass ein in der Geschwindigkeit optimiertes Scansystem entsteht. Diese optimierten Fahrwege müssen zudem flexibel sein, falls sich zeitliche Änderungen am Körper selbst, oder auch an der Ober fläche ergeben (Verzug, Fließen, Alterung, etc.). Durch die geeignete Bahnplanung unter Berücksichtigung der konkaven und konvexen Biegungen unter Einhaltung von tolerablen Bereichen in Abstand und Winkel zur Oberfläche sowie bei der Relativge schwindigkeit .

In einem sechsten Aspekt werden die erhaltenen Informationen als Feedback für die Bahnparameter gemappt (automatisierter Schleifprozess oder andere Oberflächenbearbeitung nach einem hyperspektralen Oberflächenscan). Im Beispiel einer Kontami nation soll bestimmt werden, wo und wie stark die Oberfläche beeinträchtigt ist. Für die nächsten Bearbeitungsschritte kann dadurch eine optimierte adaptive Bearbeitung erreicht werden.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur hyperspektralen Oberflächenabtastung eines Körpers, aufweisend: einen Roboterarm, eine am ersten Emde des Roboterarms angeordnete hyper spektrale Detektionsvorrichtung, eine am ersten Emde des Roboterarms angeordnete Beleuch tungsvorrichtung und eine Steuer- und Recheneinheit, die eingerichtet ist, das erste Ende des Roboterarms derart entlang vorab ermittel ter Trajektorien zu bewegen, dass ein vorbestimmter Ober flächenbereich des Körpers hyperspektral abgetastet wird.

Unter „Roboter" wird im Lichte der Erfindung jede program mierbare, automatisierte technische Apparatur verstanden.

Unter erweiterter Realität (Englisch: augmented reality) kurz AR wird die computergestützte Erweiterung der Realitätswahr nehmung verstanden. Diese Information kann alle menschlichen Sinnesmodalitäten ansprechen. Häufig wird jedoch unter erwei terter Realität nur die visuelle Darstellung von Informatio nen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung bzw. Überlagerung.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Teil der Oberflä che oder die ganze Oberfläche eines Körpers, der nahezu jeg liche Form aufweisen kann, hyperspektral gescannt werden kann. Bevorzugt ist der Körper vor der Abtastung entschichtet bzw. gereinigt worden. Der Oberflächenbereich kann auch die gesamte Oberfläche des Körpers umfassen.

In einer Weiterbildung kann die Steuer- und Recheneinheit eingerichtet sein, auf Basis von gespeicherten CAD Daten des Körpers oder von Daten eines digitalen Zwillings des Körpers die Trajektorien zu ermitteln. Dadurch ist eine Bahnplanung für den Roboterarm einfach möglich.

In einer Weiterbildung kann die Steuer- und Recheneinheit eingerichtet sein, aufgrund einer automatisierten Geometrie messung des Körpers mit einem an dem Roboterarm angeordneten Sensor die Trajektorien zu ermitteln. Vorab kann so die Geo metrie des Körpers und damit der Oberfläche sehr genau ermit telt werden. In einer Weiterbildung kann die Steuer- und Recheneinheit eingerichtet sein, aus der abgetasteten hyperspektralen Mess daten des Oberflächenbereichs durch prädikative Analyse die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Oberflä chenbereichs durch Ableitung aus bekannten Referenzdaten zu ermitteln.

Bei der prädikativen Analyse (Predictive Analytics) werden u.a. unter Verwendung von Big Data und Machine-Learning- Technologien strukturierte und unstrukturierte Daten analy siert, um zukünftige Ereignisse und Resultate Vorhersagen zu können. Ebenso wie im Data-Mining werden für die prädikative Analyse statistische und mathematische Verfahren sowie Algo rithmen verwendet, um Muster, Zusammenhänge und Trends aufzu zeigen.

In einer Weiterbildung kann die hyperspektrale Detektionsvor richtung eine Hyperspektralkamera aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuer- und Rechen einheit eingerichtet sein, die Hyperspektralkamera über dem Oberflächenbereich in einem Fokusabstand zu halten und die Aufnahmerichtung der Hyperspektralkamera senkrecht zur Ober fläche des Körpers auszurichten.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuer- und Rechen einheit eingerichtet sein, die Relativgeschwindigkeit einer Abtastlinie der Hyperspektralkamera zu dem Oberflächenbereich konstant zu halten.

In einer weiteren Ausbildung kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, die Winkelstellung der Ausleuchtung des Oberflächenbereichs zu verändern.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuer- und Rechen einheit eingerichtet sein, die abgetasteten hypespektralen Messdaten mit dem Oberflächenbereich des Körpers zu mappen und daraus Trajektorien für einen weiteren Entschichtungspro- zess des Körpers abzuleiten. Dadurch erfolgt eine geänderte Bahnplanung, beispielsweise für einen erneuten Schleifpro zess, um mangelhaft entschichte Bereiche der Oberfläche er folgreich zu entschichten.

Die Erfindung beansprucht auch ein automatisiertes Verfahren zur hyperspektralen Oberflächenabtastung eines Körpers, wobei eine an einem Roboterarm angeordnete hyperspektrale Detekti onsvorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung derart ent lang vorab ermittelter Trajektorien bewegt werden, dass ein vorbestimmter Oberflächenbereich des Körpers hyperspektral abgetastet wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens können auf Basis von gespeicherten CAD Daten des Körpers oder auf Basis von insbe sondere geometrischen Daten eines digitalen Zwillings des Körpers die Trajektorien ermittelt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können auf grund einer automatisierten Geometriemessung des Körpers mit einem am Roboterarm angeordneten Sensor die Trajektorien er mittelt werden. Der Sensor kann insbesondere ein Laser oder eine Kamera sein.

In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens können aus den abgetasteten hyperspektralen Messdaten des Oberflächenbe reichs durch eine prädikative Analyse die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Oberflächenbereichs er mittelt werden. Beispielsweise können Beschichtungsreste er kannt und die Art der Beschichtung ermittelt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die ab getasteten hypespektralen Messdaten mit dem Oberflächenbe reich des Körpers gemappt werden und daraus Trajektorien für einen weiteren Entschichtungsprozess des Körpers abgeleitet werden. Somit können mangelhaft entschichtete Stellen des Körpers erneut entschichtet werden. Dadurch wird auch eine Optimierung einer vorangehenden ersten Entschichtung möglich.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

FIG. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur hyperspektral en Oberflächenabtastung eines Körpers und

FIG. 2 ein Flussdiagramm eines automatisierten Verfahrens zur hyperspektralen Oberflächenabtastung eines Körpers,

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

FIG. 1 zeigt eine Blockschaltbild einer Anordnung zur hyper spektralen Oberflächenabtastung und -analyse eines Körpers 5, beispielsweise einer entschichteten Turbinenschaufel. Ein Ro boterarni 1 wird durch eine Steuer- und Recheneinheit 4 auf Trajektorien bewegt. Am ersten Ende 1.1 des Roboterarms 1, das ist das frei bewegliche Ende, befindet sich eine Beleuch tungsvorrichtung 3 und eine hyperspektrale Detektionseinrich tung 2, die eine Hyperspektralkamera 2.1 aufweist. Durch die Bewegung des ersten Endes 1.1 entlang eines ausgewählten Oberflächenbereichs 5.1 des Körpers 5 wird der Oberflächenbe reich 5.1 hyperspektral abgetastet, in anderen Worten hyper spektral gescannt. Bevorzugt erfolgt dies durch eine Linien abtastung mit einer linienförmigen Beleuchtung, ähnlich einem Vorlagenscan in einem Scanner bzw. Kopierer.

Die so gewonnenen hyperspektralen Daten werden in der Steuer- und Recheneinheit 4 gemäß Verfahren nach dem Stand der Tech nik ausgewertet. Bevorzugt werden durch eine prädikative Ana lyse die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Oberflächenbereichs 5.1 ermittelt. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob eine Beschichtung des Körpers 5 in diesem Bereich vollständig entfernt worden ist. Die so gewon nenen Eigenschaften des Oberflächenbereichs 5.1 können für die Bahnplanung der Anordnung für einen weiteren Entschich- tungsprozess verwendet werden. Stellen, die nicht vollständig entschichtet wurden, können so einfach ermittelt werden und einer Nacharbeitung zugeführt werden.

Die Steuer- und Recheneinheit 4 ist bevorzugt ausgebildet und programmiert, die Hyperspektralkamera 2.1 über dem Oberflä chenbereich 5.1 in einem Fokusabstand zu halten, d.h. die Aufnahme immer zu fokussieren. Außerdem wird bevorzugt die Aufnahmerichtung der Hyperspektralkamera 2.1 senkrecht zu der Oberfläche des Körpers 5 ausgerichtet.

Des Weiteren ist die Steuer- und Recheneinheit 4 ausgebildet und programmiert, d.h. eingerichtet, die Relativgeschwindig keit einer Abtastlinie der Hyperspektralkamera 2.1 zu dem Oberflächenbereich 5.1 konstant zu halten.

Die Beleuchtungsvorrichtung 3 ist außerdem bevorzugt einge richtet, die Winkelstellung der Ausleuchtung des Oberflächen bereichs 5.1 zu verändern. Somit können ungewünschte Reflexi onen in die Hyperspektralkamera 2.1 vermieden werden.

Die Trajektorien der hyperspektralen Oberflächenabtastung können aus den CAD-Daten des Körpers oder eines digitalen Zwillings des Körpers 5 gewonnen werden. Alternativ ist es auch möglich, vorab mithilfe von an dem Roboterarm 1 ange brachten Sensoren 6 oder auch lediglich einem einzigen Sensor 6 den Körper 5 zu vermessen und daraus die Trajektorien für den abzutastenden Oberflächenbereich 5.1 zu gewinnen. Der Sensor 6 kann beispielsweise ein Laser oder eine Kamera sein.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann jede beliebige Freiform abgetastet werden. FIG. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur hyper spektralen Oberflächenabtastung und -analyse eines Körpers 5, beispielsweise einer entschichteten Turbinenschaufel. In ei nem ersten Schritt 101 erfolgt die Bahnplanung für einen Ro boterarm 1, an dessen ersten Ende 1.1 eine Beleuchtungsvor richtung und eine hyperspektrale Detektionsvorrichtung ange ordnet sind. Dazu muss die Geometrie des Körpers 5 bekannt sein. Dafür können entweder die CAD Daten oder die Daten ei nes digitalen Zwillings des Körpers 5 verwendet werden, oder es erfolgt ein Geometriescan des Körpers 5 mithilfe eines an dem Roboterarm angebrachten Sensors.

In einem zweiten Schritt 102 erfolgt entlang der in dem Schritt 101 geplanten Trajektorien eine hyperspektrale Ober flächenabtastung des gewünschten Zielbereichs, d.h. eines zu untersuchenden Oberflächenbereichs des Körpers 5.

In einem folgenden dritten Schritt 103 werden die erforderli chen physikalischen und chemischen Eigenschaften des abgetas teten Oberflächenbereichs mithilfe einer prädikativen Analyse ermittelt. Dadurch können beispielsweise Aussagen gemacht werden, ob bzw. wie gut der Oberflächenbereich in einem vo rangehenden Prozess entschichtet wurde und ob etwa nachgear beitet werden muss.

In einem vierten Schritt 104 erfolgt durch Mappen der Ober flächeneigenschaften mit den Geometriedaten eine erneute Bahnplanung für eine ergänzende Entschichtung. In einem ab schließenden fünften Schritt 1005 erfolgt dann anhand der neu geplanten Trajektorien eine weitere Entschichtung des Ober flächenbereichs an den entsprechenden Stellen. Die Schritte 102 bis 105 können bei Bedarf wiederholt werden.

Das Neuartige der Anordnung und des Verfahrens liegt darin, dass unter Ausnutzung einer bekannten dreidimensionalen Geo metrie eines Körpers es möglich ist, die komplette Freiform des Körpers unter für die Messung gleichbleibenden Bedingun gen abzufahren bzw. abzutasten. Dadurch entsteht eine bisher unerreichte Flexibilität (kein Umbau/Abänderung, wenn sich die betrachtete Geometrie ändert z.B. auf Grund eines anderen Bauteil-Designs), eine hohe Robustheit der Analyse aufgrund immer gleichbleibende Messbedingung, ein zeitoptimiertes Scannen und ein auf Dauer Kosten sparendes Messsystem wegen optimierten Abläufen, eingesparter manueller Eingriffe und optimierter Folgeprozesse.

Zusätzlich wird der Zustand der kompletten Freiform, und nicht nur einzelne Flächen dieser, charakterisiert und digi talisiert. Dies hat einen großen Nutzen in einer automati sierten und durchgehend digitalisierten Prozesskette, bei der mehrere Abhängigkeiten zwischen den Prozessschritten beste hen. Durch die digitalisierten Informationen über die zu ver- messenden Körper wird eine Information über ganze Serien von Körpern zugänglich, die wiederum in den Produktlebenszyklus (auch: digitaler Zwilling) einfließt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Roboterarm

1.1 erstes Ende des Roboterarms 1

2 hyperspektrale Detektionsvorrichtung

2.1 Hyperspektralkamera

3 Beleuchtungsvorrichtung

4 Steuer- und Recheneinheit

5 Körper

5.1 Oberflächenbereich des Körpers 5

6 Sensor

100 Ermittlung der Geometrie des Klrpers 5

101 hyperspektrale Abtastung

102 Ermittlung der Oberflächeneigenschaften

103 Bahnplanung

104 weitere Entschichtung