CH660629A5

CH660629A5 - Sonde.

Info

Publication number: CH660629A5
Application number: CH434883A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Dr Benz; Eberhard Lohner; Guenter Schneider
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1987-05-15
Also published as: GB2126715A; JPS5965708A; DE3232904A1; GB2126715B; JPH0418602B2; GB8321062D0; DE3232904C2

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Sonde zum automatischen Prüfen von Oberflächen, insbesondere von feinmechanisch bearbeiteten Oberflächen in Bohrungen, mit Laserlicht, das linienförmig oder flächen-förmig über eine Werkstückoberfläche geführt wird, wobei das von der Oberfläche zurückgeworfene Licht als Kriterium für die Oberflächenbeschaffenheit einerseits auf wenigstens ein lichtempfindliches Detektorelement zur Bestimmung des Reflexionsanteiles im Hellfeld und andererseits auf eine Mehrzahl lichtempfindlicher Detektorelemente zur Bestimmung des Streuanteiles im Dunkelfeld auftrifft, gekennzeichnet durch einen zentralen, geradlinigen Kanal ( 14) zum Hindurchführen des ankommenden Laserstrahles (21) und durch eine Mehrzahl von Lichtleitkabeln (18), welche unter Freilassung einer optischen Totzone (17) um den zentralen Kanal (14) herum angeordnet sind zur Rückleitung des an der zu prüfenden Oberfläche (12) ins Dunkelfeld gestreuten Lichtes.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kanal (14) rohrförmig mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kanal ( 14) in einer Ebene mit den ihn umgebenden Endflächen der Lichtleitkabel (16, 18) abschliesst.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitkabel ( 18) im Bereich der Stirnfläche einen kreisscheibensektorförmigen Querschnitt aufweisen mit n Sektoren.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von der zu prüfenden Oberfläche (12) reflektierte Licht des Hellfeldes bzw. das um einen engen Winkelbereich des Hellfeldes reflektierte Licht über ein Lichtleitkabel ( 16) zurückgeführt wird, welches koaxial um den zentralen Kanal (14) für die Lichtzuführung (21) herum angeordnet ist.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des zentralen Kanales (14) ca. 1 mm beträgt.

7. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von der zu prüfenden Oberfläche (12) reflektierte Licht des Hellfeldes durch den gleichen Kanal (14) zurückgeführt wird, durch den der einfallende Laserstrahl (21) zugeführt wird, wobei im Strahlengang ein teildurchlässiger Spiegel (22) angeordnet ist.

8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Oberflächenbeleuchtung verwendete Teil des einfallenden Laserstrahles (21 ) den teildurchlässigen Spiegel (22) geradlinig durchsetzt und dass der zum Messen verwendete Teil des reflektierten Lichtes des Hellfeldes mittels des teildurchlässigen Spiegels (22) auf eine Messeinrichtung (23) lenkbar ist.

9. Sonde nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des zentralen Kanales (14) ca. 2 mm beträgt.

10. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einfallende Laserstrahl (21) und das von der Werkstückoberfläche (12) zurückgeworfene Licht über einen Umlenkspiegel (20) im wesentlichen rechtwinklig auf die Werkstückoberfläche (12) bzw. auf die Stirnfläche des zentralen Kanales ( 14) und der ihn umgebenden Lichtleitkabel (16,18) gelenkt wird.

11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (ß) des Umlenkspiegels (20) entsprechend der zu prüfenden Oberfläche (12) veränderbar ist.

12. Sonde nach Anspruch 10 oder 11,. dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (20) um die Achse des einfallenden Laserstrahles (21) drehbar ist.

13. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Rohrkanal (14) die ihn umgebenden Lichtleitkabel (16, 18) und der Umlenkspiegel (20) in einem Schutzrohr (19) angeordnet sind.

Stand der Technik io Die Erfindung betrifft eine Sonde zum automatischen Prüfen von Oberflächen. Bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur automatischen Oberflächenprüfung von Werkstücken, insbesondere von feinmechanisch bearbeiteten Werkstückoberflächen in Bohrungen, sind Lichtleiter-is systeme verwendet worden, bei denen die Oberfläche über Glasfaserkabel beleuchtet und beobachtet worden ist.

Hierbei erfolgte in der Regel eine Hellfeldmessung, welche nur eine begrenzte Aussagekraft hat.

Weiterhin sind Kegelspiegelanordnungen zur Einführung in eine Bohrung bekanntgeworden, bei denen die zu prüfende Oberfläche mittels einer Kamera mit einer ringförmigen Fotodiodenanordnung überwacht wird.

Vorteile der Erfindung 25 Die erfindungsgemässe Sonde mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Anordnung geschaffen worden ist zur berührungslosen, leicht automatisierbaren Prüfung, bei der kleinste Oberflächeneinheiten separat geprüft werden 30 können. Die .Beleuchtung erfolgt nicht mehr durch Glasfaserbündel, sondern mit einem fokussierten Laserstrahl, welcher beim Auftreffen auf die zu prüfende Oberfläche auf einen Durchmesser von ca. 0,1 mm gebündelt worden ist. Aufgrund der Kohärenz und der durch die Bündelung 35 erreichten guten Ortsauflösung wird das reflektierte Licht durch einen eventuellen Oberflächenfehler sehr stark gestreut und gebeugt mit grossem Signal-Rauschverhältnis. Dagegen war bei bekannten Anordnungen bei Beleuchtung über ein Glasfaserbündel die Ortsauflösung um mehrere 40 Grössenordnungen schlechter, da der Öffnungswinkel des Beleuchtungsstrahles nicht durch die Lichtquellenöffnung, sondern durch die Brechungsindizes im Kern und im Mantel der Einzelfasern bestimmt war. Hierbei ergaben sich Öffnungswinkel zwischen 10° und 60°.

45 Weiterhin ist es mit der erfindungsgemässen Sonde auf sehr einfache Weise möglich, gleichzeitig eine Messung im Hellfeld und im Dunkelfeld des zurückgeworfenen Lichtes durchzuführen, wobei die Dunkelfeldmessung bei Bedarf nach dem Winkel der zurückgeworfenen Strahlung aufgelöst so werden kann. Das bedeutet, dass nicht nur die Intensität des direkt reflektierten Lichtes in jedem Punkt der Oberfläche bestimmbar ist, sondern dass zusätzlich die Intensität und die Richtungsverteilung des seitlich weggestreuten bzw. gebeugten Lichtes ermittelt werden.

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Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausfüh-60 rungsbeispiel mit einem zentralen Lichtleitkabel für die Rückführung des zentralen Strahlenbündels und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem erweiterten zentralen Kanal, durch den das reflektierte Licht des Hellfeldes durch Luft zurückgeführt wird.

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist mit 10 ein Werkstück bezeichnet mit einer Bohrung 11, deren Oberfläche mit 12 bezeichnet ist. Die Boh-

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rung 11 läuft an ihrem Ende konisch zu unter einem Winkel a.

In die Bohrung 11 ist eine Sonde 13 eingeführt, welche zur automatischen Prüfung der Oberfläche 12 dient. Die Sonde besteht aus einem zentralen, rohrförmigen, geradlinigen Kanal 14 innerhalb eines Rohres 15 aus Metall oder Kunststoff. Koaxial um das Rohr 15 liegt ein Glasfaserring 16, an den sich ausserhalb eine optisch tote Zone 17 aus einem Blech-oder Kunststoffrohr anschliesst. Um dieses Rohr herum sind Lichtleiter 18 in Form von Glasfasersektoren angeordnet. Die Gesamtanordnung ist aussen durch ein Schutzrohr 19 abgedeckt. Innerhalb des Schutzrohres 19 sitzt weiterhin ein Umlenkspiegel 20, welcher mit dem Schutzrohr 19 bzw. mit dem zentral einfallenden Laserstrahl 21 einen Winkel ß einschliesst, derart, dass der Laserstrahl 21 senkrecht auf die Oberfläche 12 des Werkstückes 10 gelenkt wird. Beim Prüf-oder Messvorgang wird das Werkstück 10 um die Sonde 13 gedreht bei gleichzeitigem Vorschub der Sonde 13, so dass sich eine spirallinienförmige Abtastung der Oberfläche 12 ergibt. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, bei einem grösseren oder nicht rotationssymmetrischen Werkstück 10 die Sonde 13 zu drehen oder den Umlenk-spiegel 20 drehbar innerhalb der Sonde 13 anzuordnen.

Figur 1 b zeigt einen Schnitt nach der Linie b-b in Figur 1 a zur Verdeutlichung der Anordnung auf der inneren Endfläche der Sonde 13. Innerhalb des Schutzrohres 19 sitzen acht Lichtleiterin Form von Glasfasersektoren 18, darin als optisch tote Zone das Rohr 17, hierin als Lichtleiter ein Glasfaserring 16 und darin das Rohr 15, welches innen den Kanal 14 bildet.

Die Anordnung gemäss Figur 1 wirkt derart, dass der Laserstrahl 21 geradlinig den Kanal 14 durchsetzt und am Umlenkspiegel 20 um 90° umgelenkt wird und rechtwinklig auf dem untern Bereich der Oberfläche 12 der Bohrung 11 auftrifft. Entsprechend der Oberflächengüte erfolgt die Reflexion und Streuung des Laserstrahles 21 an der Oberfläche 12, so dass ein Teil des Strahles, nämlich das Hellfeld, etwa parallel zum einfallenden Laserstrahl 21 zurückgeworfen wird. Dieser Lichtanteil wird am Umlenkspiegel 20 wiederum etwa parallel zum Laserstrahl 21 abgelenkt. Durch den Glasfaserring 16 wird das geringfügig um ca. 5° seitlich abgelenkte Licht erfasst und auf eine Messanordnung mit lichtempfindlichen Detektorelementen geleitet, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Ein weiterer Teil des einfallenden Laserlichtes wird entsprechend der Oberflächengüte an der Oberfläche 12 stärker gestreut, wobei sich Oberflächenschäden wie Kratzer und Riefen bei der Streuung des Laserstrahles besonders bemerkbar machen. Die richtungsabhängige Rückführung dieses Teiles des zurückgeworfenen Lichtes erfolgt über separate Lichtleiter 18 in Form von Glasfasersektoren, denen ausserhalb der Sonde 13 wiederum nicht dargestellte lichtempfindliche Detektorelemente zugeordnet sind. Zur deutlichen Abtrennung des in die beiden Winkelbereiche der Lichtleitkabel 16 und 18 reflektierten Hellfeldanteiles bzw. des stärker ins Dunkelfeld gestreuten Laserlichtes wird dazwischen eine optisch tote Zone 17 eingefügt. Dadurch erfasst beispielswese die Lichtleiteranordnung 16 den Winkelbereich 4°-5° und die Lichtleiteranordnung 18 je nach Aussentemperatur der Sonde 13 einen Winkelbereich von 15°—20° oder mehr.

Die Beleuchtung der zu prüfenden Oberfläche erfolgt mit einem fokussierten Laserstrahl 21, welcher einen Durchmesser von ca. 0,1 mm hat. I n der M itte der Sonde 13 tritt der Laserstrahl geradlinig durch den röhrchenförmigen Kanal 14 hindurch, welcher einen Innendurchmesser von ca. 1 mm hat. Nach dem Austritt aus dem Kanal 14 trifft der Laserstrahl 21 auf einen Umlenkspiegel 20, dessen Neigung ß der Oberflächenneigung a der Bohrung 11 angepasst ist. Die

Spiegelneigung ß beträgt dabei

5 Die Rückführung des reflektierten bzw. gestreuten Lichtes erfolgt über Lichtleitkabel 16 und 18, wobei die Endflächen der Lichtleiter 18 sektorenartig in einem Kreisring angeordnet sind. Als Auswerteschaltung sind den Lichtleitkabeln 16 und 18 Fotoempfänger nachgeschaltet, welche in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Der innere, dicht an dem Rohr 15 anliegende Glasfaserring 16 dient zur Detek-tion des in der Reflexionsrichtung nur wenig geänderten Lichtes. Dieser Anteil ist umgekehrt proportional zur Rauheit der zu prüfenden Oberfläche 12. Nach einer ringförmigen, optisch toten Zone 17, die sich an den Glasfaserring 16 aussen anschliesst, folgen n Sektoren mit Lichtleitern 18. die den äusseren Lichtleiterring in n Teilbereiche aufteilen. Der Anteil des Lichtes, der in den gesamten äusseren Ringbereich 18 gestreut wird, ist proportional zur Oberflächenrauheit. Die Richtungsverteilung des gestreuten Lichtes hängt von der Oberflächenkrümmung und insbesondere von der Richtungsstruktur in der Bearbeitung der untersuchten Oberfläche ab.

Die zu prüfende innere Oberfläche 12 der Bohrung 11 wird punktförmig auf Kreis- bzw. Spiralbahnen abgetastet, indem z.B. die Sonde 13 in die Bohrung 11 eingebracht wird und sich dabei das Werkstück 10 um die Bohrungsachse dreht. Alternativ hierzu kann sich auch die Sonde 13 oder Teile der Sonde, insbesondere der Umlenkspiegel 20 drehen.

Die folgenden Messungen erlauben eine vollständige Charakterisierung der zu prüfenden Oberfläche 12 :

Eine erste Messung dient zur Bestimmung des Verhältnisses der im Glasfaserring 16 empfangenen Lichtintensität zu der primären Beleuchtungsintensität durch den Laserstrahl 21. Das aus diesen beiden Grössen gebildete Verhältnis zeigt dunkle Stellen auf der Oberfläche 12 an und erlaubt Rückschlüsse auf Rückstände auf der Oberfläche, auf Lunker, Risse und ähnliche Fehler.

Bei einer zweiten Messung wird das Verhältnis der im inneren Glasfaserring 15 empfangenen Lichtintensität zu derjenigen in den Glasfasersektoren 18 gebildet, wobei der Integralwert über die Messungen in den verschiedenen Lichtleitern 18 gebildet wird. Das hieraus sich ergebende Lichtintensitätsverhältnis gibt Aufschlüsse über die Politurgüte und erlaubt somit die Erkennung von Läpp- oder Honfehlern, von Riefen, Macken, Kratzern und dgl.

In einem dritten Messverfahren wird das Verhältnis gebildet, zwischen den jeweils in den einzelnen Glasfasersektoren 18 empfangenen Lichtintensitäten. Dieses Verhältnis gibt Aufschluss über Änderungen der Strukturrichtung und zeigt somit Läppfehler. Kratzer und dgl. auf.

Die Anordnung gemäss Figur 2a und 2b ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Anordnung gemäss Figur 1, weshalb gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet sind. Der wesentliche Unterschied der Anordnung gemäss Figur 2 zur vorher beschriebenen Anordnung besteht darin, dass das zentrale Rohr 15 einen grösseren Innendurchmesser von ca. 2mm hat und dass der zentrale Glasfaserring 16 entfällt. Die Rückleitung der an der Oberfläche 12 gestreuten Laserstrahlen im Hellfeld erfolgt bei diesem Aufführungsbeispiel über Luft durch den zentralen Kanal 14, durch welchen der Laserstrahl 21 zur Oberfläche hingeführt wird. Auch bei der Anordnung gemäss Figur 2 schliesst der zentrale Kanal 14 in einer Ebene mit den ihn umgebenden Endflächen der Lichtleitkabel 18 ab. Am Eingang der Sonde 13 ist zurTrennung der verschiedenen Strahlen ein teildurchlässiger Spiegel 22 angeordnet, mittels dessen die zurückgeworfenen Lichtstrahlen auf eine Mess-

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einrichtung 23 für das Hellfeld abgelenkt werden. Bei der Sonde gemäss Figur 2 wird das in der Reflexionsrichtung nur wenig geänderte zurückgeworfene Licht also nicht über Lichtleitfasern, sondern durch das vergrösserte Rohr 15 zurückgeführt und über den teildurchlässigen Spiegel 22 auf den Fotoempfänger der Messeinrichtung 23 ausgekoppelt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass insbesondere das direkt von der Werkstückoberfläche in sich reflektierte Licht erfasst wird, während mit der Anordnung nach Figur 1 aus diesem Reflex nur ein äusserer Ring von 4°-5° Öffnung erfasst wird, wodurch schon Dunkelfeldanteile mitregistriert 5 werden. Mit der Anordnung nach Figur 2 ist demzufolge eine klarere Trennung zwischen Hell- und Dunkelreflexion möglich.

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1 Blatt Zeichnungen