DE10119669A1

DE10119669A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen und/oder Erkennen von Prüfobjekten, insbesondere solchen mit Gewinde

Info

Publication number: DE10119669A1
Application number: DE2001119669
Authority: DE
Inventors: Katja Hillenbrand
Original assignee: Micas AG
Current assignee: Micas AG
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen und/oder Erkennen von Prüfobjekten - insbesondere solchen mit Gewinde - mit Hilfe eines miniaturisierten Radarsensors mit stabförmiger, kombinierter Sende- und Emp fangsantenne mit A/D-Wandler und mit einer rechnergestützen Auswerteeinheit.

Die Kontrolle von Gewinden erfolgt - insbesondere beim Einrichten von automati schen Taktstraßen und dergleichen - nur während des Testbetriebes mit Hilfe mechanischer Messmittel oder durch Ein- und Ausdrehen einer Schraube. Bei der Herstellung von Gewinde wird vorrangig das Werkzeug überwacht. Eine permanente Kontrolle des Arbeitsergebnisses beim Gewindeschneiden erfolgt bisher mangels geeigneter Messmittel nicht.

In fast allen automatisierten und teilautomatisierten Fertigungsprozessen werden sehr viele Teile mittels Gewinde miteinander verschraubt. Für diese Prozesse, in die der Mensch nicht einbezogen ist, ist es wichtig, das Vorhandensein von Gewinde an sich sowie die wesentlichsten Parameter des erzeugten Gewindes regelmäßig zu kontrollieren. Sobald ein Gewinde nicht vorhanden oder nicht qualitätsgerecht ausgeführt ist, führt das zu erheblichen Nacharbeitsaufwendun gen. Eine permanente Überwachung der im automatischen Prozess hergestellten Gewinde ist daher im hohen Maß geboten.

Durch die DE 43 37 060 A1 wird eine Vorrichtung zum Erkennen und/oder Prüfen von Produkten vorgeschlagen, die auch geeignet ist, bestimmte Ober flächenstrukturen des Prüfobjektes zu erkennen.

Diese Vorrichtung besteht aus einem stationär angeordneten, miniaturisierten Radarsensor, dessen Antenne gegen die Prüfobjekte gerichtet ist. Das von diesem Radarsensor abgestrahlte Signal wird von der Oberfläche des Prüf objektes reflektiert. Dieses reflektierte Signal wird von der Empfangseinheit wieder erfasst und über einen A/D-Wandler einem PC mit der Funktion einer Auswerteeinheit zugeführt.

Nach dem sog. Teach-In-Verfahren speichert der Computer die wesentlichsten Parameter der erwarteten SOLL-Form als Vergleichsbasis. Die dann gemesse nen Signale werden während des Messvorganges mit der gespeicherten SOLL- Form verglichen. Aus diesem Vergleich ermittelt die Software der Auswerteein heit anhand bestimmter Vorgaben Informationen für den Bediener oder es wer den bestimmte Schaltvorgänge ausgelöst, die die Fortsetzung des Prozesses ermöglichen.

Diese Verfahrensweise eignet sich für das Erkennen bestimmter Gegenstände und ihrer Lage bei sehr geringem Aufwand.

Es ist jedoch nicht möglich, mit diesem Verfahren das Prüfen der Qualität eines außen liegenden Gewindes oder gar das Prüfen und Erkennen von Gewinde in einer oder mehreren Bohrungen pro Werkstück in vertretbaren Taktzeiten zu bewerkstelligen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine einfache und in einen automatischen Prozess einfügbare Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem/der es möglich ist, das Vorhandensein von Gewinde in einer Gruppe von Bohrungen pro Werkstück zu erfassen und/oder die Qualität des Gewindes hinsichtlich seiner wesentlichsten Gebrauchseigenschaften zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Radarsensor gemeinsam mit seiner stabförmigen Antenne während des Messvorganges im geringen Abstand relativ zu dem Gewinde bewegt wird.

Die besonderen, in Anspruch 1 definierten Relationen zwischen der reproduzier baren Geschwindigkeit, der Frequenz des gesendeten Signales und dem Ab stand der Antenne zur reflektierenden Oberfläche erlaubt der Auswerteeinheit auf der Grundlage der Gesetze des Dopplereffektes und der dadurch bewirkten Frequenzverschiebung die Bereitstellung von für diesen Zweck aussagefähigen Differenzsignalen.

Aus diesem Differenzsignal können mit hoher Zuverlässigkeit das Vorhandensein von Gewinde und - wenn erforderlich - auch die Qualität des Gewindes bestimmt werden.

Die der Auswerteeinheit zugeordnete Software ist auf der Grundlage des sog. Dopplereffektes gestaltbar. Die Größe der während der Bewegung gemessenen Frequenzverschiebung ist ein Maßstab für die Höhe der Gewindegänge oder für die Anwesenheit von Gewindegängen.

Die Modifizierung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist zweckmäßig, wenn eine Bewertung der Qualität des Gewindes erforderlich ist.

Für die einfache Feststellung, ob ein Gewinde vorhanden ist oder nicht, bietet sich die Modifizierung des Verfahrens nach Anspruch 3 an.

Die Gestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in besonderer Weise für die Handhabung mittels üblicher Manipulatoren geeignet.

Die Anordnung einer Schnittstelle am Radarsensor und die ortsunabhängige Verbindung zur Auswerteeinheit nach Anspruch 5 ermöglicht die Übertragung der Auswertefunktion an einen zentralen Steuerrechner oder an den Steuerrechner des Manipulators.

Die im Anspruch 6 genannten Frequenzbereiche sind insbesondere für die Messung der Gewinde üblicher Größen geeignet.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert wer den. In den einzelnen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Radarsensors mit Antenne während des Messvorganges in einer Gewindebohrung,

Fig. 2 eine zweite Variante des Einsatzes des Radarsensors mit Antenne während seiner Bewegung über die Eingangsöffnung der Gewinde bohrungen und

Fig. 3 ein Messdiagramm für die Erfassung von Gewinde in Bohrungen nach dem Prinzip der Fig. 2.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsweise wird die Qualität des Gewindes 22 - insbesondere die Tiefe seiner Gänge - überprüft.

Mit dieser Vorrichtung lässt sich feststellen, ob eine standardisierte Schraube mit ausreichend geringem Kraftaufwand in die Gewindebohrung 2 des Werkstückes 1 eingedreht werden kann und ihre Befestigungsfunktion realisiert. Die Sende- und Empfangsantenne 31 des Radarsystems, insbesondere des Radarsensors 3 wird im Abstand a von etwa 1 bis 5 mm parallel zum Gewinde 22 und parallel zur Gewindeachse 21 bewegt. Die Geschwindigkeit Vr der Relativbewegung zwischen dem Gewinde 22 und der Sende- und Empfangsantenne 31 wählt man zweckmäßigerweise zwischen 0,1 und 0,5 m/s.

Die Sendefrequenz liegt im Bereich zwischen 2 und 500 GHz. Vorzugsweise liegt sie bei 94 GHz. Sie wird in an sich bekannter Weise mittels Frequenzgenerator erzeugt. Aus dieser Sendfrequenz ergibt sich der optimale Abstand der Antenne vom Gewinde. Um zu verwertbaren Messergebnissen zu gelangen, sollte der Abstand a zwischen 0,25 und 3 Wellenlängen λ betragen.

Bei diesen Relationen zwischen Frequenz, Relativgeschwindigkeit Vr zwischen Gewinde 22 und Sende- und Empfangsantenne 31 und dem Abstand der Sende- und Empfangsantenne 31 zwischen Gewinde 22 können Signale erzeugt werden, die die Auswerteeinheit 6 nach den Gesetzen des Dopplereffektes zuverlässig auswerten kann.

Die SOLL-Parameter werden auf einfache Weise eingegeben, indem man ein vorschriftsmäßig ausgeführtes Prüfobjekt mit Gewinde 22 vorgibt und in der Auswerteeinheit 6 bzw. dem Steuerrechner als Vergleichsmuster speichert.

Damit die relativ hohe Präzision der gegenseitigen Relativbewegung zwischen Gewinde 22 und Sende- und Empfangsantenne 31 bei reproduzierbarer Ge schwindigkeit ausgeführt werden kann, ist es zweckmäßig, mindestens den Radarsensor 3 mit seiner Sende- und Empfangsantenne 31 mit dem Greifer 41 eines Manipulators 4 zu bewegen.

Ob die Auswerteeinheit 6 als Mikrocontroller gemeinsam mit dem Sensorsystem bewegt wird, oder ob man die Auswertung der Messergebnisse einem zentralen Steuerrechner 6 überlässt, mag dahingestellt bleiben. Die verwendbaren Über tragungsmedien sollten möglichst ortsunabhängig sein. Denkbar sind flexible Kabel 5, Funkverbindungen oder ähnliches.

Wichtig ist, dass die gegenseitige Verbindung fehlerfrei arbeitet und die Ver arbeitung der Informationen unter Echtzeitbedingungen erfolgt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird lediglich geprüft, ob die Bohrungen 23, 24, 25, 26 in dem Werkstück 1' mit Gewinde 22 versehen sind oder nicht. Ein gebündelter Strahl von Mikrowellen wird ggf. geneigt zur Achse der Gewindeboh rungen 23, 24, 25, 26 (in der Regel während einer kontinuierlichen Bewegung) auf dieselbe gerichtet. Der Abstand a' zwischen der Spitze der Sende- und Empfangsantenne 31 und der Ebene, in der sich die Bohrungen 23, 24, 25, 26 befinden, sollte zwischen 1 und 10 mm gewählt werden.

Die von dem Gewinde 22 dieser Bohrungen reflektierten Wellen werden durch den Radarsensor 3 erfasst. Die damit gewonnenen Impulse werden, wie vorn beschrieben, durch die Auswerteeinheit 6 aufbereitet.

Das dabei gewonnene Signal B (vgl. Fig. 3) aus einer Bohrung 26 ohne Gewinde weicht von demjenigen Signal A einer Bohrung 23, 24, 25 mit Gewinde 22 SO deutlich ab, dass die Auswerteeinheit 6 ein Signal ausgeben kann, durch wel ches Arbeitsschritte zur Beseitigung des Mangels ausgelöst werden können. Unter Umständen wird das fehlerhafte Werkstück aus dem automatischen Pro zess ausgeschieden.

Dieses Prinzip der Überwachung von Bohrungen mit Gewinde nach Fig. 2 ist regelmäßig einfach auszuführen, weil auf die Bewegung in das Innere der Boh rung verzichtet werden kann. Mit dieser Anordnung ist es bei Verwendung einer geeigneten Software auch möglich, abgebrochene Gewindebohrer, die sich noch in der Gewindebohrung befinden könnten, zu ermitteln.

Eine Qualitätsprüfung des Gewindes, wie sie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, ist jedoch mit dieser Anordnung nicht oder nur bedingt möglich. Die Antennenform müsste korrigiert oder der Radarsensor 3 schwenkbar angeordnet werden.

In Fig. 3 ist ein Diagramm aufgezeigt, das mit einer Vorrichtung nach Fig. 2 erfasst wurde. Die Sende- und Empfangsantenne 31 wurde hier über 6 Bohrun gen bewegt, von denen die dritte Bohrung kein Gewinde hat. Sie erzeugt nur einen sehr schwachen Impuls B.

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Bohrungen 23, 24, 25 mit Gewinde ein deutlich anderes Frequenzspektrum (vgl. A) aufweisen, als die Bohrung 26 ohne Gewinde. Das durch diese Bohrungen 23, 24, 25 mit Gewinde erzeugte Fre quenzsignal A unterscheides sich wesentlich von dem Frequenzsignal, das durch glatte Bohrungen erzeugt wird.

Bezugszeichenliste

1

,

1

' Werkstück, Prüfobjekt

2

Bohrung

21

Achse

22

Gewinde

23

,

24

,

25

Gewindebohrung

26

Bohrung ohne Gewinde

3

Radarsensor

31

,

31

' Sende- und Empfangsantenne

32

Schnittstelle

33

Positionierungselement

4

Manipulator

41

Greifer

5

Kabel, flexibel

6

Steuerrechner, Auswerteeinheit
A Frequenzsignal (Frequenzverschiebung durch Gewindebohrung)
B Frequenzsignal (glatte Bohrung)
U Spannung
Sec Zeit
Vr Relativgeschwindigkeit
a, a' Abstand
X, Y, Z Bewegungsebene (Greifer)

Claims

1. Verfahren zum Prüfen und/oder Erkennen von Prüfobjekten, insbesondere solchen mit Gewinde, mit Hilfe eines miniaturisierten Radarsensors (3) mit stabförmiger, kombinierter Sende- und Empfangsantenne (31) und mit einer rechnergestützen Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet,
dass zum Zweck des Prüfens oder Erkennens von Gewinde (22) die Spitze der stabförmigen Sende- und Empfangsantenne (31) des Radarsensors (3) während des Messvorganges in einem Abstand (a, a') zum Gewinde (22) zwischen 0,25 und 3 Wellenlängen bei Frequenzen von 2 bis 500 GHz mit einer reproduzierbaren Geschwindigkeit (Vr) zwischen 0,1 und 0,5 m/s bewegt wird und
dass die Frequenzverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Emp fangssignal nach dem Wirkprinzip des Dopplereffektes mittels Auswerte einheit detektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsantenne (31) des Radarsensors (3) im Abstand (a) von 1 bis 10 mm über das Gewinde (22) parallel zur Gewindeachse (21) bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsantenne (31) des Radarsensors (3) im Abstand (a') von 1 bis 10 mm über Eingangsöffnungen von Gewindebohrungen (23, 24, 25) bewegt wird.

4. Vorrichtung zum Prüfen und/oder Erkennen von Gewinde nach dem Verfah ren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der miniaturisierte Radarsensor (3) mit seiner stabförmigen Sende- und Empfangsantenne (31) eine Baueinheit bildet und
dass der Radarsensor (3) Positionierungselemente (33) für den Greifer (41) eines Manipulators (4) besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (3) mit einer Schnittstelle (32) ausgestattet ist und orts unabhängig mit einem Steuerrechner (6), dem die Auswertefunktion zu geordnet ist, verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (3) mit einem Frequenzgenerator für Frequenzen im Bereich zwischen 2 und 500 GHz ausgestattet ist.