DE10160809B4

DE10160809B4 - Verfahren zum berührungslosen Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück eingebrachten Bohrung

Info

Publication number: DE10160809B4
Application number: DE2001160809
Authority: DE
Inventors: Gert Goch; Peter Lehmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: DE10160809A1

Abstract

Verfahren zum berührungslosen Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10) eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11) mittels Ultraschall, bei der ein in die Bohrung (11) im Werkstück (10) eintauchendes Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem auf seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel an der Innenwandfläche (111) der Bohrungswand (112) ansetzt und dabei das Bearbeitungswerkzeug (14) und/oder das Werkstück (10) rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungswand (112) mittels eines von einem Oszillator (27) angeregten Ultraschallwandlers (22) mit einer Folge von sinusförmigen Ultraschall-Sendesignalen kurzer Signaldauer (Burst) beschallt wird, durch Reflexionen im Werkstück (10) entstehende Echosignale mittels des Ultraschallwandlers (22) empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt werden, daß in jedem Empfangssignal die Phasendifferenz (Δφ) eines durch Reflexion des Ultraschall-Sendesignals an der Innenwandfläche (111) der Bohrungswand (112) entstehenden Rückwand-Echosignals gegenüber einem Referenzsignal gemessen wird, daß die Änderung der Phasendifferenz (δφ) in aufeinanderfolgenden Empfangssignalen bestimmt und daraus der Materialabtrag ermittelt wird und daß die Folgefrequenz der...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum berührungslosen Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung, mittels Ultraschall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Verfahren zum berührungslosen Messen der Wanddicke eines Hohlzylinders bei der Innenrundfeinbearbeitung (Tönshoff, Rohr, Althaus: "Process Control in Internal Grinding", Annals of the CIRP Vol. 29/1 1980, Seite 201-211) wird der Hohlzylinder von außen mit einem Ultraschallimpuls beaufschlagt und die Laufzeit zwischen dem mittels eines fluiden Mediums in den Hohlzylinder eingekoppelten Sendeimpuls und dem durch Reflexion des Sendeimpuls an der Innenwand des Hohlzylinders entstehenden Rückwandecho gemessen. Mit der bekannten Schallgeschwindigkeit im Material des Hohlzylinders wird aus der Zeitdifferenz die Wanddicke berechnet. Die Genauigkeit des Meßverfahrens ist durch die Auflösung der Zeitmessung begrenzt. Um Wandänderungen in metallischen Werkstücken in der Größenordnung vom 0,1 μm auflösen zu können, muß die Zeitmessung Laufzeitänderungen von weniger als 50 ps registrieren, was Abtastfrequenzen größer 400 GHz und einen sehr hohen Aufwand bei der Signalerzeugung erfordert.
Bei einem bekannten Verfahren zum berührungslosen Messen des Durchmessers eines auf einer Werkbank gedrehten Vollzylinders (Lierath, Molitor: "Fluid-Coupled Diameter Measurement Equipment for Lathes, Production Engineering Vol. VIII/1, 2001, Seite 159-162) werden innerhalb eines auf den Vollzylinder gerichteten Flüssigkeitsstrahls, vorzugsweise aus Wasser, sinusförmige Ultraschall-Sendesignale mit kurzer Signaldauer mit einer Signalfrequenz von bis zu 20 MHz zum Vollzylinder abgestrahlt und die an der Oberfläche des Vollzylinders durch Reflexion entstehenden Echosignale empfangen. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen dem Sendesignal und dem Echosignal wird der Abstand des den Sender und den Empfänger enthaltenden Meßkopfes zur Oberfläche des Vollzylinders berechnet. Aus dem Abstand ergibt sich unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit im Flüssigkeitsstrahl der momentane Zylinderdurchmesser.
Um das Echosignal von weiteren Echosignalen, die durch Reflexionen des Sendesignals an Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Vollzylinders entstehen, z.B. durch Vertiefungen, Einkerbungen und dgl., unterscheiden zu können, wird das Empfangssignal des Empfängers in einem festen Zeitfenster abgetastet und einem FFT-Algorithmus unterzogen, wobei das Zeitfenster jeweils um einen Abtastpunkt weitergeschoben wird. Durch dieses Verfahren entsteht eine dreidimensionale Darstellung von Imaginärteil und Realteil des Empfangssignals längs einer Zeitachse. Vom Zeitpunkt der Detektion des ersten Echosignals an, wird der komplexe Raum, in der sich die Meßpunkte befinden, durch einen Zylindermantel eingehüllt. Streut ein folgender Meßpunkt aus dem Zylindermantel, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß das erste Echosignal von einem weiteren Echosignal überlagert ist. Die Echosignale lassen sich somit trennen und somit die Laufzeitdifferenz des ersten Echosignals zur Ableitung des Zylinderdurchmessers bestimmen.
Neben der berührungslosen Messung des Durchmessers des Vollzylinders durch Messen des Abstands zwischen Zylinderoberfläche und Meßkopf bietet das bekannte Verfahren auch die Möglichkeit, Unregelmäßigkeiten in der glatten Oberfläche des Vollzylinders, wie Vertiefungen, Rinnen, Furchen, Einschnitte und dgl., zu messen. Für diesen Fall wird die Zeitdifferenz zwischen zwei jeweils die Meßpunkte eines Echosignals enthaltenden Zylindermänteln gemessen. Die Multiplikation dieser Zeitdifferenz mit der Schallgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsstrahl ergibt die Tiefe der vorhandenen Unregelmäßigkeiten.
Bei einem bekannten Verfahren zur Messung der Tiefe einer in einem Werkstück eingeschnittenen Nut mittels eines aus Sender und Empfänger bestehenden Ultraschalldetektors ( EP 0 612 978 A1 ) werden mittels des Senders Ultraschallwellen in das Werkstück ausgesandt und die Zeiten zwischen dem Aussenden der Schallwellen und dem Empfang der im Werkstück reflektierten Schallwellen, den sog. Echos, und/oder die Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Schallwellen und den Echos gemessen und daraus die Tiefe der Nut bestimmt.
Es ist bekannt, zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall (Kautkrämer, J. und H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer Verlag Berlin, 1986, Seite 240, 241 und 259), die Dicke einer Platte durch sog. Laufzeitmessung von Schallsignalen zu bestimmen. Ein sog. Phasenmeßverfahren arbeitet dabei mit kontinuierlichen Wellen konstanter Frequenz. Zur Laufzeitmessung wird die Phase der Echowelle mit derjenigen der ausgehenden Welle verglichen. Ist die Laufstrecke hin und zurück in der Platte weniger als eine Wellenlänge, so läßt sie sich eindeutig aus der Phasendifferenz zwischen 0 und 2π, um welche die Empfangsspannung verspätet ist, messen. Bei größeren Dicken wird die Messung mehrdeutig. Man muß also, um nicht Fehler von einer ganzen Anzahl von Wellenlängen zu machen, den ungefähren Wert der Dicke der Platte bereits kennen.
Eine Methode zur Bestimmung der Phasenlage des Echos in einem Empfangssignal ist in der US 5 771 204 A beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß mit relativ geringen Anforderungen an die Grundfrequenz des Ultraschallsenders und der Abtastfrequenz bei der Signalverarbeitung, die beide im MHz-Bereich liegen, eine Auflösung der Wanddickenänderung von bis zu 0,1μm erreicht werden kann. Durch die Messung der Änderung der Phasendifferenzen in aufeinanderfolgenden Empfangssignalen wird nicht nur eine Vorlaufstrecke des Sendesignals vor Eintritt in das Werkstück kompensiert und ist damit unbeachtlich, sondern auch eine Abstimmung der Grundfrequenz der sog. Bursts auf die Dicke der Bohrungswand überflüssig, so daß die Bohrungswand in allen Fällen ein Vielfaches der in der Bohrungswand sich einstellenden Wellenlänge des Sendesignals betragen kann.
Infolge der Festlegung der Folgefrequenz der Sendesignale größer als die Rotationsfrequenz des Werkstücks, so daß für eine quasi unveränderte Wanddicke eine Gruppe aufeinanderfolgender Empfangssignale erhalten wird, und der Mittelwertbildung der Phasendifferenzen pro Gruppe wird eine Verbesserung der Meßgenauigkeit erzielt und auch bei verrauschten Sendesignalen die angestrebte Auflösung der Abtragsmessung erreicht. In diesem Fall werden die Mittelwerte der Phasendifferenzen in aufeinanderfolgenden Gruppen von Empfangssignalen subtrahiert und das Subtraktionsergebnis als Phasendifferenzänderung interpretiert, die die Grundlage für die Berechnung des Materialabtrags bildet. Eine solche Mittelwertbildung ist problemlos möglich, da die reine Meßzeit vom Aussenden des Sendesignals bis zum Empfang des Empfangssignals kleiner 10μs ist, so daß mit einer entsprechenden Wiederholfrequenz bei der Beschallung des Werkstücks mit einem sinusförmigen Signal kurzer Signaldauer (Burst) gearbeitet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Referenzsignal das durch Reflexion des jeweiligen Ultraschall-Sendesignals an der Außenfläche des Werkstücks entstehende Grenzschicht- oder Interface-Echo verwendet. Alternativ kann als Referenzsignal das jeweilige Sendesignal oder ein Rückwand-Echosignal höherer Ordnung verwendet werden, das durch Mehrfachreflexion des ersten Rückwand-Echosignals an der Grenzschicht von Werkstückmaterial und Umgebung, also an der Außenfläche des Werkstücks, einerseits und an der Grenzschicht von Werkstückmaterial und Bohrung, also an der Innenwandfläche der Bohrung, andererseits hervorgerufen wird.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
1 eine Längsschnitt einer Vorrichtung zur Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung in einem in der Vorrichtung eingespannten Werkstück in Verbindung mit einer Meßvorrichtung zur berührungslosen Messung des Abtrags an der Innenwandfläche der Bohrung,
2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in 1,
3 ein Blockschaltbild der Meßvorrichtung zur berührungslosen Abtragsmessung in 1,
4 eine bildliche Wiedergabe eines elektrischen Empfangssignals in der Meßvorrichtung gemäß 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück 10 eingebrachten, kleinen Bohrung 11 wird das Werkstück 10 in drei um 120° Drehwinkel zueinander versetzt angeordnete Greifbacken 121 eines Werkstückhalters 12 eingespannt, der mit einer bestimmten Drehzahl, z.B. 1500 U/min, in Richtung Pfeil 13 in 1 rotiert. Ein Bearbeitungswerkzeug 14 ist mit seinem Werkzeugschaft 15 in einer zugleich einen Werkzeughalter bildenden Spindel 16 festgespannt, die sich gemäß Pfeil 17 in 1 mit einer Arbeitsdrehzahl, z.B. 9000 U/min, in Gegenrichtung zu dem Werkstückhalter 12 dreht, sich aber auch in der gleichen Richtung wie der Werkstückhalter 12 drehen kann. An seinem in die Bohrung 11 des Werkstücks 10 eintauchenden, vorderen Ende trägt das Bearbeitungswerkzeug 14 ein an seinem Umfang angeordnetes Arbeitsmittel 18. Die Rotationsachsen von Werkstück 10 und Bearbeitungswerkzeug 14 verlaufen in der Regel parallel zueinander, und da das Werkzeug 14 einem radialen Vorschub in Richtung Pfeil 19 in 1 unterliegt, setzt das Arbeitsmittel 18 zu Erzeugung eines Abtrags in der Bohrung 11 mit einer Anpreßkraft an der Innenwandfläche 111 der Bohrungswand 112 an, die außen von der Außenfläche 101 des Werkstücks 10 begrenzt wird. Weist – wie im vorliegenden Fall – die Bohrung 11 eine gegenüber der axialen Länge des Arbeitsmittels 18 größere Bohrungstiefe auf, so führt das Bearbeitungswerkzeug 14 zusätzlich eine axiale Pendelbewegung oder Kurzhuboszillation aus, damit die Bohrung 11 gleichmäßig über die gesamte Bohrungstiefe bearbeitet wird. Die Kurzhuboszillation der Spindel 16 bzw. des Bearbeitungswerkzeugs 14 ist in 1 durch den Doppelpfeil 20 angedeutet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Innenrundfeinbearbeitung durch Schleifen ausgeführt, so daß das Arbeitsmittel 18 am Ende des Werkzeugschaftes 15 von einem Schleifbelag gebildet ist, der während des Schleifprozesses einer Abnutzung unterliegt. Die Innenrundfeinbearbeitung kann aber auch z.B. durch Honen erfolgen. Während der Innenrundfeinbearbeitung wird über einen im Werkzeugschaft 15 zentrisch verlaufenden Kühlschmierstoffkanal 21 Kühlschmierstoff in die Bohrung 11 eingebracht und gelangt dort an die zu bearbeitende Innenwandfläche 111 der Bohrungswand 112.
Da bei der Innenrundfeinbearbeitung der Bohrung 11 sehr hohe Anforderungen an den zu fertigenden Innendurchmesser der Bohrung 11 gestellt werden, dessen Toleranz kleiner 1 μm sein muß, wird während des Bearbeitungsprozesses, im vorliegenden Fall während des Schleifprozesses mittels einer Ultraschall-Meßvorrichtung 23 fortlaufend der von dem Schleifwerkzeug bewirkte Abtrag an der Innenwandfläche 111 der Bohrung 11 gemessen. Die Meßvorrichtung 23 weist mindestens einen Ultraschallwandler 22 auf, der außerhalb des Werkstücks 10 angeordnet ist und durch ein zwischen der Außenfläche 101 ausgebildeten Flüssigkeitsfilm 25 (3) schallmäßig an das Werkstück 10 angekoppelt ist. Als Flüssigkeit wird hierzu bevorzugt der für das Schleifen ohnehin vorhandene Kühlschmierstoff verwendet. Wie in der Querschnittsdarstellung der 2 zu sehen ist, sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel drei um 120° gegeneinander versetzte Ultraschallwandler 22 in der beschriebenen Weise am Außenumfang des Werkstücks 10 fest angeordnet, so daß sie sich mit dem Werkstück 10 drehen. Zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsfilms 25 zwischen den Sendeflächen des Ultraschallwandler 22 und der Außenfläche 101 des Werkstücks 10 ist jedem Ultraschallwandler 22 eine Kühlschmierstoffversorgung 24 zugeordnet, die in 2 nur schematisch angedeutet ist.
Jeder Ultraschallwandler 22 arbeitet als Sendewandler und als Empfangswandler und wird hierzu über einen Schalter 26 einerseits an den Ausgang eines Hochfrequenz-Oszillators 27 und andererseits an den Eingang eines elektrischen Verstärkers 28 gelegt. Der hier nur symbolisch als mechanischer Schalter dargestellte Schalter 26 wird von einer Steuerelektronik 29 gesteuert, die den Schalter 26 nach Aussenden eines Sendesignals kurzer Signaldauer, eines sog. Burst, umschaltet und vor Aussenden des nächsten Burst wieder zurückstellt. Damit ist der Ultraschallwandler 22 im Sendebetrieb mit dem Ausgang des HF-Oszillators 27 und im Empfangsbetrieb mit dem Eingang des Verstärkers 28 verbunden. Dem Verstärker 28 ist ein Analog-/Digital-Wandler 30 nachgeordnet. Das digitalgewandelte Empfangssignal wird im Analyseblock 31 einer FFT-basierten Signalanalyse unterzogen, welche die Imaginärteile und die Realteile der im Empfangssignal enthaltenen Signalanteile liefert. Dem Analyseblock 31 ist ein Rechenglied 32 zur Berechnung der Phasen φ der im Empfangssignal enthaltenen Signalanteile Interface-Echosignal und Rückwand-Echosignal, ein Differenzbildner 33 zur Bildung der Phasendifferenz Δφ zwischen den Signalanteilen, ein Speicher 37, z.B. ein Schieberregister, zum Speichern von mindestens zwei aufeinanderfolgend vom Rechenglied 32 ausgegebenen Phasendifferenzwerte Δφ_n und Δφ_n+1, ein Subtrahierer 38 zur Berechnung der Änderung δφ der Phasendifferenz in aufeinanderfolgenden Empfangssignalen und ein Rechenglied 34 zur Berechnung der Dickenänderung δd der Bohrungswand 112 während der Innenrundfeinbearbeitung nachgeschaltet. Dem Rechenglied 34 ist eine Anzeigeeinheit 35 nachgeordnet, in der die Wanddickenänderung δd, also der Abtrag an der Bohrungswand 112, numerisch dargestellt wird.
Mit der vorstehend beschriebenen Meßvorrichtung 23 wird während der Innenrundfeinbearbeitung der Bohrung 11 der von dem Schleifwerkzeug bewirkte Materialabtrag an der Innenwandfläche 111 der Bohrung 11, der sich in einer Wanddickenänderung δd der Bohrungswand 112 manifestiert, wie folgt gemessen:
Mit jedem von der Steuerelektronik 29 an den HF-Oszillator 27 angelegten Triggerimpuls wird der Ultraschallwandler 22 mit einem elektrischen Burst, d.h. einem sinusförmigen Signal kurzer Signaldauer, angeregt. In einem Beispiel kann die Grundfrequenz des sinusförmigen Signals 79 MHz und die Signaldauer 700 ns betragen. Der Ultraschallwandler 22 sendet ein gleiches Ultraschall-Sendesignal aus, das über den Flüssigkeitsfilm 25 in die Bohrungswand 112 eingekoppelt wird. Nach Aussenden des Ultraschall-Sendesignals wird der Schalter 26 von der Steuerelektronik 29 umgeschaltet. Das vom Ultraschallwandler 22 in die Bohrungswand 112 abgestrahlte Sendesignal wird an der Außenwandfläche der Bohrungswand 112 teilweise reflektiert, durchläuft die Bohrungswand 112 und wird an der Innenwandfläche 111 der Bohrungswand 112 erneut reflektiert. Das durch Reflexion an der Außenfläche 101 entstehende sog. Interface-Echosignal und das durch Reflexion an der Innenwandfläche 111 entstehende sog. Rückwand-Echosignal werden von dem Ultraschallwandler 22 empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umgesetzt, in dem diese Echosignale detektierbar sind.
In 4 ist das am Ausgang des Ultraschallwandlers 22 bzw. am Eingang des Verstärkers 28 anstehende, elektrische Empfangssignal schematisch dargestellt, wobei eine Reflexion des Sendesignals an der Außenfläche 101 des Werkstücks 10 und nur eine einzige Reflexion des Sendesignals an der Innenwandfläche 111 angenommen ist. Deutlich ist zu sehen, daß durch die größere Laufstrecke des ersten Rückwand-Echos gegenüber dem Interface-Echo, die der doppelten Wanddicke d entspricht, eine Zeitverzögerung zwischen den Signalanteilen besteht, die zu einer Phasenverschiebung bzw. eine Phasendifferenz Δφ des ersten Rückwand-Echos gegenüber dem Interface-Echo im Empfangssignal führt. Der Zusammenhang zwischen der Zeitdifferenz Δt und der Phasendifferenz Δφ ist gleichungsmäßig in 4 angegeben.
Zur Bestimmung der Phasendifferenz Δφ wird das im Verstärker 28 verstärkte Empfangssignal im A/D-Wandler 30 über einen Zeitraum kontinuierlich abgetastet, der sowohl das vollständige Interface-Echosignal als auch das vollständige Rückwand-Echosignal überdeckt. Die Abtastfrequenz und die Signaldauer des Burst sind so gewählt, daß das Interface-Echosignal und das Rückwand-Echosignal jeweils 256 Abtastwerte liefern. Da die Wanddicke der Bohrungswand 112 zu Beginn des Bearbeitungsprozesses bekannt ist, kann auch der Zeitversatz zwischen Interface- und Rückwand-Echosignal grob geschätzt werden.
Im Analyseblock 31 wird dem diskreten Abtastsignal ein Satz von z.B. 200 Abtastwerten aus dem Bereich des Interface-Echosignals und auf Grundlage des geschätzten Zeitversatzes ein gleicher Satz von z.B. 200 Abtastwerten aus dem Bereich des Rückwand-Echosignals entnommen. Die beiden Signalabschnitte werden jeweils mit einer geeigneten Fensterfunktion, z.B. einem Hanning-Fenster oder einem Blackman-Fenster, multipliziert. Die daraus resultierenden zwei Datensätze s₁(n) und s₂(n) mit n = 1, 2, ..., 200 werden jeweils einer diskreten Fourier-Transformation für die Signalfrequenz f₀ des Burst unterzogen, indem die spektralen Koeffizienten S(f₀) gemäß
berechnet werden, wobei Δt das Abtastintervall ist. Im Rechenglied 32 werden aus dem Imaginärteil und dem Realteil der spektralen Koeffizienten S(f₀) die Phase φ gemäß
für jeden Signalausschnitt mit den Datensätzen s₁(n) und s₂(n) berechnet. Im Differenzbildner 33 wird aus den damit erhaltenen Phasenlagen φ_IE und φ_RE von Interface-Echosignal IE und Rückwand-Echosignal RE die Phasendifferenz Δφ, also die Phasenverschiebung Δφ des Rückwand-Echosignals gegenüber dem Interface-Echosignal, berechnet. Diese Phasenverschiebung Δφ wird als Phasendifferenz Δφ₁ des ersten Empfangssignals in dem Speicher 37 bzw. in das Schieberregister eingeschrieben.
Mit dem nächsten, an den HF-Oszillator 27 gelangenden Triggerimpuls der Steuerelektronik 29 wiederholt sich der vorbeschriebene Vorgang, wobei der Rechner 32 in gleicher Weise eine Phasendifferenz Δφ₂ der im zweiten Empfangssignal enthaltene Echosignale liefert, die ebenfalls im Speicher 37 abgelegt wird. In dem auf die beiden Speicherplätze des Speichers 37 zugreifenden Subtrahierer 38 wird zur Bestimmung der Phasendifferenzänderung δφ die aus dem zweiten Empfangssignal gewonnene Phasendifferenz Δφ₂ von der aus dem ersten Empfangssignal gewonnenen Phasendifferenz Δφ₁ subtrahiert und die Phasendifferenzänderung δφ dem Rechenglied 34 zugeführt. Das Rechenglied 34 berechnet aus der Phasendifferenzänderung δφ und der sich im Werkstückmaterial 10 ausbildenden Wellenlängen λ des Ultraschall-Sendesignals die Wanddickenänderung δd, der Bohrungswand 112 gemäß
wobei
f₀ die Grundfrequenz des Sendesignals und ν die Schallgeschwindigkeit im Werkstückmaterial ist. Die Wanddickenänderung δd wird als Maß für den Materialabtrag in der Anzeigevorrichtung 35 numerisch dargestellt.
Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend mit jedem vom Ultraschallwandler 22 ausgesandten Burst, wobei die für jeden Burst ermittelte Phasendifferenz Δφ_n im Speicher 37 eingeschrieben wird und der auf die beiden Speicherplätze n und n + 1 zugreifende Subtrahierer 38 immer die Phasendifferenzänderung δφ zwischen zwei aufeinanderfolgende berechneten Phasendifferenzen Δφ_n und Δφ_n+1 berechnet, so daß die Wanddickenänderung δd immer unmittelbar zwischen zwei aufeinanderfolgenden Empfangssignalen berechnet wird.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Referenzsignal, zu dem die Phasenverschiebung Δφ des Rückwand-Echos ermittelt wird, das sog. Interface-Echo verwendet. Anstelle des Interface-Echos kann auch das vom HF-Oszillator 27 selbst erzeugte Sendesignal verwendet werden. In diesem Fall kann auf den Schalter 26 verzichtet werden, so daß das Sendesignal direkt an den Verstärker 28 gelangt. Bei größeren Signalspannungen des Sendesignals ist dann jedoch im Empfangszweig ein geeigneter Signalabschwächer vorzusehen, der für die Dauer des vom HF-Oszillator 27 abgestrahlten Sendesignals eingeschaltet wird. Eventuell ist nach dem Aussenden des Sendesignals im Sendezweig ein weiterer Abschwächer hinzuzuschalten, um das durch den HF-Oszillator 27 verursachte Rauschen zu reduzieren.
Bei genügend hoher Signalamplitude des Sendesignals kann eine Mehrfachreflexion des Schalls in der Bohrungswand 112 auftreten, die durch entsprechende, Signalanteile im Empfangssignal erfaßt werden kann. Dabei wird das Rückwand-Echo an den Grenzschichten der Bohrungswand 112 mehrfach reflektiert, so daß im Empfangssignal neben dem ersten Rückwand-Echo weitere Rückwand-Echos höherer Ordnung auftreten. Bei ausreichender Amplitude der weiteren Rückwand-Echos und damit verbundener Detektierbarkeit im Empfangssignal kann auch eines der Rückwand-Echos höherer Ordnung als Referenzsignal zur Berechnung der Phasenverschiebung des ersten Rückwand-Echos herangezogen werden.
Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit wird die Folgefrequenz der von der Steuerelektronik 29 ausgelösten Ultraschall-Sendesignale (Burst) größer gewählt als die Rotationsfrequenz des Werkstücks 10. In diesen Fällen wird eine Gruppe aufeinanderfolgender Empfangssignale von einer unveränderten Wanddicke erhalten, so daß in diesen Empfangssignalen die Phasendifferenzen Δφ des Rückwand-Echos gegenüber den Referenzsignalen nur wenig verändert sind. Diese Phasendifferenzen Δφ werden gemittelt und dann von dem Mittelwert, der in gleicher Weise von einer vorausgegangenen Gruppe von Empfangssignale gebildet worden ist, subtrahiert. Aus der Änderung der Mittelwerte der Phasendifferenzen Δφ in aufeinanderfolgenden Gruppen wird dann im Rechner 34 die Wanddickenänderung δd der Bohrungswand 112 wie vorstehend angegeben bestimmt. Wie in 3 strichliniert eingezeichnet ist, wird hierzu in der Meßvorrichtung 23 noch zusätzlich ein Mittelwertbildner 36 vorgesehen, der dann zwischen dem Ausgang des Differenzbildners 33 und dem Eingang des Speichers 37 eingeschaltet wird, so daß der Subtrahierer 38 immer auf die im Speicher 37 aufeinanderfolgend abgelegten Mittelwerte der Phasendifferenzen zugreift.
Das beschriebene Verfahren läßt sich dahingehend erweitern, daß nicht nur die Änderung der Wanddicke δd der Bohrungswand 112 als Maß für den Materialabtrag bei der Bearbeitung der Bohrung 11, sondern auch die momentane Wanddicke d der Bohrungswand 112 erfaßt wird, deren zeitliche Abnahme ebenso den Materialabtrag ausweist. In diesem Fall werden die aufeinanderfolgend in das Werkstück 10 abgestrahlten Burst abwechselnd mit einer ersten Signalfrequenz f₁ und einer zweiten Signalfrequenz f₂ ausgesendet. Die Burst haben die gleiche, kurze Signaldauer von z.B. 700 ns. Die Sendefrequenzen f₁ und f₂ sind nur wenig voneinander verschieden und betragen beispielsweise 79 MHz und 80 MHz. In gleicher Weise wie vorstehend beschrieben worden ist, wird nunmehr die Änderung der Phasendifferenz δφ aufeinanderfolgender Empfangssignale bestimmt und in einem weiteren Rechner 39 die Wanddicke d der Bohrungswand 112 gemäß
berechnet, wobei sich λ₁ und λ₂ aus
mit i = 1, 2 ergibt, und ν die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Werkstücks 10 ist. Die momentane Wanddicke d wird dann ebenfalls in der Anzeigeeinheit 35 dargestellt. Die Modifikation ist in 3 strichliniert eingezeichnet.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es bei der Innenrundfeinbearbeitung der Bohrung 11 nicht erforderlich, daß sowohl das Werkstück 10 als auch das Bearbeitungswerkzeug 14 rotiert. Bei geringeren Anforderungen an Bearbeitungszeit und Bearbeitungsqualität genügt es, daß eines der beiden Teile in Rotation versetzt wird.
Ist bei der FFT-basierten Signalanalyse der Zeitversatz zwischen Referenzsignal und Rückwand-Echosignal völlig unbekannt, so wird das gesamte Empfangssignal mit einem z.B. 200 Abtastwerte umfassenden, gleitenden Datenfenster "gescannt", d.h. jeweils um ein weiteres Abtastintervall versetzt nach und nach über das Empfangssignal geschoben. Für jede Position des Datenfensters wird die vorstehend beschriebene Prozedur durchlaufen, also die Abtastwerte im Datenfenster mit einer Fensterfunktion (Hanning, Blackmann) multipliziert, die Datensätze einer diskreten Fouriertransformation unterzogen und aus den Imaginär- und Realteilen die Phasenlagen berechnet.
Die beispielhaft als Hardwarekomponenten beschriebenen Baugruppen 30-39 (mit Ausnahme der Anzeigeeinheit 35) im Blockschaltbild der 3 werden vorteilhaft mit entsprechenden Softwarefunktionen realisiert, die in einem Mikroprozessor implementiert sind.

Claims

Verfahren zum berührungslosen Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10) eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11) mittels Ultraschall, bei der ein in die Bohrung (11) im Werkstück (10) eintauchendes Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem auf seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel an der Innenwandfläche (111) der Bohrungswand (112) ansetzt und dabei das Bearbeitungswerkzeug (14) und/oder das Werkstück (10) rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungswand (112) mittels eines von einem Oszillator (27) angeregten Ultraschallwandlers (22) mit einer Folge von sinusförmigen Ultraschall-Sendesignalen kurzer Signaldauer (Burst) beschallt wird, durch Reflexionen im Werkstück (10) entstehende Echosignale mittels des Ultraschallwandlers (22) empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt werden, daß in jedem Empfangssignal die Phasendifferenz (Δφ) eines durch Reflexion des Ultraschall-Sendesignals an der Innenwandfläche (111) der Bohrungswand (112) entstehenden Rückwand-Echosignals gegenüber einem Referenzsignal gemessen wird, daß die Änderung der Phasendifferenz (δφ) in aufeinanderfolgenden Empfangssignalen bestimmt und daraus der Materialabtrag ermittelt wird und daß die Folgefrequenz der Sendesignale größer gewählt wird als die Rotationsfrequenz des Werkstücks (10) und alle Phasendifferenzen (Δφ), die sich nur innerhalb vorgegebener Grenzen in mit Folgefrequenz erhaltenen Empfangssignalen verändern, gemittelt werden und die zur Ermittlung des Materialabtrags herangezogene Änderung der Phasendifferenz in aufeinanderfolgenden Empfangssignalen als Änderung aufeinanderfolgender Mittelwerte bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzsignal das dem Ultraschallwandler (22) zugeführte Ausgangssignal des Oszillators (27) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzsignal ein durch Reflexion des jeweiligen Ultraschall-Sendesignals an der Außenfläche (101) des Werkstücks (10) entstehendes, im Empfangssignal enthaltenes Interface-Echosignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzsignal ein im Empfangssignal enthaltenes Rückwand-Echosignal höherer Ordnung verwendet wird, das durch Mehrfachreflexion des Rückwand-Echosignals in der Bohrungswand (112) hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendesignale die gleiche Signalfrequenz (f₀) aufweisen und daß aus der Änderung der Phasendifferenz (δφ) aufeinanderfolgender Empfangssignale die Abnahme der Wanddicke (δd) der Bohrungswand (112) gemäß
berechnet wird, wobei
und ν die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Werkstücks (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalfrequenz (f₀) des Sendesignals ca. 79 MHz und die Signaldauer ca. 700 ns gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Sendesignale abwechselnd mit einer von zwei Signalfrequenzen (f₁, f₂) gesendet werden, die wenig voneinander verschieden sind, und daß aus der Änderung der Phasendifferenz (δφ) aufeinanderfolgender Empfangssignale die momentane Wanddicke (d) der Bohrungswand (112) gemäß
berechnet wird, wobei
und ν die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Werkstücks (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalfrequenz (f₁, f₂) der aufeinanderfolgenden Sendesignale 79 MHz und 80 MHz gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Empfangssignal über einen das Referenzsignal und das Rückwand-Echosignal umfassenden Zeitraum kontinuierlich abgetastet wird, daß dem diskreten Abtastsignal jeweils ein Signalabschnitt mit einer gleichen Anzahl von Abtastwerten aus dem Bereich des Referenzsignals und aus dem Bereich des Rückwand-Echosignals entnommen wird und die beiden Signalabschnitte jeweils mit einer Fensterfunktion multipliziert werden, daß jeder der beiden aus der Multiplikation resultierenden Datensätze einer diskreten Fouriertransformation für die bekannte Signalfrequenz (f₀) unterzogen wird, daß aus dem Imaginär- und Realteil jeder der beiden Datensätze die Phasenlage φ von Referenz- und Rückwand-Echosignal berechnet und daraus die Phasendifferenz (Δφ) gebildet wird.
Verfahren nach einem der _Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über jedes Empfangssignal ein eine fest vorgegebene Anzahl von Abtastwerten umfassendes Datenfenster um jeweils einen Abtastschritt versetzt hinweggeschoben wird, daß für jede Position des Datenfensters alle Abtastwerte mit einer Fensterfunktion multipliziert werden, daß jeder der aus der Multiplikation resultierenden Datensätze einer diskreten Fouriertransformation für die bekannte Signalfrequenz (f₀) unterzogen und aus dem Imaginär- und Realteil die Phasenlage berechnet wird und daß aus der Differenz der sich dadurch bildenden Abschnitte konstanter Phasenlage die Phasendifferenz (Δφ) zwischen Referenzsignal und Rückwand-Echosignal bestimmt wird.