DE102006025524A1

DE102006025524A1 - Sensorsystem, Messvorrichtung und Messverfahren zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers

Info

Publication number: DE102006025524A1
Application number: DE200610025524
Authority: DE
Inventors: Oliver Bleicher; Hans-Ulrich Dr. Krotil; Michael Stamml
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem für eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers mit einem Sensorkopf (7), in dem mindestens eine Anregungslichtleitfaser (17) zur Übertragung eines Anregungssignals zu dem Sensorkopf (7) und mindestens eine Detektionslichtleitfaser (18) zur Übertragung eines Detektionssignals von dem Sensorkopf (7) vorgesehen ist und der eine erste Sensorkopfflanke (14) aufweist, wobei das Faserende (22) der Anregungslichtleitfaser (17) und das Faserende (23) der Detektionslichtleitfaser (18) ein Faserendenpaar (24) ausbilden, das an der ersten Sensorkopfflanke (14) angeordnet ist, und der Sensorkopf (7) in eine Messposition gebracht werden kann, in der die erste Sensorkopfflanke (14) an dem Festkörper abgestützt und das Faserendenpaar (24) dem Festkörper (33) zugewandt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung mit einem solchen Sensorsystem sowie ein Messverfahren zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften des Festkörpers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem für eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers mit einem solchen Sensorsystem. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein photothermisches Messverfahren.
Nach der Herstellung von Zahnrädern für ein Getriebe o. ä. werden die Zahnräder und insbesondere die Zahnflanken der Zähne einer Schleifbearbeitung unterzogen. Durch das Schleifen kann es an manchen Stellen des Zahnrades zu erhöhten Erwärmungen des Zahnradwerkstoffs kommen. Bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes wird die molekulare bzw. atomare Struktur des Zahnradwerkstoffs an diesen Stellen derart verändert, dass an diesen Stellen eine höhere Härte gegeben ist, als an den anderen, weniger erwärmten Stellen. Man spricht hierbei vom so genannten Schleifbrand, durch den der Zahnradwerkstoff an diesen Stellen versprödet und der zu einer nicht vorhersagbaren Verringerung der Lebensdauer des Zahnrades führen kann.
Ferner versteht man unter Schleifbrand unter anderem Flecken infolge örtlicher Überhitzung beim Schleifen und Wiederhärtung, Anlasswirkung beim Schleifen, örtlich verhinderte Aufkohlung sowie örtlich nicht erreichte Martensitbildung wegen ungenügender Abschreckintensität.
Um diejenigen Zahnräder zu ermitteln und aussondern zu können, die einen Schleifbrand aufweisen, werden die Zahnräder nach der Herstellung und der Schleifbearbeitung mit Hilfe der so genannten Nital-Ätztechnik untersucht. Bei der Nital-Ätztechnik wird Nital, eine Mischung aus konzentrierter Salpeter säure und Ethanol, auf das Zahnrad bzw. die Zahnflanken aufgebracht, wodurch es zu einer selektiven Phasenätzung an der Oberfläche des Zahnrades kommt, anhand derer erkennbar wird, ob an einigen Stellen des Zahnrades Schleifbrand vorliegt. Die Nital-Ätztechnik ist jedoch mit einigen Nachteilen behaftet. So ist die bekannte Technik teuer, langsam und kann nicht in den Fertigungsprozess integriert werden. Des Weiteren führt die Nital-Ätztechnik zu stark subjektiven Ergebnissen. Darüber hinaus ist der Einsatz eines Ätzmittels auch aus Umweltgesichtspunkten bedenklich. Aus diesem Grunde wird eine alternative Methode zur Untersuchung von Zahnrädern auf Schleifbrand gesucht.
Aus dem Stand der Technik sind ferner die so genannten photothermischen Messverfahren zur Untersuchung von Eigenschaften der Randschicht eines Festkörpers bekannt. Bei diesen Verfahren wird die zu untersuchende Randschicht von einer Energiequelle erwärmt, die ein intensitätsmoduliertes oder gepulstes Anregungssignal aussendet, bei dem es sich beispielsweise um einen Laserstrahl handeln kann. Die hierdurch in das Werkstück eingebrachte Energie bzw. Wärme breitet sich in Form von thermischen Wellen über Diffusionsvorgänge in den Festkörper und das umgebende Medium aus, wobei die in die Umgebung abgegebenen thermischen Wellen als Detektionssignal von einem Detektor erfasst werden. Die Eigenschaften der thermischen Wellen sind bezüglich der Amplitude und der Phasenbeziehung zwischen dem Anregungssignal und dem Detektionssignal abhängig von den Eigenschaften der Randschicht des Festkörpers. So kann auf Grund eines Vergleichs zwischen dem Anregungssignal und dem Detektionssignal auf die Materialeigenschaften in der Randschicht geschlossen werden.
Die DE 195 17 133 A1 offenbart eine Messvorrichtung, deren Funktionsweise auf dem zuvor beschriebenen photothermischen Messverfahren basiert. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein modulierter oder gepulster Laserstrahl erzeugt, der auf den zu untersuchenden Festkörper gerichtet ist. Das Detekti onssignal in Form der thermischen Wellen wird über ein optisches System auf einem Infrarot(IR)-Detektor abgebildet. In einer alternativen Ausführungsform wird anstelle der IR-Strahlung die Wirkung der thermischen Wellen auf das umgebende Medium über die Ablenkung eines weiteren Laserstrahls aufgrund der temperaturbedingten Änderung des Brechungsindex gemessen. Bei dieser Ausführungsform wird somit der so genannte Mirage-Effekt genutzt. In jedem Fall kann durch den Vergleich des Anregungssignals und des Detektionssignals auf einen Spannungszustand innerhalb des Festkörpers geschlossen werden.
Eine weitere Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung von Materialeigenschaften eines Festkörpers, die der zuvor genannten Messvorrichtung im Wesentlichen ähnelt, ist aus der DE 102 19 449 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird das Anregungssignal in Form eines Laserlichts zunächst über eine Lichtleitfaser bis zu einer Optik geleitet, die eine gezielte Positionierung des Anregungssignals auf dem Festkörper bewirkt. Zur Kontrolle und Überwachung des Abstandes zwischen der Optik und dem Festkörper werden zwei oder mehr Sensoren in Form von Richtlasern vorgeschlagen. Bei der bekannten Vorrichtung führt der Vergleich des Anregungssignals mit dem Detektionssignal zu einer Bestimmung der Härte bzw. des Härteverlaufs innerhalb des Festkörpers.
Die bekannten Messvorrichtungen sind jedoch mit einigen Nachteilen behaftet. So führt insbesondere die aufwändige Optik zur Ausrichtung des Anregungssignals und zur Abbildung des Detektionssignals auf dem Detektor zu Problemen. Eine derartige Optik nimmt zum einen viel Platz ein und ist zum anderen anfällig für Verschmutzungen und Schwingungen, die das Messergebnis nachhaltig verfälschen können. Darüber hinaus können die Messergebnisse leicht durch Störstrahlungen von anderen Wärmequellen, wie beispielsweise einer vorbeigehenden Person, beeinflusst werden. Auch muss eine aufwändige Abstandsüberwachung zwischen der Optik und dem zu untersuchenden Werkstück vorgesehen sein. Des Weiteren ist eine Untersuchung von schwer zu gänglichen Randschichten, wie beispielsweise der Randschicht einer Zahnflanke, kaum möglich. All dies führt letztlich dazu, dass eine Anordnung der bekannten Messvorrichtungen in den Werkzeugmaschinen selbst bzw. in einem fertigungsnahen Bereich nicht möglich ist, da hier die Störgrößen zu vielfältig wären.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Sensorsystem für eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers, insbesondere eines Zahnrades, zu schaffen, das die vorstehenden Nachteile überwindet. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers mit einem solchen vorteilhaften Sensorsystem zu schaffen. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein derart vorteilhaftes photothermisches Messverfahren anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt anhand der in Patentanspruch 1, 22 bzw. 24 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungemäße Sensorsystem ist für eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers konzipiert. Derartige Messvorrichtungen sind beispielsweise in den oben genannten Druckschriften DE 102 19 449 A1 und DE 195 17 133 A1 beschrieben. Das Sensorsystem weist einen Sensorkopf auf, in dem mindestens eine Anregungslichtleitfaser zur Übertragung eines Anregungssignals zu dem Sensorkopf und mindestens eine Detektionslichtleitfaser zur Übertragung eines Detektionssignals von dem Sensorkopf vorgesehen ist. Der Sensorkopf weist ferner eine erste Sensorkopfflanke bzw. -seite auf, wobei das Faserende der Anregungslichtleitfaser und das Faserende der Detektionslichtleitfaser ein Faserendenpaar ausbilden, das an der Sensorkopfflanke angeordnet ist. Der Sensorkopf kann in eine Messposition gebracht werden, in der die Sensorkopfflanke an dem Festkörpers abgestützt und das Faserendenpaar dem Festkörper zugewandt ist.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem hat gegenüber einer herkömmlicherweise für die Messvorrichtungen verwendeten Optik den Vorteil, dass das Sensorsystem sehr klein und weniger anfällig gegenüber Störgrößen ist. Durch das Abstützen der Sensorflanke an dem Festkörper und der damit verbundenen unmittelbaren Anordnung der Faserenden gegenüber der Oberfläche des Festkörpers, kann insbesondere der Einfluss von Schwingungen und Verschmutzungen auf die Messergebnisse reduziert werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass keine aufwändige Abstandsüberwachung zwischen den Faserenden und dem Festkörper erforderlich ist, da der Abstand zwischen der Oberfläche des Festkörpers und den Faserenden durch eine entsprechende Formgebung der Sensorflanke des anliegenden Sensorkopfes konstant vorgegeben ist. Darüber hinaus können dank des Sensorkopfes auch Messungen an schwerer zugänglichen Stellen eines Festkörpers durchgeführt werden. All diese Vorteile führen dazu, dass das Sensorsystem und somit auch die Messvorrichtung in einem fertigungsnahen Bereich, wie beispielsweise in der Werkzeugmaschine selbst, eingesetzt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist insbesondere für Festkörper konzipiert, bei denen es sich um Zahnräder handelt. Der Sensorkopf weist in diesem Fall eine der ersten Sensorkopfflanke abgewandte zweite Sensorkopfflanke auf. In der Messposition ist der Sensorkopf in einer Zahnlücke des Zahnrads angeordnet, wobei die Sensorkopfflanken an den Zahnflanken derjenigen Zähne des Zahnrades abgestützt sind, die die Zahnlücke umgeben bzw. zwischen denen die Zahnlücke ausgebildet ist. Das Faserendenpaar ist in der Messposition einer der Zahnflanken zugewandt. Auf diese Weise können auch die Materialeigenschaften der Randschicht der ansonsten schwer zugänglichen Zahnflanken eines Zahnrades ermittelt werden, während der Sensorkopf sicher über die beiden Sensorkopfflanken an den Zahnflanken abgestützt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems sind mindestens eine weitere Anregungslichtleitfaser und mindestens eine weitere Detektionslichtleitfaser in dem Sensorkopf vorgesehen. Auch die Faserenden der weiteren Anregungslichtleitfaser und der weiteren Detektionslichtleitfaser bilden ein Faserendenpaar aus, wobei dieses Faserendenpaar an der zweiten Sensorkopfflanke angeordnet ist und in der Messposition der anderen Zahnflanke zugewandt ist. Bei dieser Ausführungsform können demzufolge zwei sich gegenüberliegenden Zahnflanken eines Zahnrades gleichzeitig untersucht werden, was die Untersuchungszeit nachhaltig verringert.
Damit der Sensorkopf während der Messung besonders sicher und wackelfest an dem Festkörper anliegen kann, sind die Sensorkopfflanken in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems in der Messposition des Sensorkopfes flächig an der Oberfläche des Festkörpers bzw. den Zahnflanken abgestützt.
Um zu gewährleisten, dass die Abstützfläche an der Zahnflanke besonders groß ist, weisen die Sensorkopfflanken in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems die gleiche Kontur wie die Zahnflanken auf. Unter der Kontur ist hierbei die Kontur des entsprechenden Querschnitts zu verstehen.
Um eine Untersuchung der Zahnflanken des gängigsten Zahnradtyps, nämlich einem Zahnrad mit Evolventenverzahnung, sicher durchführen zu können, weisen die Sensorkopfflanken in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems eine Evolventenform auf.
Diese entspricht vorzugsweise dem Negativ der Evolventenform der zu untersuchenden Zahnflanke.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems weist der Sensorkopf einen in die Zahnlücke einbringbaren unteren Abschnitt auf, der die gleiche Querschnittsform wie die Zahnlücke aufweist. Auf diese Weise kann sich der Sensorkopf ferner an dem Grund der Zahnlücke abstützen.
Zur Realisierung der vorgenannten Ausführungsform ist zumindest der untere Abschnitt des Sensorkopfes in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems aus einem Abguss einer Zahnlücke des zu untersuchenden Zahnrades bzw. Zahnradtyps gefertigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems bestehen die Anregungslichtleitfaser und die Detektionslichtleitfaser aus Germaniumoxid. Germaniumoxid hat den Vorteil, dass dieses die zur Untersuchung der Randschicht des Festkörpers vorteilhaften Anregungs- und Detektionssignale mit einer Wellenlänge von 2 bis 5 μm ideal leitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems weisen die Anregungslichtleitfaser und die Detektionslichtleitfaser jeweils einen Durchmesser auf, der 200 μm oder weniger beträgt. Hierdurch sind die Lichtleitfasern flexibel und biegsam, was eine Anregung und Detektion selbst an besonders unzugänglichen Stellen wie einer Zahnflanke ermöglicht. Darüber hinaus kann das Sensorsystem besonders einfach fertigungsnah, beispielsweise in der Werkzeugmaschine selbst, eingesetzt werden, da die Führung der Lichtleitfasern unproblematischer ist.
Um den Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche des Werkstücks und dem Faserendenpaar sicherzustellen, ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems in der Sensorkopfflanke eine Vertiefung vorgesehen, wobei das Faserendenpaar in der Vertiefung angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Faserendenpaar an der Wandung der Vertiefung, besonders bevorzugt an dem Boden der Vertiefung, angeordnet. Letzteres hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen dem Festkörper und dem Faserendenpaar durch die Tiefe der Vertiefung vorgegeben ist, die sehr genau hergestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems kann der Sensorkopf in der Messposition in eine Verfahrrichtung bewegt werden, d. h. während der Bewegung verbleibt der Sensorkopf in seiner Messposition. Die Verfahrrichtung entspricht bei der Untersuchung eines Zahnrades vorzugsweise der Längsrichtung der Zahnlücke.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems kann der Sensorkopf in der Messposition mit seiner gesamten Länge in Verfahrrichtung durch die Zahnlücke hindurchbewegt werden. Dies bedeutet, dass der Sensorkopf nicht kurzzeitig aus seiner Messposition, in der er an dem Festkörper anliegt, gebracht werden muss, bevor dieser weiter durch die Zahnlücke verfahren werden kann. Diese Ausführungsform kann beispielsweise durch einen prismaförmigen Sensorkopf realisiert sein, der in Längsrichtung durch die Zahnlücke verfahren wird.
Um eine besonders schnelle Untersuchung eines großen Oberflächenbereiches des Festkörpers durchführen zu können, sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems eine Vielzahl von Detektionslichtleitfasern und Anregungslichtleitfasern in dem Sen sorkopf vorgesehen, wobei die entsprechenden Faserendenpaare quer zu der Verfahrrichtung des Sensorkopfes, vorzugsweise senkrecht zu der Verfahrrichtung des Sensorkopfes, hintereinander liegend entlang der Sensorkopfflanke angeordnet sind. Wird der Sensorkopf in Verfahrrichtung bewegt, so wird der Festkörper flächenmäßig untersucht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems sind ferner die Faserenden des einzelnen Faserendenpaares quer zu der Verfahrrichtung des Sensorkopfes, vorzugsweise senkrecht zu der Verfahrrichtung des Sensorkopfes, hintereinander liegend entlang der Sensorkopfflanke angeordnet.
Um eine Verfälschung der Messergebnisse zu verhindern, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems in dem Sensorkopf mindestens ein Absaugkanal zum Absaugen von Verunreinigungen, wie beispielsweise Kühlmittel, an dem Festkörper vorgesehen. Der Absaugkanal kann beispielsweise mit einer entsprechenden Absaugeinrichtung verbunden sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist eine Absaugöffnung des Absaugkanals in Verfahrrichtung vor dem Faserendenpaar in der Sensorkopfflanke angeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass insbesondere die zu untersuchenden Stellen des Festkörpers vor der Untersuchung von Verunreinigungen befreit sind. Da die Verfahrrichtung in Längsrichtung der Zahnlücke verläuft und sowohl in die eine Richtung als auch in die entgegengesetzte Richtung weisen kann, sind vorzugsweise zwei entsprechende Absaugöffnungen vorgesehen.
Als Alternative oder auch Ergänzung zu dem vorgenannten Absaugkanal, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ein Blaskanal zum Abblasen von Verunreinigungen an dem Festkörper vorgesehen, der eine Austrittsöffnung umfasst, die gemeinsam mit dem Sensorkopf verfahren werden kann und derart in die Verfahrrichtung weist, dass die Verunreinigungen an einer Stelle des Festkörpers abgeblasen werden können, bevor die Sensorkopfflanke an dieser Stelle abgestützt ist.
Um die Lage des Sensorkopfes zumindest in begrenztem Umfang an die Anordnung des zu untersuchenden Festkörpers anpassen zu können, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ferner ein Sensorkopfträger vorgesehen, an dem der Sensorkopf befestigt ist, wobei der Sensorkopfträger um die Hauptachsen eines kartesischen Koordinatensystems verschwenkt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist der Sensorkopf lösbar an dem Sensorkopfträger befestigt. Dies ermöglicht beispielsweise einen Austausch des Sensorkopfes durch einen Sensorkopf mit einer anderen Größe.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers weist ein Sensorsystem der zuvor beschriebenen Art auf. Die Messvorrichtung kann beispielsweise den Aufbau der aus der DE 102 19 449 A1 oder der DE 195 17 133 A1 bekannten Messvorrichtung haben, wobei an Stelle der aufwändigen Optik für die Anregungs- und Detektionssignale das erfindungsgemäße Sensorsystem zum Einsatz kommt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist ferner eine Quelle zur Aussendung eines intensitätsmodulierten oder gepulsten Anregungssignals, vorzugsweise eines Laserstrahls, über den Anregungslichtleiter zu dem Sensorkopf, ein Detektor, vorzugsweise ein IR-Detektor, zum Erfassen eines Detektionssignals von dem Sensorkopf über die Detektionslichtleitfaser und eine Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung der Materialeigenschaften des Festkörpers aus den Anregungssignalen und den erfassten Detektionssignalen vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein photothermisches Messverfahren zur Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Sensorsystems oder der vorstehend beschriebenen Messvorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen photothermischen Messverfahrens wird die Härte des Festkörpers in einer Tiefe unter der Oberfläche des Festkörpers ermittelt, die kleiner als 200 μm ist. Auf diese Weise kann ausgehend von der gemessenen Härte in diesem Bereich, auf einen Schleifbrand an dem Festkörper geschlossen werden, zumal der Schleifbrand gerade in diesem Tiefenbereich auftritt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen photothermischen Messverfahrens ist die Frequenz des Anregungssignals größer als 200 Hz. Auf diese Weise werden diejenigen Tiefenbereiche untersucht, in denen eine Härteänderung auf Grund von Schleifbrand auftritt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers,
2 eine perspektivische Darstellung des Sensorkopfes von 1,
3 eine Querschnittsansicht des Sensorkopfes von 2,
4 den Sensorkopf von 2 in der Messposition und
5 eine Querschnittsansicht des Sensorkopfes von 4 in der Messposition.
1 zeigt zunächst eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers. Die Messvorrichtung 1 umfasst ein Sensorsystem 2, eine Quelle 3 zur Aussendung eines intensitätsmodulierten oder gepulsten Anregungssignals in Form eines Laserstrahls, einen Detektor 4 zum Erfassen eines Detektionssignals und eine Signalverarbeitungseinheit 5 zur Ermittlung der Materialeigenschaften des Festkörpers aus den Anregungssignalen und den erfassten Detektionssignalen. Bei der Messvorrichtung 4 ist ferner eine Absaugeinrichtung 6 angeordnet, auf deren Funktion später eingegangen wird.
Das Sensorsystem 2 weist einen Sensorkopf 7 auf, der lösbar an einem Sensorkopfträger 8 befestigt ist. Der Sensorkopf 7 besteht vorzugsweise aus Stahl, Aluminium oder Kunstharz. Der Sensorkopfträger 8 ist um die Hauptachsen 9, 10 und 11 eines kartesischen Koordinatensystems verschwenkbar, so dass auch der hieran befestigte Sensorkopf 7 um die genannten Achsen 9, 10, 11 verschwenkt werden kann.
Nachstehend wird der Sensorkopf 7 unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eingehender beschrieben. Der Sensorkopf 7 ist länglich ausgebildet und bezüglich der Hochachse 12 symmetrisch. In einem unteren Abschnitt 13 weist der Sensorkopf 7 eine erste Sensorkopfflanke 14 entlang der ersten Längsseite und eine zweite Sensorkopfflanke 15, die der ersten Sensorkopfflanke 14 abgewandt ist, entlang der zweiten Längsseite auf. Die beiden Sensorflanken 14, 15 weisen im Querschnitt eine Evolventenform auf, wie dies insbesondere in 3 zu erkennen ist. Bei der Untersuchung eines Zahnrades mit einer Evolventenverzahnung weisen die Sensorkopfflanken 14, 15 somit die gleiche Kontur wie die Zahnflanken des Zahnrades auf. Der untere Abschnitt 13 des Sensorkopfes 7 ist dabei auf Grundlage eines Abgusses einer Zahnlücke des zu untersuchenden Zahnrades bzw. Zahnradtyps gefertigt, wodurch der untere Abschnitt 13 die gleiche Querschnittsform und -größe wie die genannte Zahnlücke aufweist. Der Sensorkopf 7 kann in eine Verfahrrichtung 16 bewegt werden, die der Längsrichtung des Sensorkopfes 7 und vorzugsweise der Längsrichtung der Zahnlücke des zu untersuchenden Zahnrades entspricht, wie dies später eingehender erläutert wird.
In dem Sensorkopf 7 sind eine Vielzahl von Anregungslichtleitfasern 17 sowie eine Vielzahl von Detektionslichtleitfasern 18 angeordnet. Die aus Germaniumoxid bestehenden Anregungslichtleitfasern 17 und Detektionslichtleitfasern 18 haben jeweils einen Durchmesser, der 200 μm oder weniger beträgt, und sind zu einem ersten Faserbündel 19 zusammengefasst, das aus dem Sensorkopf 7 herausgeführt ist. Wie aus 1 ersichtlich, teilt sich das erste Faserbündel 19 außerhalb des Sensorkopfes 7 in ein zweites Faserbündel 20, das nur noch die Anregungslichtleitfasern 17 umfasst, und ein drittes Faserbündel 21 auf, das nur noch die Detektionslichtleitfasern 18 umfasst. Das zweite Faserbündel 20 wird anschließend zu der Quelle 3 geführt, so dass das Anregungssignal von der Quelle 3 über die Anregungslichtleitfasern 17 zu dem Sensorkopf 7 übermittelt werden kann. Das dritte Faserbündel 21 ist hingegen zu dem Detektor 6 geführt, so dass Detektionssignale von dem Sensorkopf 7 über die Detektionslichtleitfasern 18 zu dem Detektor 4 übermittelt werden können.
Das der Quelle 3 abgewandte Faserende 22 der Anregungslichtleitfaser 17 und das dem Detektor 4 abgewandte Faserende 23 der Detektionslichtleitfaser 18 bilden ein Faserendenpaar 24 aus, so dass eine Vielzahl von Faserendenpaaren 24 vorhanden ist. Diese Faserendenpaare 24 sind an der ersten und zweiten Sensorkopfflanke 14, 15 angeordnet. Genauer gesagt sind die Faserendenpaare 24 am Boden 25 bzw. 26 einer nutförmigen Vertiefung 27 bzw. 28 innerhalb der Sensorkopfflanken 14, 15 angeordnet. Die nutförmige Vertiefung 27, 28 erstreckt sich dabei senkrecht zu der Verfahrrichtung 16 des Sensorkopfes 7. Auch die Faserendenpaare 24 sind senkrecht zur Verfahrrichtung 16 hintereinander liegend an dem Boden der nutförmigen Vertiefungen 27, 28 entlang der Sensorkopfflanken 14, 15 angeordnet. Darüber hinaus sind auch die Faserenden 22, 23 eines jeden Faserendenpaares 24 senkrecht zu der Verfahrrichtung 16 hintereinander liegend entlang des Bodens 25, 26 der nutförmigen Vertiefungen 27, 28 angeordnet.
In dem Sensorkopf 7 ist ferner ein Absaugkanal 29 vorgesehen (2), der dem Absaugen von Verunreinigungen, wie beispielsweise Kühlmittelrückständen, an dem zu untersuchenden Festkörper dient. Der Absaugkanal 29 ist über eine Leitung 30 mit der Absaugeinrichtung 6 verbunden. Auf seiner der Absaugeinrichtung 6 abgewandten Seite mündet der Absaugkanal 29 in vier Absaugöffnungen 31, von denen in 2 lediglich zwei gezeigt sind und die in den Sensorkopfflanken 14, 15 angeordnet sind. Dabei erstrecken sich die Absaugöffnungen 29 in Verfahrrichtung 16 vor den Faserendenpaaren 24, so dass diejenige Stelle an dem Festkörper, die untersucht werden soll, stets zuvor gereinigt wird. Wie aus 2 hervorgeht kann der Sensorkopf 7 sowohl vorwärts als auch rückwärts in die Verfahrrichtung 16 bewegt werden, weshalb zu beiden Seiten der Faserendenpaare jeweils eine der länglichen Absaugöffnungen 31 vorgesehen ist (2). Alternativ oder ergänzend kann ferner ein Blaskanal (nicht dargestellt) zum Abblasen von Verunreinigungen an dem Festkörper vorgesehen sein, der eine Austrittsöffnung umfasst, die gemeinsam mit dem Sensorkopf bewegt werden kann und derart in die Verfahrrichtung 16 weist, dass die Verunreinigungen an einer Stelle des Festkörpers abgeblasen werden, noch bevor die Sensorkopfflanke 14, 15 an diese Stelle des Festkörpers gelangt.
Nachstehend werden weitere Merkmale der Erfindung sowie deren Funktionsweise unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. Der Sensorkopf 7 kann in eine Messposition gebracht werden, die in den 4 und 5 gezeigt ist. In der Messposition ist zumindest der untere Abschnitt 13 des Sensorkopfes 7 in einer Zahnlücke 32 eines zu untersuchenden Zahnrades 33 derart angeordnet, dass die Sensorkopfflanken 14, 15 an den einander zugewandten Zahnflanken 34, 35 zweier Zähne 36, 37 abgestützt sind, die die Zahnlücke 32 umgeben. In der Messposition sind die Sensorkopfflanken 14, 15 auf Grund Ihrer Formgebung flächig an den Zahnflanken 34, 35 abgestützt, wodurch eine besonders genaue und sichere Führung des Sensorkopfes 7 innerhalb der Zahnlücke 32 gegeben ist, wobei die Faserendenpaare 24 an der Sensorkopfflanke 14 bzw. an der Sensorkopfflanke 15 der Zahnflanke 34 bzw. der Zahnflanke 35 zugewandt sind, so dass diese untersucht werden können.
Nachdem der Sensorkopf 7 in die Messposition gebracht wurde, sendet die Quelle 3 auf Grund eines Steuerbefehls der Signalverarbeitungseinheit 5 ein intensitätsmoduliertes oder gepulstes Laserlicht über die Anregungslichtleitfasern 17 zu dem Sensorkopf 7. Um die Härte der Zahnflanken 34, 35 in einer Tiefe unter der Oberfläche der Zahnflanken 34, 35 zu ermitteln, die kleiner als 200 μm ist, beträgt die Frequenz des Laserlichts vorzugsweise 200 Hz oder mehr. Das Laserlicht tritt an den Faserenden 22 aus und trifft auf die Oberfläche der Zahnflanken 34, 35 auf. Um eine störungsfreie Übertragung des Laserlichts auf die Oberfläche der Zahnflanke 34, 35 zu ermöglichen, sind die Faserenden 22 geschliffen und poliert, was auch für die Faserenden 23 der Detektionslichtleitfasern 18 gilt.
Das intensitätsmodulierte oder gepulste Laserlicht bzw. die hiermit eingebrachte Energie breitet sich in Form von thermischen und akustischen Wellen über Diffusionsvorgänge in die Zähne 36, 37 und das umgebende Medium innerhalb der Vertiefungen 27, 28 aus. Diese thermischen Wellen im umgebenden Medium innerhalb der Vertiefungen 27, 28 werden als Detektionssignale von den Faserenden 23 der Faserendenpaare 24 aufgenommen und über die Detektionslichtleitfasern 18 zu dem IR-Detektor 4 geleitet, wobei dieser die erfassten Detektionssignale über eine Leitung 36 an die Signalverarbeitungseinheit 5 übergibt. Dort werden die Eigenschaften des jeweiligen Anregungssignals mit den Eigenschaften des jeweiligen Detektionssignals verglichen, um Rückschlüsse auf die Härte der Zahnflanken 34, 35 zu ziehen. Hierbei wird insbesondere die Phasenverschiebung der Signale ermittelt, um anschließend die Härte an den untersuchten Stellen mit Hilfe einer Kalibrierkurve zu bestimmen.
Im Anschluss daran wird der Sensorkopf 7 weiter in Verfahrrichtung 16 verschoben, wobei die Verfahrrichtung 16, wie bereits oben angedeutet, der Längsrichtung 37 der Zahnlücke 32 entspricht. Danach wird die obige Prozedur erneut durchgeführt, um die Härte der Zahnflanken 34, 35 an dieser Stelle zu ermitteln. Dies kann so lange fortgesetzt werden, bis die Härte über die gesamte Breite der Zahnflanken 34, 35 gemessen ist. Der lang gestreckte prismaförmige Sensorkopf 7 macht es dabei möglich, dass der Sensorkopf 7 in der Messposition mit seiner gesamten Länge in Verfahrrichtung 16 durch die Zahnlücke 32 hindurchbewegt werden kann. Dies trägt zu einer Beschleunigung der Messprozedur bei.
Die in einer Tiefe von weniger als 200 μm unter der Oberfläche der Zahnflanken 34, 35 ermittelte Härte bzw. der Härteverlauf lässt letztlich eine objektive Bewertung zu, ob Schleifbrand vorliegt.

1: Messvorrichtung
2: Sensorsystem
3: Quelle
4: Detektor
5: Signalverarbeitungseinheit
6: Absaugeinrichtung
7: Sensorkopf
8: Sensorkopfträger
9: Hauptachse
10: Hauptachse
11: Hauptachse
12: Hochachse
13: unterer Abschnitt des Sensorkopfes
14: erste Sensorkopfflanke
15: zweite Sensorkopfflanke
16: Verfahrrichtung
17: Anregungslichtleitfaser
18: Detektionslichtleitfaser
19: erstes Faserbündel
20: zweites Faserbündel
21: drittes Faserbündel
22: Faserende der Anregungslichtleitfaser
23: Faserende der Detektionslichtleitfaser
24: Faserendenpaar
25: Boden der Vertiefung
26: Boden der Vertiefung
27: Vertiefung
28: Vertiefung
29: Absaugkanal
30: Leitung
31: Absaugöffnung
32: Zahnlücke
33: Zahnrad
34: Zahnflanke
35: Zahnflanke
36: Leitung
37: Längsrichtung der Zahnlücke

Claims

Sensorsystem für eine Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers mit einem Sensorkopf (7), in dem mindestens eine Anregungslichtleitfaser (17) zur Übertragung eines Anregungssignals zu dem Sensorkopf (7) und mindestens eine Detektionslichtleitfaser (18) zur Übertragung eines Detektionssignals von dem Sensorkopf (7) vorgesehen ist, und der eine erste Sensorkopfflanke (14) aufweist, wobei das Faserende (22) der Anregungslichtleitfaser (17) und das Faserende (23) der Detektionslichtleitfaser (18) ein Faserendenpaar (24) ausbilden, das an der ersten Sensorkopfflanke (14) angeordnet ist, und der Sensorkopf (7) in eine Messposition bringbar ist, in der die erste Sensorkopfflanke (14) an dem Festkörper abgestützt und das Faserendenpaar (14) dem Festkörper zugewandt ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ein Zahnrad ist und der Sensorkopf (7) eine der ersten Sensorkopfflanke (14) abgewandte zweite Sensorkopfflanke (15) aufweist, wobei der Sensorkopf (7) in der Messposition in einer Zahnlücke des Zahnrads angeordnet ist und die Sensorkopfflanken (14, 15) an den Zahnflanken der die Zahnlücke umgebenden Zähne abgestützt sind, während das Faserendenpaar (24) einer der Zahnflanken zugewandt ist.
Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Anregungslichtleitfaser (17) und mindestens eine weitere Detektionslichtleitfaser (18) in dem Sensorkopf (7) vorgesehen ist, wobei das Faserende (22) der weiteren Anregungslichtleitfaser (17) und das Faserende (23) der weiteren Detektionslichtleitfaser (18) ein weiteres Faserendenpaar (24) ausbilden, das an der zweiten Sensorkopfflanke (15) angeordnet ist und in der Messposition der anderen Zahnflanke zugewandt ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkopfflanken (14, 15) in der Messposition des Sensorkopfes (7) flächig abgestützt sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkopfflanken (14, 15) die gleiche Kontur wie die Zahnflanken aufweisen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Sensorkopfflanken (14, 15) eine Evolventenform aufweisen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass der Sensorkopf (7) einen in die Zahnlücke einbringbaren unteren Abschnitt (13) aufweist, der die gleiche Querschnittsform wie die Zahnlücke aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der untere Abschnitt (13) aus einem Abguss einer Zahnlücke des zu untersuchenden Zahnrades gefertigt ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtleitfaser (17) und die Detektionslichtleitfaser (18) aus Germaniumoxid bestehen.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtleitfaser (17) und die Detektionslichtleitfaser (18) jeweils einen Durchmesser aufweisen, der 200 μm oder weniger beträgt.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, dass in der Sensorkopfflanke (14, 15) eine Vertiefung vorgesehen ist, wobei das Faserendenpaar (24) in der Vertiefung angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserendenpaar (24) an der Wandung der Vertiefung (27, 28), vorzugsweise an dem Boden (25, 26) der Vertiefung (27, 28), angeordnet ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, dass der Sensorkopf (7) in der Messposition in eine Verfahrrichtung (16) bewegbar ist, die vorzugsweise der Längsrichtung der Zahnlücke entspricht.
Sensorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (7) in der Messposition mit seiner gesamten Länge in Verfahrrichtung (16) durch die Zahnlücke hindurchbewegbar ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Anregungslichtleitfasern (17) und Detektionslichtleitfasern (18) in dem Sensorkopf (7) vorgesehen ist, wobei die Faserendenpaare (24) quer zu der Verfahrrichtung (16) des Sensorkopfes (7), vorzugsweise senkrecht zu der Verfahrrichtung (16) des Sensorkopfes (7), hintereinander liegend entlang der Sensorkopfflanke (14, 15) angeordnet sind.
Sensorsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ferner die Faserenden (22, 23) eines Faserendenpaares (24) quer zu der Verfahrrichtung (16) des Sensorkopfes (7), vorzugsweise senkrecht zu der Verfahrrichtung (16) des Sensorkopfes (7), hintereinander liegend entlang der Sensorkopfflanke (14, 15) angeordnet sind.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, dass in dem Sensorkopf (7) mindestens ein Absaugkanal (29) zum Absaugen von Verunreinigungen an dem Festkörper vorgesehen ist.
Sensorsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugöffnung (31) des Absaugkanals (29) in Verfahrrichtung (16) vor dem Faserendenpaar (24) in der Sensorkopfflanke (14, 15) angeordnet ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blaskanal zum Abblasen von Verunreinigungen an dem Festkörper vorgesehen ist, der eine Austrittsöffnung umfasst, die gemeinsam mit dem Sensorkopf (7) verfahrbar ist und derart in die Verfahrrichtung (16) weist, dass die Verunreinigungen an einer Stelle des Festkörpers abblasbar sind, bevor die Sensorkopfflanke (14, 15) an dieser Stelle abgestützt ist.
Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Sensorkopfträger (8) vorgesehen ist, an dem der Sensorkopf (7) befestigt ist, wobei der Sensorkopfträger (8) um die Hauptachsen (9, 10, 11) eines kartesischen Koordinatensystems verschwenkbar ist.
Sensorsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (7) lösbar an dem Sensorkopfträger (8) befestigt ist.
Messvorrichtung (1) zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers mit einem Sensorsystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Messvorrichtung zur photothermischen Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers nach Anspruch 22 ferner aufweisend – eine Quelle zur Aussendung eines intensitätsmodulierten oder gepulsten Anregungssignals, vorzugsweise eines Laserstrahls, über den Anregungslichtleiter zu dem Festkörper, – einen Detektor, vorzugsweise einem IR-Detektor, zum Erfassen eines Detektionssignals von dem Festkörper über die Detektionslichtleitfaser und – eine Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung der Materialeigenschaften des Festkörpers aus den Anregungssignalen und den erfassten Detektionssignalen.
Photothermisches Messverfahren zur Ermittlung der Materialeigenschaften eines Festkörpers unter Verwendung des Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder der Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 23.
Photothermisches Messverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet dass die Härte des Festkörpers in einer Tiefe unter der Oberfläche des Festkörpers ermittelt wird, die kleiner als 200 μm ist.
Photothermisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Anregungssignals größer als 200 Hz ist.