DE102007017346A1

DE102007017346A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kalibrierungsfreien Erkennung der relativen Position zweier Bauteile mittels Wirbelstromsensoren

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Publication number: DE102007017346A1
Application number: DE102007017346A
Authority: DE
Original assignee: IMQ INGENIEURBETR fur MATERIA; Imq Ingenieurbetrieb fur Materialpruefung Qualitatssicherung und Schweisstechnik GmbH
Current assignee: IMQ INGENIEURBETR fur MATERIA; Imq Ingenieurbetrieb fur Materialpruefung Qualitatssicherung und Schweisstechnik GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung und/oder Feststellung der relativen Position von Bauteilen und/oder Werkzeugen, wobei es sich dabei um verdeckte Bauteile handeln kann, d. h. zwischen den Bauteilen kann sich nicht ferromagnetisches Material befinden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (1) mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu einem Referenzobjekt (2) bewegt wird (oder umgekehrt), wobei das Referenzobjekt (2) als ein leitfähiger Zylinder, eine leitfähige Platte oder eine Spule ausgebildet ist und dabei im Referenzobjekt Wirbelströme induziert werden, deren Rückwirkung an der Spule bzw. die Änderung des Magnetfeldes durch eine Einheit (6) gemessen wird. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die aus einer Anordnung von mindestens einem Sensor (1) und einem Referenzobjekt (2) besteht, wobei entweder der Sensor (1) oder das Referenzobjekt (2) auf einer Bewegungseinheit mit einem integrierten Wegmeßsystem angebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung und/oder Feststellung der relativen Position von Bauteilen und/oder Werkzeugen, wobei es sich dabei um verdeckte Bauteile handeln kann, d.h. zwischen den Bauteilen kann sich nicht ferromagnetisches Material befinden. Dabei sollen aus der Messung die relativen Koordinaten für eine Korrektur der Position mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können.
Für die berührungslose Wegmessung sind Messsysteme auf Wirbelstrombasis, induktive, kapazitive, optische und akustische Wegmesssysteme bekannt, die vorwiegend als Linearmesssystem arbeiten und die absolute oder relative Position von Objekten in einer Richtung bestimmen.
Allen Systemen ist gemeinsam, dass eine absolute Messung erfolgt, bei der im angegebenen Bereich eine Kalibrierung unter Einhaltung des zu verwendenden Materials und der entsprechenden Geometrie durchgeführt werden muss.
Zwischen dem zur Verfügung stehenden Messbereich und der erzielbaren Genauigkeit muss dabei ein Kompromiss geschlossen werden. In der Regel kann nur ein sehr begrenzter Bereich angegeben werden, in dem mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Aus der DE 40 30 882 C1 , der DE 40 38 674 A1 , der DE 42 25 968 A1 und der DE 44 25 903 A1 sind lineare Wegmesssysteme bekannt, die jeweils aus mindestens zwei Komponenten bestehen, welche zwar berührungslos arbeiten können, aber in geringer Entfernung zueinander und ohne dazwischenliegendes Material angeordnet sein müssen. Damit ist die Bestimmung der Position von Teilen, die sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten von Bauteilen mit großen Abmessungen befinden, nicht möglich. Außerdem kann mit Hilfe der genannten Verfahren nur in eine Richtung gemessen werden.
In den DE 69717188 T2 , DE 69818739 T2 und DE 69822828 T2 wird die Bestimmung von Positionen in einer Ebenen beschrieben. Derartige Messsysteme beinhalten zwei relativ zueinander bewegliche Elemente, wobei typischerweise eines mindestens eine Sensorspule trägt und das andere mindestens einen Magnetfeldgenerator.
Die Relativposition wird dabei aus der Messung der Stärke der magnetischen Kopplung zwischen beiden Elementen bestimmt, welche wiederum durch eine sich entlang eines Messpfades ändernde Empfindlichkeit der Sensorspule erreicht werden kann. Die beschriebenen Verfahren kommen hauptsächlich in XY-Digitalisierungstabletts oder ähnlichen Anwendungen zum Einsatz.
Nachteilig für die Lösung der anstehenden Aufgabe wirken sich dabei folgende Aspekte aus:

• Erzeugung eines ortsabhängigen Magnetfeldes notwendig,
• geringer Abstand zwischen den Komponenten,
• keine Erkennung der Position durch dickere Materialschichten hindurch möglich,
• großer technischer Aufwand zur Kompensation von Störgrößen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Überprüfung und/oder Feststellung der relativen Position von Bauteilen und/oder Werkzeugen zu schaffen, wobei es sich dabei um verdeckte Bauteile handeln kann, d.h. zwischen den Bauteilen kann sich nicht ferromagnetisches Material befinden. Die mögliche Dicke richtet sich dabei nach der Art des zu durchdringenden Materials.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine wechselstromdurchflossene Spule mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu einem Referenzobjekt bewegt wird (oder umgekehrt), wobei das Referenzobjekt ein leitfähiger Zylinder, eine leitfähige Platte oder eine zweite Spule ist und dabei im Referenzobjekt Wirbelströme induziert werden, deren Rückwirkung an der Spule durch eine geeignete Elektronik gemessen wird, bzw. dass mit Hilfe der zweiten Spule die Änderung des Magnetfeldes durch eine geeignete Elektronik gemessen wird.
Der wesentliche Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, besteht darin, dass durch die Messung der relativen Änderung der Wirbelstromsignale es nicht notwendig ist, den funktionellen Zusammenhang für die Abstandsabhängigkeit zu kennen.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass eine Abstandskalibrierung ebenfalls entfällt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend an Hand der Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen ersichtlich.
Es zeigen
1: eine Prinzipdarstellung für die Durchführung des Verfahrens mit rotierender Anordnung,
2: eine Variante der Prinzipdarstellung für die Durchführung des Verfahrens mit rotierender Anordnung,
4: eine Prinzipdarstellung für die Durchführung des Verfahrens mit linearer Anordnung in Position 1,
5: eine Prinzipdarstellung für die Durchführung des Verfahrens mit linearer Anordnung in Position 2,
6: Diagramm
An Hand der in 1 gezeigten schematischen Prinzipdarstellung soll das erfindungsgemäße Verfahren mit rotierender Anordnung näher erläutert werden. Beispielhaft soll hier eine Überprüfung der relativen Position von Bauteilen und/oder Werkzeugen durchgeführt werden, wobei es sich dabei um verdeckte Bauteile handeln kann.
Die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Anordnung von mindestens einem Sensor 1 (wechselstrom-durchflossenen Spule/Wirbelstromsonde) und einem Referenzobjekt 2 in Form eines Metallzylinders, hier beispielsweise einem leitfähigen Zylinder oder einer Spule, wobei sich einer der beiden Körper auf einer von einem Antrieb 4 zu einer Drehbewegung angetriebenen Trägeranordnung 5 befindet und sich auf einer vorbestimmten Kreisbahn um den anderen bewegt, der auf der Rotationsachse 3 angeordnet ist; einem in der Trägeranordnung integrierten Drehgeber zur Erfassung des Drehwinkels des Sensors sowie einer entsprechenden Elektronikeinheit 6 zur Signalerfassung und – auswertung und zur Anregung, Erfassung und Vorverarbeitung der Wirbelstromsignale.
Während der Prüfung kann sich zwischen dem Sensor 1 und dem Referenzobjekt 2 nicht ferromagnetisches Material befinden. Zur Verstärkung der Wechselwirkung von Sensor 1 und Referenzobjekt 2 können die verwendeten Spulen mit einem ferritischen Kern ausgerüstet sein.
Zur Bestimmung der relativen Position werden die Wechselwirkung zwischen Sensor und Referenzobjekt während des Umlaufs auf der vorbestimmten Kreisbahn aufgezeichnet und die Signalverläufe gemittelt.
Die Wahl der Prozessparameter erfolgt so, dass sich der Signalverlauf mit zunehmendem Abstand von Sensor 1 und Referenzobjekt 2 linear ändert. Befindet sich das Referenzobjekt 2 exakt im Mittelpunkt des Kreises, dann ändert sich das Wirbelstromsignal während eines Umlaufs nicht. Befindet sich das Referenzobjekt 2 um Δr verschoben außerhalb der Mittelpunktslage, dann ändert sich der Abstand Sensor 1 und Referenzobjekt 2 zwischen einem minimalen und einem maximalen Abstand und es existiert eine Position auf dem Umfang der Kreisbahn, die dem mittleren Abstand (Radius der Kreisbahn) entspricht und bei der das Wirbelstromsignal den Mittelwert aus gemessenem Minimum und Maximum annimmt (3). Aus der Position, bei der dieser Mittelwert erhalten wird, kann die Verschiebung des Referenzobjektes aus der Mittelpunktslage in einer Ebenen senkrecht zur Rotationsachse errechnet werden.
Wurde der Referenzkörper in einer Ebenen verschoben, die nicht senkrecht zur Rotationsebenen liegt, ist die Verwendung von zwei Referenzkörpern mit unterschiedlicher Höhe denkbar, um die Verkippung festzustellen.
Gemäß der 2 wäre eine Beschreibung der Kreisbahn über eine Materialkante oder eine Zone mit signifikanter Änderung der Materialeigenschaften (z.B. eine Schweißnaht) anstelle des Referenzkörpers 2 zur Bestimmung der relativen Position denkbar.
An Hand der in 4 und 5 gezeigten schematischen Prinzipdarstellung soll das erfindungsgemäße Verfahren mit linearer Anordnung näher erläutert werden.
Die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Anordnung von mindestens einem Sensor 1, (bspw einer wechselstrom-durchflossenen Spule) und einem Referenzobjekt 2 (bspw. einer leitfähigen Platte oder einer Spule), wobei entweder der Sensor 1 oder das Referenzobjekt 2 auf einer linearen Bewegungseinheit angebracht ist, die eine gleichzeitige Erfassung des zurückgelegten Weges erlaubt (z.B. mit integriertem Wegmesssystem ausgerüstet ist).
Die Lineareinheit 7 wird auf einer Schwenkeinheit 8 befestigt, die diese um 90° drehen kann. (Pos. 10)
Die Anregung, Aufnahme und Vorverarbeitung der Wirbelstromsignale sowie die Steuerung der Bewegungsabläufe und Datenerfassung und -auswertung werden durch eine entsprechende elektronische Einheit 6 realisiert. Während der Prüfung kann sich zwischen dem Sensor 1 und dem Referenzobjekt 2 nicht ferromagnetisches Material befinden.
Zur Verstärkung der Wechselwirkung zwischen Sensor 1 und Referenzobjekt 2 können die verwendeten Spulen mit einem ferritischen Kern ausgerüstet sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel (4 und 5) handelt es sich um eine Wirbelstromsonde als Sensor 1, eine Metallplatte als Referenzobjekt 2 und die entsprechende Einheit 6 zur Anregung, Erfassung und Vorverarbeitung der Wirbelstromsignale.
Die Bestimmung der relativen Position erfolgt durch Auswertung der Wirbelstromdaten, die beim Verfahren eines Referenzkörpers 2 relativ zur Wirbelstromsonde (Sensor 1) in zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen (x- und y-Richtung) gewonnen werden.
Der Messablauf sieht folgende Schritte vor:
Der Referenzkörper 2 wird in einem vertikalem Abstand linear unter der Wirbelstromsonde (Sensor 1) verfahren und die Wechselwirkung zwischen Sensor 1 und Referenzobjekt 2 aufgezeichnet (4; Pos. 9). Die Schwenkeinheit 4 dreht die Lineareinheit 7 um 90° (4; Pos. 10). Die Linearbewegung wird wiederholt und die Daten ebenfalls aufgezeichnet (5; Pos. 11).
Die Darstellung der Wechselwirkung zwischen Sensor 1 und Referenzobjekt 2 in Abhängigkeit vom Verfahrweg ergibt eine Kurve mit Extremwert (6). Die Daten können durch geeignete mathematische Operationen (Mittelwertbildung, Filter, Approximation) vorverarbeitet werden.
Die Koordinate des Extremwertes wird in beiden Richtungen durch Bestimmung und Mittelung der Koordinaten von mehreren Schwellwerten ermittelt.
Für die Bestimmung des Koordinatenursprungs der Vorrichtung wird der Messablauf im ausgerichteten Zustand durchgeführt, die Koordinate des Extremwertes in beiden Richtungen bestimmt und als Koordinatenursprungs definiert.
Bei einer Abweichung Positionen von Sonde und/oder Bewegungseinheit vom ausgerichteten Zustand wird die Verschiebung in der x- und y-Ebenen als Differenz der Koordinaten des Extremwertes vom Koordinatenursprung berechnet. Ein Beispiel für die x-Richtung zeigt 6. Je nach Art und Dicke des dazwischenliegenden Materials werden Genauigkeiten kleiner ± 0,1 mm erreicht.
Wird bei verschiedenen vertikalen Abständen gemessen, kann es durch Verkippung von Sonde und/oder Bewegungseinheit zur vertikalen Achse zu einem systematischen Fehler durch Verschiebung des Koordinatenursprungs in Abhängigkeit vom vertikalen Abstand kommen. Wird diese Verschiebung im ausgerichteten Zustand bestimmt, kann durch eine nachträgliche Korrektur die erreichbare Genauigkeit erhöht werden.
Durch die Messung der relativen Änderung der Wirbelstromsignale ist es nicht notwendig, den funktionellen Zusammenhang für die Abstandsabhängigkeit zu kennen.

1: Sensor
2: Referenzobjekt
3: Rotationsachse
4: Antrieb
5: Trägeranordnung
6: Einheit
7: Lineareinheit
8: Schwenkeinheit
9: lineare Bewegung in x-Richtung
10: Schwenken um 90°
11: lineare Bewegung in y-Richtung
S: Position des Referenzobjektes
Δr: Verschiebungsvektor aus der Mittelpunktslage zur Position des
: Referenzobjektes
R: Radius Kreisbahn
S_min: minimaler Abstand von Sensor 1 und Referenzobjekt 2
S_max: maximaler Abstand von Sensor 1 und Referenzobjekt 2
r: Verschiebungsvektor aus der Mittelpunktslage zur Position des
: Referenzobjektes
dx: Verschiebung zum Koordinatenursprung in x-Richtung

Claims

Verfahren zur kalibrierungsfreien Erkennung der relativen Position zweier Bauteile mittels Wirbelstromsensoren dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (1) relativ zu einem Referenzobjekt (2) bewegt wird (oder umgekehrt), wobei das Referenzobjekt (2) als ein leitfähiger Zylinder, eine leitfähige Platte oder eine Spule ausgebildet ist und dabei im Referenzobjekt Wirbelströme induziert werden, deren Rückwirkung an der Spule bzw. die Änderung des Magnetfeldes durch eine Einheit (6) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) auf einer Kreisbahn um das Referenzobjekt (2) bewegt wird (oder umgekehrt).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Startposition des Sensors (1) auf dem Umfang der Kreisbahn erfolgt, wodurch eine Zuordnung von Messsignal und Umfangsposition erfolgt und aus der relativen Änderung der Wechselwirkung während eines Umlaufs der Verschiebungsvektor für die Abweichung der Position des ruhenden Objektes von der Mittelpunktslage ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzobjekt (2) in zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen und vertikalem Abstand am Sensor (1) vorbei bewegt wird (oder umgekehrt).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig der zurückgelegte Weg erfaßt wird, wodurch eine Zuordnung von Meßsignal und Weg erfolgt und in jeder Richtung aus der Änderung der Wechselwirkung die aktuellen Koordinaten des Referenzobjektes (2) bestimmt werden, wobei die Differenz zum Koordinatenursprung einen Versatz von Sonde (1) und Referenzobjekt (2) ergibt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kalibrierungsfreien Erkennung der relativen Position zweier Bauteile mittels Wirbelstromsensoren nach Anspruch 1 und wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer Anordnung von mindestens einem Sensor (1) und einem Referenzobjekt (2) besteht, wobei entweder der Sensor (1) oder das Referenzobjekt (2) auf einer Bewegungseinheit mit einem integriertem Wegmeßsystem angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinheit als rotierende Trägeranordnung (5) mit integrierten Drehgeber zur Erfassung des Drehwinkels ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinheit als Lineareinheit (7) in Kombination mit einer Schwenkeinheit (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) als eine wechselstrom-durchflossene Spule/Wirbelstromsonde ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß Referenzobjekt (2) als ein leitfähiger Zylinder, eine leitfähige Platte oder als Spule ausgebildet ist.