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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur elektrischen Werkstoffprüfung von Werkstücken, insbesondere von ferromagnetischen Werkstoffen, vorzugsweise Vergütungsstählen oder Verzahnungskomponenten gemäß dem Oberbegriff von dem unabhängigen Verfahrensanspruch gerichtet. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Prüfvorrichtung zur elektrischen Werkstoffprüfung derartiger Werkstücke gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Schließlich ist die Erfindung auch auf ein System mit einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung sowie einer Verzahnungskomponente als Werkstück gerichtet.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zum Nachweis von Gefügeveränderungen bei Werkstücken aus ferromagnetischen Werkstoffen, insbesondere bei einsatzgehärteten Stählen, bekannt. Dabei kommen derartige Gefügeveränderungen z. B. durch Schleifbrand, Schweißungen oder andere thermische Schädigungen des Werkstücks zustande. Zum Nachweis derartiger Gefügeveränderungen wird häufig die Methode der Nitalätzung eingesetzt. Bei diesem Verfahren findet jedoch eine Zerstörung des Werkstücks statt.
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Des Weiteren gibt es zerstörungsfreie Werkstoffprüfverfahren, mit denen z. B. eine Gefügeveränderung oder eine Rissbildung an der Oberfläche messbar ist. Eine zerstörungsfreie Prüfung kann z. B. mittels des magnetischen Barkhausenrauschens durchgeführt werden, wobei ein derartiges Verfahren z. B. in der Druckschrift
DE 43 43 225 C2 beschrieben ist. Darüber hinaus gibt es auch so genannte Wirbelstromprüfverfahren zur Detektion von Gefügeveränderungen, die bspw. in der Druckschrift
DE 2 204 904 gewürdigt sind.
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Nachteilig bei den beiden zuletzt genannten Verfahren ist es, dass diese nur bei einsatzgehärteten Stählen verwendbar sind. Des Weiteren finden derartige Messverfahren nur im Rahmen der Qualitätskontrolle nach dem Härten der Werkstücke und der Hart-Fein-Behandlung im Rahmen der Fertigung statt. Sofern jedoch die Gefügeveränderungen nicht durch den Fertigungsprozess bedingt sind, sind die bekannten Verfahren nicht ohne weiteres zur Werkstoffprüfung anwendbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit zumindest einen der genannten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung durchzuführen, wobei auch ferromagnetische Werkstoffe, vorzugsweise Vergütungsstähle und/oder Verzahnungskomponente, überprüfbar sind. Dabei ist es eine optionale Aufgabe der Erfindung, auch eine Werkstoffprüfung beim Einsatz der Verzahnungskomponenten bzw. der montierten Verzahnungskomponenten, sprich in zusammengebauten Zustand, durchführen zu können. Es versteht sich von selbst, dass eine derartige Überprüfung auch zerstörungsfrei ablaufen muss.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Prüfverfahren zur elektrischen Werkstoffprüfung von Werkstücken mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, gelöst. Ebenfalls wird zur Lösung der Aufgabe eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vorgeschlagen. Des Weiteren umfasst die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 sowie ein System mit einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und einer Verzahnungskomponente, insbesondere bei einem Getriebe, vorzugsweise einem Windradgetriebe gemäß Anspruch 23. In den weiteren abhängigen Vorrichtungs- und Verfahrensansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Merkmale, die zu dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dem Computerprogrammprodukt offenbart werden, gelten dabei auch für die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße System sowie jeweils umgekehrt. Somit kann zu den einzelnen Teilaspekten der Erfindung wechselseitig Bezug genommen werden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren auf der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung, insbesondere mit dem Computerprogrammprodukt durchgeführt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrischen Werkstoffprüfung von Werkstücken, insbesondere von ferromagnetischen Werkstoffen, vorzugsweise Vergütungsstählen und/oder Verzahnungskomponenten, ist eine Prüfvorrichtung mit den folgenden, Merkmalen vorgesehen: ein Prüfkopf, der wenigstens einen elektrischen Sensor aufweist, eine Elektronikeinheit, die in datentechnischer Verbindung mit dem Prüfkopf und dem Sensor steht, und zur Erfassung der Messwerte des Sensors dient, eine Auswerteeinheit, die die erfassten Messwerte auswertet und eine Anzeigeeinheit, durch die die ausgewerteten Messwerte anzeigbar sind. Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch die folgenden Schritte bei einer Messung (M), gekennzeichnet:
- a) Anlegen des Prüfkopfs an das Werkstück
- b) Start der Messung durch Erfassung der Messwerte von zumindest einem Sensor
- c) Bewegen des Prüfkopfs entlang einer Oberfläche des Werkstücks bei kontinuierlicher Messwerterfassung von zumindest einem Sensor
- d) Auswertung der erfassten Messwerte
- e) Anzeigen der ausgewerteten Messwerte.
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Dabei ist anzumerken, dass diese Verfahrensschritte insbesondere automatisch durch die Prüfvorrichtung ausführbar sind. Unter „automatisch“ ist dabei zu verstehen, dass einzelne Schritte nicht unbedingt händisch durch eine Person ausgeführt werden, sondern vielmehr durch die Prüfvorrichtung maschinell ausgeübt werden. Gerade durch die automatische Ausübung des Verfahrens können Messungenauigkeiten sowie Fehler vermieden werden. Außerdem kann die Messung (M) zu Vergleichszwecken und zur Erhöhung der Genauigkeit exakt wiederholt werden. Des Weiteren können auch einzelne Schritte des Messverfahrens, wie bspw. die Schritte c), d) und e) gleichzeitig vonstattengehen. Da es bei der Feststellung von Gefügeveränderungen an den Werkstücken nicht um exakte Messungen der Werkstoffeigenschaften geht, wie z. B. die Härte, Zugfestigkeit oder dergleichen, ist es ausreichend, wenn die Gefügeveränderung messtechnisch erfassbar und auch anzeigbar ist. Zu diesem Zweck können einzelnen Messreihen (MX) (x steht für x-Messreihe) der Messwerte aus den Messungen (M) in einem Speicher der Elektronikeinheit gespeichert werden und bei der Auswertung gemäß Schritt d) herangezogen werden. Damit sind sofort (gemeint ist ohne zeitliche Verzögerung) Änderungen anhand der veränderten Messwerte durch einen Vergleich erkennbar, die entsprechend angezeigt werden können. Hiermit ist ein direkter Rückschluss auf eine Gefügeveränderung am Werkstück möglich.
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Unter dem Begriff: Anlegen im Schritt a) wird im Rahmen der Erfindung das Berühren des Prüfkopfes an das Werkstück verstanden werden, genauso wie eine kleiner definierter Abstand zwischen Prüfkopf und Werkstück.
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Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass bei Schritt c) zusätzlich Positionsdaten des Prüfkopfs bei der Messwerterfassung von zumindest einem Sensor erfasst werden, wobei insbesondere die Positionsdaten mit den erfassten Messdaten eindeutig verknüpft werden, vorzugsweise in einer Datenmatrix. Anhand der zusätzlichen Positionsdaten ist es möglich, auch die exakte Position der Gefügeveränderung am Werkstück zu erfassen. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Positionsdaten für eine 2D- oder 3D-Visualisierung des Werkstücks herangezogen werden, in der die Gefügeveränderung anhand der erfassten Messwerte anzeigbar sind.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass zumindest eine Referenzmessung, vorzugsweise an einem funktionstechnisch einwandfreiem Werkstück, durchgeführt wird, wobei die erfassten Referenzdaten in einem Speicher gespeichert werden, und wobei insbesondere diese Referenzdaten bei einer Messung mit den erfassten Messwerten, vorzugsweise bei Schritt d), verglichen und/oder ausgewertet werden. Durch die Referenzmessung (R) ist eine besonders exakte Werkstoffprüfung möglich. Des Weiteren ist es auch nicht notwendig, dass weitere Eingangsdaten, z.B. für die Beschreibung des Werkstoffs, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorausgesetzt werden. Vielmehr kann die Referenzmessung zum Vergleich der anschließend erfolgten Messungen (M) dienen. Anhand der Abweichung zwischen der Referenzmessung (R) und der Messung (M) lassen sich dann Gefügeveränderungen beim Werkstück erkennen. Mit den zusätzlichen Positionsdaten der einzelnen Messwerte kann somit ein zweidimensionales oder dreidimensionales Schadensbild des Werkstücks erstellt werden, was über die Anzeigeeinheit der Prüfvorrichtung ausgebbar ist.
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Ferner ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Prüfkopf im Schritt c) durch zumindest einen Antrieb entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird, wobei insbesondere eine Anlegekraft vom Prüfkopf zum Werkstück bzw. ein Abstand vom Prüfkopf zum Werkstück konstant gehalten wird.
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Weiter ist es denkbar, dass eine Anlegekraft vom Prüfkopf zum Werkstück durch einen Kraftsensor und/oder ein Abstand vom Prüfkopf zum Werkstück durch einen Abstandssensor erfasst wird, und vorzugsweise zur Kontrolle und ggf. Korrektur der Anlegekraft bzw. des Abstandes vom Prüfkopf zum Werkstück dient.
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Auch kann es möglich sein, dass bei einer zu überprüfenden Verzahnungskomponente als Werkstück eine insbesondere automatische Synchronisation zwischen der Positionierung des Werkstücks, insbesondere des zu prüfenden Werkstückbereiches, und der Positionierung des Prüfkopfes der Prüfvorrichtung stattfindet.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass bei einem Zahn als Verzahnungskomponente als Werkstück der Prüfkopf bei Schritt a) an zumindest einer, bevorzugt zwei Flanken eines Zahnes bzw. von zwei benachbarten Zähnen anliegt, und wobei insbesondere bei einer Messung im Schritt c) der Prüfkopf an zumindest einer Zahnflanke über eine Zahnbreite entlang bewegt wird. Hierdurch ist eine besonders schnelle und umfassende Prüfung möglich.
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Von weiterem Vorteil kann sein, dass zumindest bei Schritt d) zusätzliche Werkstoffdaten, wie bevorzugt Leitfähigkeit und/oder Permeabilität, des Werkstückes bei der Auswertung der erfassten Messwerte mit berücksichtigt werden. Somit läßt sich ggf. die Genauigkeit des Verfahrens erhöhen. Auch können durch die zusätzlichen Werkstoffdaten auch absolute Messwerte bestimmbar sein.
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Ebenfalls kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Sensor mit einer Erregerspule ausgestattet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und wobei insbesondere der Sensor zusätzlich mit einer Empfängerspule ausgestattet ist, wodurch ein vorhandenes Magnetfeld detektierbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Prüfvorrichtung zur Durchführung des Prüfverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 ausgestaltet ist, wobei insbesondere die Elektronikeinheit wenigstens einen Mikroprozessor sowie einen Programmspeicher aufweist, in dem das Prüfverfahren als Computerprogramm speicherbar ist.
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Außerdem kann es möglich sein, dass der Prüfkopf, insbesondere gemäß Schritt c), durch einen Antrieb direkt oder indirekt bewegbar ist, wodurch gerade eine Automatisierung der erfindungsgemäßen Verfahrens möglich wird
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Es kann im Rahmen der Erfindung ferner vorgesehen sein, dass bei einem indirekten Antrieb eine Führungsmechanik für den Prüfkopf vorgesehen ist, und wobei insbesondere die Führungsmechanik zumindest aus einem Basisteil und einem dazu beweglichen Führungsteil aufgebaut ist. Damit ist eine komfortable Konstruktion der Prüfvorrichtung möglich.
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Von weiterem Vorteil kann sein, dass das Führungsteil zumindest höhenverstellbar oder längsverschiebbar zum Basisteil ausgestaltet ist, und wobei insbesondere zumindest die Höhenverstellung oder die Längsverstellung durch eine Linearführung erfolgt.
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Vorzugsweise kann es möglich sein, dass das Führungsteil zumindest höhenverstellbar oder längsverschiebbar zum Basisteil ausgestaltet ist, und wobei insbesondere zumindest die Höhenverstellung oder die Längsverstellung durch eine Linearführung erfolgt.
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Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass ein Linearführungsmechanismus zur Längsverschiebung des Prüfkopfs vorgesehen ist, wobei insbesondere das Führungsteil mit dem Prüfkopf längsverschiebbar ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der Prüfkopf mit einem Werkstückadapter ausgestattet ist, der insbesondere geometrisch komplementär zur Geometrie des zu überprüfenden Werkstückes ausgestaltet ist, womit insbesondere der Prüfkopf passgenau an die Geometrie des zu überprüfenden Werkstückes anlegbar gemäß Schritt a) ist.
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Außerdem kann es möglich sein, dass die äußere Geometrie des Prüfkopfs (ohne oder mit einem Werkstückadapter) der Form eines Zahnes der zu überprüfenden Verzahnungskomponente entspricht.
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Ferner ist es denkbar, dass der Prüfkopf zumindest zwei Sensoren zur gleichzeitigen Überprüfung von zwei Zahnflanken einer Verzahnungskomponente aufweist.
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Im Rahmen der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass zumindest ein Kraftsensor oder ein Abstandsensor zur Erfassung einer Anlegekraft vom Prüfkopf zum Werkstück bzw. zur Erfassung eines Abstands vom Prüfkopf zum Werkstück vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Elektronikeinheit eine Datenschnittstelle aufweist, die mit einer externen Datenschnittstelle für die Verzahnungskomponente verbindbar ist, um einen Datenaustausch zu realisieren, wodurch eine Synchronisation zur Positionierung des Prüfkopfs mit der Verzahnungskomponente möglich ist.
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Weitere Maßnahmen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenfalls gelten die offenbarten Merkmale aus dem erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. In den Zeichnungen ist die Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit einer Verzahnungskomponente und dem erfindungsgemäßen System,
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2 ein dreidimensionaler Ausschnitt einer Verzahnungskomponente mit einem Prüfkopf der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und der Führungsmechanik hierfür vor Schritt a),
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3 ein geänderter Blickwinkel auf die 2,
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4 eine vergleichbare Ansicht wie 3, jedoch mit angelegtem Prüfkopf an das Werkstück als Verzahnungskomponente gemäß Schritt a) und
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5 eine vergleichbare Ansicht zu 2 (geänderte Blickwinkel zu 3) mit angelegtem Prüfkopf an das Werkstück gemäß Schritt a).
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist das erfindungsgemäße System 100 mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 10 und einem Werkstück 80, insbesondere in Form einer Verzahnungskomponente 80 schematisch dargestellt. Dabei weißt die Prüfvorrichtung 10 einen Prüfkopf 11 auf, der zur Anpassung an die Verzahnungskomponente mit einem Werkstückadapter 11.1 ausgestaltet ist (s. Darstellung oben links in Vergrößerung). Ferner ist der Prüfkopf 11 mit zumindest zwei Sensoren 13, 14 ausgestattet, um bei einer Messung M gleichzeitig zwei Zahnflanken 80.2 der Verzahnungskomponente 80 messtechnisch erfassen zu können. Des Weiteren weist die Prüfvorrichtung eine Auswerteeinheit 15 und eine Anzeigeeinheit 16 auf. Zur Speicherung der Messwerte von den Sensoren 13 und 14 ist zusätzlich ein Speicher 17 in der Elektronikeinheit 12 vorgesehen. Dieser Speicher 17 kann als Daten- und/oder Programmspeicher, insbesondere für die Messdaten und das Computerprogramm vorgesehen sein. Die Elektronikeinheit 12 weist ferner einen Mikroprozessor zur Abarbeitung des Computerprogrammes auf. Im vorliegenden Fall in 1 ist der Prüfkopf mit einer Datenleitung 23 mit der übrigen Prüfvorrichtung 10 verbunden. Auch ist es denkbar, dass anstelle der Datenleitung 23 eine Funkverbindung vorgesehen ist. Der Prüfkopf 11 wird über einen Antrieb 21 an das Werkstück 80 angelegt. Außerdem kann der Antrieb auch zum Bewegen des Prüfkopfs entlang der Zahnflanke idealerweise über die Zahnbreite der Verzahnungskomponente 80 dienen. Zusätzlich ist ein Sensor 19 bei der Prüfvorrichtung 10, insbesondere im Bereich des Prüfkopfes 11 vorgesehen, der als Kraft- oder Abstandssensor 19 ausgestaltet ist. Mit diesem Sensor 19 kann eine Kraft zwischen dem Prüfkopf 11 und dem Werkstück 80 messtechnisch erfasst werden und an die Elektronikeinheit 12, insbesondere die Auswerteeinheit 15 weitergeleitet werden. Der Antrieb 21 kann als Schrittmotor ausgestaltet werden, so dass die Schrittdaten als Positionsdaten ebenfalls an die Auswerteeinheit 15 weiterleitbar sind.
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Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße System 100 weist zusätzlich eine Steuereinheit 81 zur Positionierung mit Hilfe der Positionierungsvorrichtung 83 der Verzahnungskomponente 80 auf. Hierfür ist zwischen der Positionierungsvorrichtung 83 und der Verzahnungskomponente 80 eine zweite Datenleitung 84 vorgesehen, die ebenfalls auch durch eine Funkverbindung ausgestaltet sein kann. Zur Synchronisierung der Prüfvorrichtung 10 mit der Positionierungsvorrichtung 83 kann bei der Steuereinheit 81 eine Schnittstelle 82 vorgesehen sein.
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In den 2 bis 5 ist eine konkrete beispielhafte Ausgestaltung der Verzahnungskomponente 80 in Form einer Innenverzahnung dargestellt. Ebenfalls ist ein schematischer Prüfkopf 11 auf einer Führungsmechanik 22 sichtbar. In den 2 und 3 befindet sich der Prüfkopf 11 in einer Ausgangsposition vor dem Schritt a) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens. Durch die Führungsmechanik 22, die aus einem Basisteil 22.1 und einem Führungsteil 22.2 aufgebaut ist, wird der Prüfkopf 11 an die Verzahnungskomponente 80 angelegt. Die Führungsmechanik 22 kann zur Höhenverstellung X sowie auch zur Längsverstellung X ausgestaltet sein. Zweckmäßigerweise wird die Führungsmechanik 22 durch den Antrieb 21 angetrieben, so dass eine automatische Bewegung des Prüfkopfs 11 durch die Prüfvorrichtung 10 erfolgt. Die Führungsmechanik 22 kann ein Scherenmechanismus 22.3 zwischen dem Basisteil 22.1 und dem Führungsteil 22.2 aufweisen, um eine Höhenverstellung X zu realisieren. Durch einen weiteren linearen Führungsmechanismus 24 kann das Basisteil 22 durch den Antrieb 21 eine Längsverstellung Y erfahren. Hierdurch kann der Prüfkopf 11 in beliebiger dreidimensionaler Richtung entlang der Werkstückgeometrie 80 geführt werden, um die erfindungsgemäßen Schritte bei der Messung M bzw. auch der Referenzmessung R durchzuführen.
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In den 4 und 5 ist der Prüfkopf 11 mit seinem optional Adapter 11.1 an das Werkstück 80, insbesondere die Verzahnungskomponente 80 herangefahren und misst gleichzeitig zwei Zahnflanken 80.2 von zwei benachbarten Zähnen 80.1.
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Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsform, sofern technisch sinnvoll, frei kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Prüfvorrichtung
- 11
- Prüfkopf
- 11.1
- Werkstückadapter für 11
- 12
- Elektronikeinheit
- 13
- Sensor, erster
- 14
- Sensor, zweiter
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Anzeigeeinheit
- 17
- Speicher, Daten- und/oder Programmspeicher
- 18
- Mikroprozessor
- 19
- Sensor, insbesondere Kraft- oder Abstandssensor
- 20
- Datenschnittstelle von 10
- 21
- Antrieb
- 22
- Führungsmechanik
- 22.1
- Basisteil
- 22.2
- Führungsteil
- 22.3
- Scherenmechanismus
- 23
- Datenleitung, erste
- 24
- Linearführungsmechanismus
- 80
- Werkstück, insbesondere in Form von einer Verzahnungskomponente
- 80.1
- Zahn
- 80.2
- Zahnflanke
- 81
- Steuereinheit für 80
- 82
- Schnittstelle für 81
- 83
- Positioniervorrichtung
- 84
- Datenleitung, zweite
- 100
- System mit Prüfvorrichtung und Werkstück in Form von Verzahnungskomponente
- X
- Höhenverstellung
- Y
- Längsverstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4343225 C2 [0003]
- DE 2204904 [0003]
