DE102016205495A1

DE102016205495A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Schichtdickenbestimmung sowie zugehöriger Referenzkörper und Kalibrierkörper

Info

Publication number: DE102016205495A1
Application number: DE102016205495.3A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mook; Klaus Stefan Klimek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: CN107270809B; DE102016205495B4; CN107270809A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zur Schichtdickenbestimmung einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung (2) eines Werkstückes (3), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung (4). Hierbei besteht die Messvorrichtung (1) aus einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Prüfkopf (5) mit mehreren, über den äußeren Umfang (6) des Prüfkopfes (5) verteilten Wirbelstromsensoren (7), wobei ein jeweiliger Wirbelstromsensor (7) zumindest aus einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9) besteht. Die Sendespulen (8) und die Empfängerspulen (9) sind voneinander getrennt, jeweils in zueinander beabstandeten, umlaufenden Spulenreihen (10) am Prüfkopf (5) angeordnet und die jeweils einen Wirbelstromsensor (7) bildenden Sendespule (8) und zugehörige Empfängerspule (9) in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung 11) versetzt zueinander angeordnet. Die Messvorrichtung (1) weist zumindest einen Referenzkörper (12) auf, welcher zwischen dem sich in einer Ruheposition (P) befindenden Prüfkopf (5) und dem zu vermessendem Werkstück (3) angeordnet ist und der Referenzkörper (12) weist weiterhin mindestens eine zumindest abschnittsweise zylinderförmige Durchbrechung (13) auf. Die Wirbelstromsensoren (7) führen während des Messvorganges in einer beliebigen Reihenfolge oder in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung 11) des Prüfkopfes (5) geordnet nacheinander oder gleichzeitig eine Messung der Schichtdicke der Beschichtung (4) durch. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Referenzkörper 12 sowie einen Kalibrierkörper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung. Die Messvorrichtung besteht aus einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Prüfkopf mit mehreren über den äußeren Umfang des Prüfkopfes verteilten Wirbelstromsensoren, wobei ein jeweiliger Wirbelstromsensor zumindest aus einer Sendespule und einer Empfängerspule besteht. Die Sendespulen und die Empfängerspulen sind voneinander getrennt, jeweils in zueinander beabstandeten, umlaufenden Spulenreihen am Prüfkopf angeordnet und die jeweils einen Wirbelstromsensor bildenden Sendespule und zugehörige Empfängerspule sind in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung mittels eines in einer Messvorrichtung angeordneten Prüfkopfes.
Überdies betrifft die Erfindung einen zugehörigen Referenzkörper sowie Kalibrierkörper.
Derzeitig ist im modernen Automobilbau das Bestreben zu erkennen, den Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemissionen deutlich zu reduzieren.
Hierbei existieren verschiedene Ansatzmöglichkeiten. Beispielsweise wird neben der Verringerung des Hubraumes bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit von Verbrennungsmotoren, dem sogenannten Downsizing, in weiterhin zunehmendem Maße auf Leichtbau gesetzt.
Im Rahmen dessen werden neben Karosseriekomponenten auch Verbrennungsmotoren in Leichtbautechnik hergestellt. Im Bereich dieser Leichtbautechnik werden in der Regel die Zylinderkurbelgehäuse der Verbrennungsmotoren aus Aluminimumlegierungen, z. B. einer Aluminium-Silizium-Legierung, gefertigt.
Die hierbei für gewöhnlich verwendeten untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen verfügen über deutlich schlechtere tribologische Eigenschaften als beispielsweise ein Grauguss.
Um diese tribologischen Nachteile zu kompensieren, ist man dazu übergegangen, in das Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse Laufbuchsen aus Gusseisen nach dem Guss des Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses oder diese bereits beim Guss in das Kurbelgehäuse einzufügen.
Neben der damit verbundenen Erhöhung des Gewichtes des Zylinderkurbelgehäuses treten aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten weitere Nachteile, wie z. B. Zylinderverzüge, Verzüge des gesamten Kurbelgehäuses oder auch eine Ablösung der Zylinderlaufbuchse vom Kurbelgehäuse, auf.
Solche Nachteile sollen zukünftig durch den Verzicht auf Zylinderlaufbuchsen in Verbindung mit einer Beschichtung der Zylinder des Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses vermindert bzw. vermieden werden.
Solche Beschichtungen, in der Regel metallischer Natur, verbessern die tribologischen Eigenschaften der Zylinderlaufbahnen, vor allem hinsichtlich einer höheren Verschleiß- sowie Korrosionsbeständigkeit, als auch einer minimierten Reibung im Bereich des Zylinders mit der Kolbengruppe deutlich. Als Resultat lässt sich unter anderem ein merklich verminderter Kohlenstoffdioxid-Ausstoß feststellen.
Für die Durchführung der Beschichtung sind mehrere gängige Verfahren, unter anderem z. B. das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie das Plasma-Transfer-Wire-Arc-Verfahren oder das Lichtbogen-Draht-Spritzen oder weitere, wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bekannt.
Im Zuge der Qualitätssicherung muss die so aufgebrachte Schicht vor allem hinsichtlich Schichtdicke, Porenbildung, Fehlstellen oder auch ungenügender Anbindung an das Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse überprüft werden.
Als Prüfmethode kommt hierfür eine Wirbelstromprüfung in Betracht.
In der Regel wird dabei ein einzelner Wirbelstromsensor in einer wendelförmigen Rotierbewegung an der Zylinderwand, bzw. -laufbahn entlangbewegt. Ziel ist dabei eine möglichst kurze Prüfzeit, bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung zu erreichen, was eine hohe Relativgeschwindigkeit des Sensors gegenüber der Zylinderlaufbahn bedingt.
Dies stellt einen bedeutenden Nachteil dieser Methode dar, da hierdurch der Sensor durch den direkten Kontakt mit der Laufbahn einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist und gleichzeitig die Laufbahn mechanisch negativ beeinflusst wird.
Zudem wird zur Übertragung des Sensorsignals ein Rotierübertrager benötigt, der ein elektromechanisches Präzisionsteil darstellt, welches das Prüfsystem kostenintensiv und anfällig gegenüber Störungen gestaltet. Dieser Rotierübertrager ist aufgrund der notwendigen hohen Rotationsgeschwindigkeiten ebenfalls einem hohen Verschleiß ausgesetzt, was dazu führt, dass das Messsignal beeinträchtigt wird. Hierdurch entstehen Messfehler bei der Schichtdickenmessung.
Überdies hinaus stellt sich bedingt durch das hohe Gewicht des Rotierübertragers die unerlässliche schwimmende Lagerung des Übertragers als nur aufwendig zu realisieren dar.
Eine Prüfung mittels eines solchen Einzelsensorsystems kann zudem nur bei bereits abgeschlossener Bearbeitung der Zylinderlaufbahn, beispielsweise nach dem Honprozess, und somit sehr spät in der Prozesskette durchgeführt werden. Eine Schichtmessung direkt nach der Beschichtung oder auch nach einem Vorhonprozess ist, bedingt durch den notwendigen Kontrakt des Sensors mit der Zylinderlaufbahn, nicht möglich. Eine solche Messung führt aufgrund vorhandener Schichtdickenschwankungen unweigerlich zu Störungen im Messsignal, wodurch diese nicht verwertbar ist.
Die Wirbelstromanalyse wird auf einer Vielzahl von Gebieten der Technik eingesetzt.
In Gegensatz zu dem beschriebenen Einzelsensorprüfsystem ist aus einem anders gelagerten Gebiet der Technik die Verwendung von mehreren Wirbelstromsensoren in einem Messkopf bekannt, welcher zur Analyse von Wärmetauscherrohren dient. Dieser, bzw. ein Verfahren zur Verwendung des Messkopfes, ist in der US 6,344,739 B1 beschrieben. Die verwendeten Einzelsensoren sind in Form von Spulen ausgelegt, wobei diese über den Umfang eines zylindrischen Messkopfes verteilt sind. Der Messkopf weist dabei bevorzugt drei Reihen an Spulen auf, wobei zwei Reihen in axialer Richtung des Messkopfes zueinander ausgerichtet und die dritte Reihe zu diesen versetzt angeordnet sind. Diese dreireihige Spulenanordnung wird zur Messung in zwei verschiedenen Modi verwendet. Ein erster Messmodus dient der Detektion von Rissen in den leitfähigen Wärmetauscherrohren, welche in ihrer Längendehnung in axialer Richtung des Messkopfes, und somit ebenso in Längsrichtung der Rohre, liegen. Die Messung erfolgt hierbei mittels der mittleren der drei Spulenreihen. Sende- sowie Empfangsspule entstammen in diesem Modus aus derselben mittleren Reihe. Der zweite Messmodus hingegen wird zur Detektion von Rissen in den Rohren verwendet, welche in ihrer Längendehnung in Umfangsrichtung des Messkopfes und somit orthogonal zur Längsrichtung der Rohre liegen. In diesem Modus werden Spulen aus der ersten sowie dritten Spulenreihe verwendet. Es wird dabei so vorgegangen, dass einer Sendespule zwei Empfängerspulen zugeordnet sind, wobei Sendespule sowie Empfängerspulen in unterschiedlichen Spulenreihen liegen, welche durch die mittlere Spulenreihe voneinander getrennt sind. Ein solches Verfahren bezieht sich vor allem auf die Bestimmung von Fehlstellen in den Wärmetauscherrohren. Hierbei kommen typischerweise, wie auch in der Druckschrift beschrieben, Differenzanordnungen zur Anwendung, welche sich aber nicht zur Bestimmung von Schichtdicken eignen.
Während sich das in der US 6,344,739 B1 aufgezeigte Verfahren auf die Prüfung der Innenseite von Wärmetauscherrohren bezieht, beschreibt die DE 27 46 618 C2 ein Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Prüfung von Rohren, Drähten oder ähnlichem von außen. Dabei wird das zu prüfende Rohr an einer magnetischen oder magnetinduktiven Geberanordnung vorbei- bzw. durch diese hindurchgeführt und mittels magnetischer Streufluss- oder magnetinduktiver Wirbelstromprüfung vermessen. Vor dieser Messung wird eine Kalibrierung mittels eines Testkörpers durchgeführt, wobei dieser Testkörper ruht und die Geberanordnung eine oszillierende Bewegung ausführt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine Schichtdickenmessung ermöglicht wird, bei der zumindest der Prüfkopf praktisch keinem Verschleiß ausgesetzt ist und der mechanische Aufwand gering gehalten wird. Weiterhin besteht die Aufgabe in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung mit einer solchen oder anderen Messeinrichtung.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Messeinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche der Messeinrichtung betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Die zweitgenannte Aufgabe wird überdies gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4. Die Verfahrensunteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung vorgesehen. Hierbei besteht die Messvorrichtung aus einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Prüfkopf mit mehreren über den äußeren Umfang des Prüfkopfes verteilten Wirbelstromsensoren. Ein jeweiliger Wirbelstromsensor wiederum besteht zumindest aus einer Sendespule und einer Empfängerspule. Die Sendespulen und die Empfängerspulen sind voneinander getrennt, jeweils in zueinander beabstandeten, umlaufenden Spulenreihen am Prüfkopf angeordnet und die jeweils einen Wirbelstromsensor bildenden Sendespule und zugehörige Empfängerspule sind in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Weiterhin weist die Messvorrichtung zumindest einen Referenzkörper auf, welcher zwischen dem sich in einer Ruheposition befindenden Prüfkopf und dem zu vermessendem Werkstück angeordnet ist. Zudem weist der Referenzkörper mindestens eine zumindest abschnittsweise zylinderförmige Durchbrechung auf. Der Prüfkopf ist somit beweglich ausgeprägt, wobei eine Bewegung in alle drei Raumachsen möglich sein kann. Die Bewegung des Prüfkopfes bei einem Messvorgang könnte aus einer Ruheposition heraus, durch den Referenzkörper hindurch in die zylinderförmige Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes, beispielsweise den Zylinder eines Zylinderkurbelgehäuses, erfolgen. Eine entsprechend gegensinnig verlaufende Bewegung ist nach Abschluss des Messvorganges möglich. Durch die Anordnung des Referenzkörpers ist besonders vorteilhaft eine vor jeder Messung notwendige Kalibrierung des Prüfkopfes, respektive der Wirbelstromsensoren, möglich. Aufgrund der nicht notwendigen Rotation des Prüfkopfes bei einer Messung sind sowohl dieser als auch der Referenzkörper sowie das Werkstück praktisch keinem Verschleiß ausgesetzt und der mechanische Aufwand des Prüfkopfes bzw. der Messvorrichtung ist im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert.
Die beschriebene Ruheposition des Prüfkopfes kann auf einer dem Werkstück abgewandten Seite des Referenzkörpers liegen.
Über den Umfang des Prüfkopfes verteilt können sich zwei Reihen mit Spulen befinden, wobei eine Reihe die Sendespulen und eine Reihe die Empfängerspulen beinhaltet. Ein Spulenpaar, d. h. eine zugehörige Sendespule und eine Empfängerspule, welche in Umfangsrichtung des Prüfkopfes einen Versatz aufweisen, bildet dabei einen Wirbelstromsensor. Es kann sich aufgrund dieser Anordnung äußerst zweckdienlich eine zwischenliegende Messebene einstellen, wobei die Wirbelstromsensoren ihre maximale Empfindlichkeit im Punkt der größten Annäherung von der jeweiligen Sendespule und Empfängerspule haben können.
Durch den Versatz der Spulenreihen kann es möglich sein, dass die Wirbelstromsensoren gewinnbringend quasi verdoppelt werden. Eine Sendespule versorgt zwei Empfangsspulen mit einem Messsignal, während wiederum eine Empfangsspule das Signal zweier Sendespulen detektieren kann.
Der Prüfkopf könnte hierbei 128 Spulen, verteilt auf zwei Reihen aufweisen. Dies würde 64 Sendespulen sowie 64 Empfängerspulen ergeben. Durch den Versatz der Spulenreihen können sich jedoch 128 Wirbelstromsensoren mit einer entsprechenden Anzahl an Sensormesspunkten ergeben, welche sich in der zwischenliegenden Messebene befinden können.
Die Wirbelstromsensoren könnten somit als Halbtransmissionssensoren ausgebildet sein.
Weiterführend läge es nahe, die die Wirbelstromsensoren bildenden Sendespulen sowie Empfängerspulen in radialer Richtung gegenüber dem Umfang des Prüfkopfes nach innen zurückzusetzen. Diese lägen somit im Inneren des Prüfkopfes, wodurch ein Kontakt der Wirbelstromsensoren mit dem Referenzkörper und/oder dem Werkstück vermieden werden könnte.
Der Prüfkopf könnte überdies in vier Segmente aufgeteilt sein, wobei ein Segment ein Viertel der über den Umfang des Prüfkopfes verteilten Wirbelstromsensoren aufweisen würde. Hierdurch könnte effektiv eine Reduzierung der Messzeit erreicht werden, da es aufgrund der Segmentierung ermöglicht werden kann, einen Wirbelstromsensor pro Segment und somit vier Wirbelstromsensoren gleichzeitig auszulesen.
Zudem könnten diese Spulen, d. h. die Sendespulen sowie Empfängerspulen, auf Ferritkerne aufgewickelt sein.
Der Durchmesser eines solchen, beispielsweise als Schalenkern ausgebildeten, Ferritkerns könnte in einem Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen und/oder insbesondere 3,35 mm betragen.
Somit könnte sich der Abstand der Spulenreihen und/oder der Spulen ein einer jeweiligen Reihe zu 0,6 mm bis 3 mm und/oder insbesondere 1,75 mm ergeben.
An und/oder innerhalb des Prüfkopfes kann weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit angeordnet sein, welche der Erzeugung des durch eine jeweilige Sendespule emittierten Wechselsignals als auch der analogen Signalverarbeitung des mittels der Empfängerspule aufgenommenen Messsignals dient. Überdies ist in der Signalverarbeitungseinheit zumindest ein Analog-Digital-Umsetzer integriert, welcher das analoge Messsignal in ein digitales Ausgangssignal wandelt. Durch die Anordnung der Signalverarbeitungseinheit direkt am und/oder im Prüfkopf können die Längen der Signalleitungen kurz gehalten werden, was die Anfälligkeit gegenüber Störeinflüssen minimieren kann.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist der Außendurchmesser des zylinderförmigen Prüfkopfes kleiner als ein Innendurchmesser der Durchbrechung des Referenzkörpers und/oder eines Innendurchmessers der zu vermessenden zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes. Hierdurch kann überaus zweckdienlich sichergestellt werden, dass der Prüfkopf bei einer Messung nicht mit dem Referenzkörper und/oder der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung in Kontakt tritt und somit eine berührungslose Vermessung der Schichtdicke der Beschichtung ermöglicht und eine Beschädigung des Referenzkörpers vermieden werden kann.
Darüber hinaus stellt es sich als überaus gewinnbringend dar, wenn der Prüfkopf an einem Kopfträger angeordnet und der Prüfkopf gegenüber dem Kopfträger in radialer Richtung des Prüfkopfes beweglich gelagert ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es denkbar, dass ein leichter Versatz zwischen Prüfkopf und Referenzkörper und/oder zylindrischer Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes ausgeglichen werden kann. Beispielsweise könnte der Prüfkopf an einer dem Referenzkörper bzw. Werkstück zugewandten Unterseite eine Fase ausweisen, durch welche sich der Prüfkopf quasi selbsttätig in den Referenzkörper und/oder die zylindrische Ausnehmung und/oder Durchbrechung des Werkstückes einfädelt.
Der Prüfkopf der Messvorrichtung könnte somit gegenüber dem Kopfträger schwimmend gelagert sein.
Möglicherweise wäre mittels einer solchen Vorgehensweise ein Versatz zwischen Prüfkopf und Referenzkörper und/oder zylindrischer Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm und/oder insbesondere von 1 mm ausgleichbar.
In diesem Zusammenhang ist es überaus vorteilhaft, wenn an dem Prüfkopf oder im Bereich des Prüfkopfes eine Zentriervorrichtung angeordnet ist, welche einen definierten radialen Abstand zwischen der Durchbrechung des Referenzkörpers und/oder zylindrischer Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes und Prüfkopf herstellt. Durch eine solche Zentriervorrichtung kann z. B. sichergestellt werden, dass bei einem Einfädeln des Prüfkopfes in die Durchbrechung des Referenzkörpers und/oder die zylindrische Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes kein Kontakt zwischen Prüfkopf und Referenzkörper und/oder Werkstück erfolgt. Zudem könnte darüber hinaus ein, mit geringer Abweichung, konstanter Abstand zwischen der Durchbrechung des Referenzkörpers und/oder zylindrischer Ausnehmung oder der Durchbrechung des Werkstückes und Prüfkopf gewährleistet werden.
Die Zentriervorrichtung könnte beispielsweise so ausgestaltet sein, dass am Prüfkopf, unterhalb der Wirbelstromsensoren, Austrittsöffnungen für ein gasförmiges Fluid, wie z. B. Luft, vorgesehen sind, wodurch der Prüfkopf bei Austritt eines gasförmigen Fluides mit entsprechend hohem Druck innerhalb der Durchbrechung des Referenzkörpers und/oder der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes zentriert werden kann.
Denkbar wäre ebenso eine Zentriervorrichtung, welche das Anordnen von Kugeln über den Umfang des Prüfkopfes, unterhalb der Wirbelstromsensoren beinhaltet, wobei die Kugeln über ein eine Gegenkraft erzeugendes Element, beispielsweise eine Feder, am Prüfkopf abgestützt werden und teilweise in diesen eingelassen sind.
Überdies ließe sich als Zentriervorrichtung eine Bürste, unter anderem eine Ringbürste, unterhalb und/oder oberhalb des Prüfkopfes anbringen, welche eine Zentrierung ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit einer Zentriervorrichtung bestünde in der Verwendung von in axialer Richtung des Prüfkopfes und in dessen Umfangsrichtung beabstandet am Prüfkopf angeordneten Stützleisten.
Eine einfach ausgebildete Zentriervorrichtung könnte die Anordnung einer weichen, zumindest abschnittsweise umlaufenden Ausformung am Prüfkopf darstellen, wobei der Außenradius der Ausformung größer ist als der Außenradius des Prüfkopfes.
Weich in diesem Zusammenhang könnte bedeuten, dass die Ausformung eine geringere Härte aufweist als das Material, aus dem der Referenzkörper und/oder die Beschichtung der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes besteht. Denkbar wäre z. B. die Verwendung eines Kunststoffes.
Weiterhin ist erfindungsgemäß somit ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung mittels eines in einer Messvorrichtung angeordneten Prüfkopfes vorgesehen. Hierbei weist der Prüfkopf der Messvorrichtung mehrere über den Umfang verteilte Wirbelstromsensoren, bestehend aus zumindest einer Sendespule und einer Empfängerspule, auf. Maßgeblich ist, dass die Wirbelstromsensoren während des Messvorganges in einer beliebigen Reihenfolge oder in Umfangsrichtung geordnet nacheinander oder gleichzeitig eine Messung der Schichtdicke der Beschichtung durchführen. Denkbar ist damit, dass beispielsweise die Messung der Schichtdicke mittels der mechanischen Rotation eines Einzel-Wirbelstromsensors durch die Messung mittels der über den Umfang des Prüfkopfes verteilten Wirbelstromsensoren ersetzt wird. Die Schichtdicke der Beschichtung der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes könnte hierdurch an einer jeweiligen axialen Position des Prüfkopfes ermittelt werden.
Bevorzugt könnte eine in Umfangsrichtung geordnet nacheinander erfolgende Messung der Wirbelstromsensoren durchgeführt werden. Hierdurch könnte die mechanische Rotation eines Einzel-Wirbelstromsensors quasi durch eine elektronische Rotation mehrerer Wirbelstromsensoren ersetzt werden.
Die auf der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes aufgebrachte Schicht könnte aus einem ferromagnetischen Material, aufweisend eine Permeabilitätszahl größer als Eins und das Werkstück aus einem Nicht-Eisen-Metall, z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen.
Möglicherweise kann hierbei die Frequenz des zur Erzeugung der Wirbelströme in der zu prüfenden Schicht genutzten Wechselsignals in einem Bereich von 1 kHz bis 100 kHz und/oder insbesondere bei 20 kHz liegen. Dies kann sicherstellen, dass eine Eindringtiefe der Wirbelströme von bis zu 500 Mikrometern, insbesondere bis zu 200 Mikrometer, in die bevorzugt ferromagnetischen Beschichtungen ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann überdies so ausgebildet sein, dass der Prüfkopf der Messvorrichtung während der Messung eine lineare Bewegung in axialer Richtung, d. h. orthogonal zu seiner Umfangsrichtung, durchführt. Mittels dieser linearen Bewegung könnte die Schichtdicke der Beschichtung der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung eines Werkstückes über die gesamte Länge der Ausnehmung oder Durchbrechung ermittelt und zusammenhängend dargestellt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die im Prüfkopf der Messvorrichtung angeordneten Wirbelstromsensoren, jeweils bestehend aus zumindest einer Sendespule und einer Empfängerspule, in einem zweistufigen Kalibriervorgang unter Verwendung eines Kalibierkörpers sowie eines Referenzkörpers, kalibriert. Hierrüber kann es vorteilhaft möglich sein, die Messung der Schichtdicke beeinflussende Parameter, wie beispielsweise verschiedene Abstände der Wirbelstromsensoren zu der zu messenden zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung, die Schichtdicke der zu messenden Beschichtung, Alterungs- und Temperatureinflüsse, das Verhalten des Wirbelstromsensors in Luft sowie die verwendeten Werkstoffe der Beschichtung und des Werkstückes zu bestimmen.
Die erste Stufe der Kalibrierung kann dabei mittels des Kalibrierkörpers durchgeführt werden. Dies erfolgt einmalig. Die zweite Stufe der Kalibrierung kann mittels des Referenzkörpers erfolgen, wobei diese vor jeder Messung erfolgt.
Durchläuft der zur Messung verwendete Prüfkopf weiterhin vor und/oder nach der Vermessung der Schichtdicke der Beschichtung den Referenzkörper, so kann hierdurch die Qualität des Messergebnisses entscheidend beeinflusst werden. Hierdurch können Alterungseffekte die über die Zeit der Verwendung der Wirbelstromsensoren eintreten oder aber auch der Einfluss der Temperatur auf das Messsignal ausgeglichen werden. Es kann also eine Anpassung des ursprünglichen Kennlinienfeldes der Wirbelstromsensoren erfolgen.
Als praxisgerecht stellt sich in diesem Zusammenhang dar, wenn das Kennlinienfeld eines jeweiligen, im Prüfkopf angeordneten Wirbelstromsensors, bestehend aus zumindest einer Sendespule und einer Empfängerspule, mittels eines Kalibrierkörpers vor der erstmaligen Durchführung von Messungen mit einem neu angefertigten Prüfkopf oder einem veränderten Prüfkopf zumindest einmalig aufgenommen wird. Dies kann die Ermittlung der ursprünglichen, z. B. der ohne mit Alterungseffekten behafteten Kennlinienfelder der im Prüfkopf angeordneten Wirbelstromsensoren und somit die Durchführung einer präzisen Messung ermöglichen.
Zudem ist es verfahrenstechnisch von Vorteil, wenn der Einfluss von die Messung beeinflussenden Parametern mittels der bestimmten Kennlinienfelder der Wirbelstromsensoren des Prüfkopfes berücksichtigt wird. Diese Parameter können beispielsweise das Verhalten der Wirbelstromsensoren in Luft, die Beeinflussung der Messwerte durch die Werkstoffe von Beschichtung und Werkstück, die Abhängigkeit des Messsignals von der Schichtdicke der Beschichtung oder auch der Abstand des Prüfkopfes, respektive der Wirbelstromsensoren von der zu vermessenden zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes sein.
Bei der Durchführung des Verfahrens kann es zudem als äußerst wichtig angesehen werden, wenn der Prüfkopf der Messvorrichtung mit der zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung des Werkstückes während des Messvorganges nicht in Kontakt tritt.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Referenzkörper der Messvorrichtung vorgesehen, wobei der Referenzkörper zumindest zwei Profilringe aus sich unterscheidenden Werkstoffen aufweist.
Die Profilringe des Referenzkörpers können dabei jeweils eine Durchbrechung aufweisen, welche zumindest einen Teil der Durchbrechung des Referenzkörpers bilden.
Hierbei können die Durchbrechungen der jeweiligen Profilringe über die Länge der Durchbrechung den gleichen Innendurchmesser aufweisen.
Die Innendurchmesser der Durchbrechungen der Profilringe können in diesem Zusammenhang die gleiche Höhe annehmen.
Denkbar ist jedoch ebenso, dass ein jeweiliger Profilring abschnittsweise über mindestens zwei voneinander verschiedene Innendurchmesser verfügt.
Durchaus im Bereich des Möglichen läge es weiterhin, wenn sich die Innendurchmesser der Profilringe von Profilring zu Profilring unterscheiden.
Die sich unterscheidenden Werkstoffe können unter anderem Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und ein Stahl sein.
Der Referenzkörper kann eine Deckplatte sowie eine Bodenplatte aufweisen, welche über Befestigungsmittel verbunden sind.
Die Profilringe des Referenzkörpers können überdies zwischen Deckplatte und Bodenplatte angeordnet sein, wobei die Profilringe untereinander und/oder mit Deckplatte und Bodenplatte kraft- und/oder formschlüssig verbunden sein können.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Kalibrierkörper zur Kalibrierung der in einem Prüfkopf einer Messvorrichtung angeordneten Wirbelstromsensoren, bestehend aus zumindest einer Sendespule und einer Empfängerspule, vorgesehen. Dieser Kalibrierkörper weist eine Ausnehmung oder Durchbrechung zur Aufnahme des Prüfkopfes und zumindest zwei, insbesondere vier, Segmente auf, welche in Form von Ringabschnitten ausgebildet sind. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Kalibrierkörpers können auf besonders einfache Art und Weise die Kennlinien aller über den Umfang verteilten Wirbelstromsensoren des Prüfkopfes auf einmal aufgenommen werden. Möglicherweise lässt sich dies durch eine rotatorische Relativbewegung des Prüfkopfes und des Kalibrierkörpers realisieren, wenn der Prüfkopf von dem Kalibrierkörper zumindest radial umschlossen wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Kalibriekörpers besteht darin, dass die dem Prüfkopf zugewandte Innenseite eines jeweiligen Segmentes mit einer Beschichtung versehen ist, wobei sich die Schichtdicke der Beschichtung der einzelnen Segmente voneinander unterscheidet. Hierdurch könnte der Einfluss verschiedener Schichtdicken der Beschichtung auf das Messsignal bestimmt werden.
Zudem ist es als überaus zweckdienlich anzusehen, wenn die Segmente des Kalibrierkörpers so angeordnet sind, dass sich der in radialer Richtung ausgebildete Abstand der dem Prüfkopf zugewandten Innenseite eines jeweiligen Segmentes gegenüber dem Umfang des Prüfkopfes in Umfangsrichtung des Prüfkopfes verlaufend ändert. Dieses Vorgehen könnte vorteilhaft dazu genutzt werden, den Einfluss verschiedener Abstände der Wirbelstromsensoren zu der zu messenden zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung zu bestimmen.
Weiterhin ist anzumerken, dass es sich als überaus vorteilhaft gestaltet, wenn der Kalibrierköper aus dem Werkstoff besteht, welcher der zu vermessenden Beschichtung entspricht.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
2a eine schematische Darstellung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Referenzkörpers;
2b eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Referenzkörpers;
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kalibrierkörpers;
4 eine schematische Detaildarstellung einer Anordnung der Wirbelstromsensoren.
1 zeigt schematisch die Messvorrichtung 1 zur Schichtdickenbestimmung der auf der zylindrischen Durchbrechung 2 des Werkstückes 3, welches in der Figur als eine Brennkraftmaschine ausgebildet ist, aufgebrachten Beschichtung 4. Die Messvorrichtung 1 besteht aus einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Prüfkopf 5, wobei über den äußeren Umfang 6 des Prüfkopfes 5 verteilt mehrere Wirbelstromsensoren 7 angeordnet sind.
Ein jeweiliger Wirbelstromsensor 7 besteht dabei aus einer Sendespule 8 und einer Empfängerspule 9. Hierbei sind die Sendespulen 8 und die Empfängerspulen 9 voneinander getrennt, jeweils in zueinander beabstandeten umlaufenden Spulenreihen 10 am Prüfkopf 5 angeordnet. Die jeweils einen Wirbelstromsensor 7 bildenden Sendespule 8 und zugehörige Empfängerspule 9 sind in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung) 11 versetzt zueinander angeordnet.
Weiterhin zeigt 1 den Referenzkörper 12 der Messvorrichtung 1, welcher zwischen dem, sich in einer Ruheposition P befindenden, Prüfkopf 5 und dem zu vermessendem Werkstück 3 angeordnet ist. Der Referenzkörper 12 weist eine abschnittsweise zylinderförmige Durchbrechung 13 auf und verfügt über zwei Profilringe 19.
Der Außendurchmesser 14 des Prüfkopfes 5 ist kleiner als der Innendurchmesser 15 der Durchbrechung 13 des Referenzkörpers 12 und des Innendurchmessers 16 der zu vermessenden zylindrischen Durchbrechung 2 des Werkstückes 3.
Der Prüfkopf 5 der Messvorrichtung 1 ist an dem Kopfträger 17 angeordnet, wobei der Prüfkopf 5 gegenüber dem Kopfträger 17 in radialer Richtung R des Prüfkopfes 5 beweglich gelagert ist.
Zudem ist an dem Prüfkopf 5 eine Zentriervorrichtung 24 angeordnet ist, welche einen definierten radialen Abstand zwischen der Durchbrechung 13 des Referenzkörpers 12 sowie der Durchbrechung 2 des Werkstückes 1 und Prüfkopf 5 herstellt. Die Zentriervorrichtung 24 ist hier beispielhaft so ausgestaltet, dass am Prüfkopf 5, unterhalb der Wirbelstromsensoren 7, Austrittsöffnungen 28 für ein gasförmiges Fluid, wie z. B. Luft, vorgesehen sind, wodurch der Prüfkopf 5 bei Austritt des gasförmigen Fluides mit entsprechend hohem Druck innerhalb der Durchbrechung 13 des Referenzkörpers 12 sowie der Durchbrechung 2 des Werkstückes 3 zentriert wird.
2a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Referenzkörpers 12, wobei der Referenzkörper 12 zwei Profilringe 19 aus sich unterscheidenden Werkstoffen, welche beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und ein Stahl sein können, aufweist. Die Profilringe 19 verfügen über jeweils eine Durchbrechung 32, welche einen Teil der Durchbrechung 13 des Referenzkörpers bilden. Die Durchbrechungen 32 der jeweiligen Profilringe 19 weisen über die Länge der Durchbrechung 32 den gleichen Innendurchmesser 20 auf, wobei die Innendurchmesser 20 die gleiche Höhe annehmen.
In 2b ist schematisch eine zweite Weiterbildung des erfindungsgemäßen Referenzkörpers 12 dargestellt, wobei der Referenzkörper 12 zwei Profilringe 19 aus sich unterscheidenden Werkstoffen, welche beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und ein Stahl sein können, aufweist und ein jeweiliger Profilring 19 abschnittsweise über mindestens zwei voneinander verschiedene Innendurchmesser 20, 21 verfügt.
Der Referenzkörper weist zudem eine Deckplatte 25 sowie eine Bodenplatte 26 auf, welche über Befestigungsmittel 27 verbunden sind.
Die Profilringe 19 des Referenzkörpers 12 sind zwischen der Deckplatte 25 und der Bodenplatte 26 angeordnet, wobei die Profilringe 19 untereinander sowie mit Deckplatte 25 und Bodenplatte 26 kraft- und formschlüssig über die Befestigungsmittel 27 verbunden sind.
Weiterhin ist der Kalibrierkörper 18 in 3 schematisch aufgezeigt. Dieser Kalibrierkörper 18 dient zur Kalibrierung der in dem Prüfkopf 5 angeordneten Wirbelstromsensoren 7, wobei der Kalibrierkörper 18 eine Durchbrechung 22 zur Aufnahme des Prüfkopfes 5 und vier Segmente 23 aufweist, welche in Form von Ringabschnitten ausgebildet sind.
Hierbei ist die dem Prüfkopf 5 zugewandte Innenseite 29 eines jeweiligen Segmentes 23 mit einer Beschichtung 4 versehen, wobei sich die Schichtdicke der Beschichtung 4 der einzelnen Segmente 23 voneinander unterscheidet.
Die Segmente 23 des Kalibrierkörpers 18 sind so angeordnet, dass sich der, in radialer Richtung ausgebildete Abstand der dem Prüfkopf 5 zugewandten Innenseite 29 eines jeweiligen Segmentes 23 gegenüber dem Umfang 6 des Prüfkopfes 5 in Umfangsrichtung 11 des Prüfkopfes 5 verlaufend ändert.
In 4 ist zudem eine Anordnung von Wirbelstromsensoren 7, bestehend aus Sendespulen 8 und Empfängerspulen 9 dargestellt. Diese sind in zwei Spulenreihen 10 so angeordnet, dass die dargestellte untere Spulenreihe 10 die Sendespulen 8 und die dargestellte obere Spulenreihe 10 die Empfängerspulen 9 beinhaltet. Diese Spulenreihen 10 sind hierbei in die angedeutete Umfangsrichtung (Pfeilrichtung) 11 zueinander versetzt angeordnet.
Dies hat zur Folge, dass eine Sendespule 8 zwei Empfangsspulen 9 mit einem Messsignal versorgt, während wiederum eine Empfangsspule 9 das Signal zweier Sendespulen 8 detektiert.
Durch den Versatz der Spulenreihen 10 ergeben sich eine Anzahl an Sensormesspunkten 30, welche sich in der zwischenliegenden Messebene 31 befinden, die der Anzahl an vorhandenen Wirbelstromsensoren 7, beziehungsweise Sendespulen 8 und Empfängerspulen 9 entspricht. Die beiden in 4 gestrichelt dargestellten Sensormesspunkte 30 geben hierbei gedanklich verbunden denselben Sensormesspunkt 30 wieder.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Ausnehmung oder Durchbrechung
3: Werkstück
4: Beschichtung
5: Prüfkopf
6: Umfang
7: Wirbelstromsensor
8: Sendespule
9: Empfängerspule
10: Spulenreihe
11: Umfangsrichtung
12: Referenzkörper
13: Durchbrechung
14: Außendurchmesser
15: Innendurchmesser
16: Innendurchmesser
17: Kopfträger
18: Kalibierkörper
19: Profilring
20, 21: Innendurchmesser
22: Durchbrechung
23: Segment
24: Zentriervorrichtung
25: Deckplatte
26: Bodenplatte
27: Befestigungsmittel
28: Austrittsöffnung
29: Innenseite
30: Sensormesspunkt
31: Messebene
32: Durchbrechung
P: Ruheposition
R: Radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6344739 B1 [0021, 0022]
DE 2746618 C2 [0022]

Claims

Messvorrichtung (1) zur Schichtdickenbestimmung einer, auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung (2) eines Werkstückes (3), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine aufgebrachten Beschichtung (4), bestehend aus einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Prüfkopf (5) mit mehreren über den äußeren Umfang (6) des Prüfkopfes (5) verteilten Wirbelstromsensoren (7), wobei ein jeweiliger Wirbelstromsensor (7) zumindest aus einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9) besteht, die Sendespulen (8) und die Empfängerspulen (9) voneinander getrennt, jeweils in zueinander beabstandeten umlaufenden Spulenreihen (10) am Prüfkopf (5) angeordnet und die jeweils einen Wirbelstromsensor (7) bildenden Sendespule (8) und zugehörige Empfängerspule (9) in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung 11) versetzt zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) zumindest einen Referenzkörper (12) aufweist, welcher zwischen dem sich in einer Ruheposition (P) befindenden Prüfkopf (5) und dem zu vermessenden Werkstück (3) angeordnet ist und der Referenzkörper (12) mindestens eine zumindest abschnittsweise zylinderförmige Durchbrechung (13) aufweist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (14) des zylinderförmigen Prüfkopfes (5) kleiner ist als ein Innendurchmesser (15) der Durchbrechung (13) des Referenzkörpers (12) und/oder eines Innendurchmessers (16) der zu vermessenden zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung (2) des Werkstückes (3).
Messvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (5) an einem Kopfträger (17) angeordnet und der Prüfkopf (5) gegenüber dem Kopfträger (17) in radialer Richtung (R) des Prüfkopfes (5) beweglich gelagert ist.
Verfahren zur Messung der Schichtdicke einer auf einer zylindrischen Ausnehmung oder Durchbrechung (2) eines Werkstückes (3), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine, aufgebrachten Beschichtung (4) mittels eines in einer Messvorrichtung (1) angeordneten Prüfkopfes (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (5) der Messvorrichtung (1) mehrere über den äußeren Umfang (6) verteilte Wirbelstromsensoren (7), bestehend aus zumindest einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9), aufweist, wobei die Wirbelstromsensoren (7) während des Messvorganges in einer beliebigen Reihenfolge oder in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung 11) geordnet nacheinander oder gleichzeitig eine Messung der Schichtdicke der Beschichtung (4) durchführen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prüfkopf (5) der Messvorrichtung (1) angeordneten Wirbelstromsensoren (7), jeweils bestehend aus zumindest einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9), in einem zweistufigen Kalibriervorgang unter Verwendung eines Kalibierkörpers (18) sowie eines Referenzkörpers (12) kalibriert werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Messung verwendete Prüfkopf (5) vor und/oder nach der Vermessung der Schichtdicke der Beschichtung (4) den Referenzkörper (12) durchläuft.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennlinienfeld eines jeweiligen, im Prüfkopf (5) angeordneten Wirbelstromsensors (7), bestehend aus zumindest einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9), mittels eines Kalibrierkörpers (18) vor der erstmaligen Durchführung von Messungen mit einem neu angefertigten Prüfkopf (5) oder einem veränderten Prüfkopf (5) zumindest einmalig aufgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss von die Messung beeinflussenden Parametern mittels der bestimmten Kennlinienfelder der Wirbelstromsensoren (7) des Prüfkopfes (5) berücksichtigt wird.
Referenzkörper (12) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkörper (12) zumindest zwei Profilringe (19) aus sich unterscheidenden Werkstoffen aufweist.
Kalibrierkörper (18) zur Kalibrierung der in einem Prüfkopf (5) einer Messvorrichtung (1) angeordneten Wirbelstromsensoren (7), bestehend aus zumindest einer Sendespule (8) und einer Empfängerspule (9), nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Kalibrierkörper (18) eine Ausnehmung oder Durchbrechung (22) zur Aufnahme des Prüfkopfes (5) und zumindest zwei, insbesondere vier, Segmente (23) aufweist, welche in Form von Ringabschnitten ausgebildet sind.