DE102020216284A1

DE102020216284A1 - Prüfvorrichtung, Prüfverfahren und Prüfprogramm zur zerstörungsfreien Bauteil- und/oder Werkstückprüfung und phasenabhängiger Kantenauswertung

Info

Publication number: DE102020216284A1
Application number: DE102020216284.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Steinbach
Original assignee: Fertigungsgeraetebau Adolf Steinbach & Co KG GmbH; Fertigungsgeratebau Adolf Steinbach & Co KG GmbH
Current assignee: Fertigungsgeraetebau Adolf Steinbach & Co KG GmbH; Fertigungsgeratebau Adolf Steinbach & Co KG GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks bzw. eines Bauteils oder Werkstücks, ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks, und ein Programm zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks, insbesondere für eine Wirbelstromprüfung. Die Prüfvorrichtung umfasst eine Sendeeinheit (110), die ausgebildet ist, das zu prüfende Prüfstück (200) mit einem periodischen Erregersignal zu erregen; eine Empfangseinheit (130), die ausgebildet ist, ein durch Erregung des Prüfstücks (200) erzeugtes Antwortsignal zu empfangen und eine auf dem Antwortsignal basierende Reihe von Messpunkten (p) auszugeben, wobei jeder der Messpunkte (p) eine Amplitude (A) des Antwortsignals und eine Phasenlage (φ) des Antwortsignals aufweist; eine Führeinheit (130), die ausgebildet ist die Empfangseinheit (120) über das Prüfstück (200) und über eine Kante (210) des Prüfstücks (200) zu führen; und eine Analyseeinheit (140), die ausgebildet ist, Phasenwinkel (φr) basierend auf der Reihe von Messpunkten (p) zu berechnen, wobei jeder der Phasenwinkel (φr) einen Winkel zwischen zwei durch die Amplitude (A) und die Phasenlage (φ) definierte Messpunkte (p(0), p(1)) angibt, und falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln (φr), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, in einen ersten Winkelbereich (B) fällt, einen Fehler im Prüfstück (200) zu erkennen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks bzw. eines Bauteils oder Werkstücks, ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks, und ein Programm zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks, insbesondere für eine Wirbelstromprüfung.
STAND DER TECHNIK
Prüfverfahren, wie beispielsweise Wirbelstromprüfung, Ultraschallprüfung und Durchstrahlprüfung sind in der zerstörungsfreien Materialprüfung bekannt und können wichtige Informationen über die Beschaffenheit, insbesondere Zusammensetzung, Fehler und/oder Aufbau eines Prüfstücks z.B. eines Bauteils oder Werkstücks vermitteln. Zum Erhalt dieser Informationen werden dabei physikalische Effekte ausgenutzt, bei denen das Bauteil nicht beschädigt wird.
Die Wirbelstromprüfung stellt ein gängiges Verfahren zur Prüfung von elektrisch leitfähigen Materialien dar. Dieses Verfahren eignet sich aufgrund seiner Schnelligkeit hervorragend für automatisierte Prüfprozesse. Bei einer Serienprüfung können Bauteile in einem vorgegebenen Bereich kontinuierlich geprüft werden.
Bei der Wirbelstromprüfung wird durch Zuführen eines sinusförmigen Wechselstroms an eine Sendespule ein elektromagnetisches Wechselfeld durch die Spule erzeugt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld dringt als Erregersignal in ein zu prüfendes Bauteil ein und erzeugt nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme im Bauteil. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld, das als Antwortsignal mit einer Empfangsspule gemessen werden kann, indem es durch die Empfangsspule in einen elektrischen Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Minimisierung der Prüfvorrichtung kann hierbei bevorzugt die Sendespule und Empfangsspule um denselben Ferritkern gewickelt werden. Diese Kombination der Sendespule und Empfangsspule wird auch als Messsonde bezeichnet. Herkömmlich werden Erregersignale zur sinusförmigen elektromagnetischen Erregung mit Hilfe von analogen Schaltungen oder mit Signalgeneratoren erzeugt.
Das gemessene Antwortsignal kann dazu verwendet werden, die Beschaffenheit des Bauteils zu untersuchen. So können beispielsweise Verunreinigungen, Beschädigungen und/oder Fehler in einem elektrisch leitfähigen Bauteil dadurch erkannt werden, dass sich die elektrische Leitfähigkeit oder die Permeabilität ändert. Genauer gesagt, kann das Antwortsignal zwei Kennwerte, nämlich den Betrag der Amplitude des empfangenen Signals und die Phasenlage des Antwortsignals bezogen auf das Erregersignal, als Messdaten liefern, die mit anderen Messungen verglichen werden können.
Um das vollständige Bauteil bzw. dessen gesamte Oberfläche zu prüfen, wird normalerweise bei punkt- bzw. rotations-symmetrischen Bauteilen das zu prüfende Bauteil um das Symmetriezentrum bzw. den Stirnflächen-Mittelpunkt gedreht (bzw. rotiert) und die Messsonde über das drehende Bauteil vom Stirnflächen-Mittelpunkt zur Außenkante der Stirnfläche linear geführt. Somit fährt die Messsonde eine spiralförmige Spur auf dem Bauteil ab um eine möglichst vollständige Prüfung der Oberfläche des Bauteils zu erzielen.
TECHNISCHE AUFGABE
Allerdings gibt es starke Geschwindigkeitsänderung unter der Messsonde beim Verfahren vom Stirnflächen-Mittelpunkt zur Außenkante. Um mehrere Bauteile nacheinander zu prüfen, müsste zudem das neue Bauteil positioniert und gespannt werden. Daher kommen für eine Serienprüfung nur Prüfanordnungen in Betracht, bei denen die Prüfung kontinuierlich ablaufen kann.
Es können z.B. mehrere Bauteile nebeneinander angeordnet, gedreht und so angetrieben werden, dass sie nacheinander von der Messsonde gescannt werden. Dies führt zu einer aufwändigen Handhabung.
Hierbei müsste die Messsonde jedoch über Kanten der Bauteile geführt werden, was zu einer Signaländerung führt, die als Fehlersignal detektiert werden würde. Dieser sogenannte Kanteneffekt wird bei herkömmlichen Prüfverfahren vermieden, indem das Prüfungsverfahren erst nach Positionierung der Messsonde über dem Bauteil begonnen wird, und somit der Rand des Bauteils nicht erfasst wird. Diese herkömmliche Lösung ist aber bei einer sich drehenden Messsonde nicht anwendbar, da sich die Messsonde nie dauerhaft über dem Bauteil befindet, weil die zu prüfenden Bauteile sich unter der von der Sonde beschriebenen Kreisbahn vorbeibewegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung, -verfahren und -programm bereitzustellen, mit denen trotz Eintritt des Kanteneffekts die Prüfung eines oder mehrerer Bauteile nacheinander durchgeführt werden kann.
LÖSUNG DER AUFGABE
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt Komponenten einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Anordnung der Komponenten einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Prüfen eines Bauteils oder Werkstücks.
3A und 3B veranschaulichen Messsignale wie sie von der Sendeeinheit und Empfangseinheit (bzw. der Messsonde) einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgegeben und empfangen werden.
4A veranschaulicht ein Messsignal der Messsonde einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren eines fehlerfreien Bauteils oder Werkstücks.
4B veranschaulicht ein Messsignal der Messsonde einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren eines Fehlers im Bauteil oder Werkstück.
4C veranschaulicht ein Messsignal der Messsonde einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren einer Bauteil- oder Werkstückkante.
5A bis 5E veranschaulichen verschiedene Anordnungen von Schwellen zur Fehlererkennung.
6 stellt eine Ausführungsform einer Bahn der Führeinheit einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
7 veranschaulicht ein Prüfverfahren bzw. Prüfprogramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A veranschaulicht ein Messignal der Messsonde einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren eines Fehlers im Bauteil oder Werkstück.
8B und 8C veranschaulichen eine erfindungsgemäße Verarbeitung des Messsignals in 8A zur Bauteil- oder Werkstückprüfung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9A veranschaulicht ein Messignal der Messsonde einer Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren einer Kante des Bauteils oder Werkstücks.
9B und 9C veranschaulichen eine erfindungsgemäße Verarbeitung des Messsignals in 9A zur Bauteil- oder Werkstückprüfung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A bis 10D veranschaulichen eine Aufzeichnung einer Messung einer Fehlerschleife mit Überlagerung von verschiedenen Schwellen 5A bis 5E entsprechenden.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es werden im Folgenden eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein (Computer-)Programm zur zerstörungsfreien Bauteil- und/oder Werkstückprüfung (nachstehend auch als „Prüfung“ bezeichnet) beschrieben. Das zu prüfende Bauteil oder Werkstück wird hier im Allgemeinen auch als „Prüfstück“ bezeichnet. Ein Bezug in der folgenden Beschreibung auf ein Bauteil oder Werkstück schließt nicht aus, dass statt eines Bauteils auch ein Werkstück, oder statt eines Werkstücks ein Bauteil geprüft werden kann. Die folgenden Ausführungsformen werden vor allem mit Bezug auf Wirbelstromprüfverfahren beschrieben. Wird für die Prüfung ein Wirbelstrom- oder Bestrahlungsverfahren verwendet, so ist die Prüfung nicht nur zerstörungsfrei, sondern auch berührungslos.
[Prüfvorrichtung]
Für die erfindungsgemäße Prüfung wird das zu prüfende Bauteil (oder Werkstück) von einer Sendeeinheit erregt (siehe auch Schritt S11, „Erregen“ in 7) und ein durch Erregung des Bauteils ausgegebenes Antwortsignal wird von einer Empfangseinheit empfangen. Des Weiteren wird die Empfangseinheit (und ggf. auch die Sendeeinheit) von einer Führeinheit über das Bauteil und über eine Kante des Bauteils geführt. Das von der Empfangseinheit empfangene Antwortsignal wird als Reihe von Messpunkten (nachstehend auch nur als „Messpunkte“ bezeichnet) ausgegeben (siehe auch Schritt S12, „Messen“ in 7). Hierbei gibt jeder der Messpunkte eine Amplitude des Antwortsignals und eine Phasenlage des Antwortsignals relativ zum Erregersignal an. Basierend auf den Messpunkten wird eine Reihe von Phasenwinkeln (nachstehend auch nur als „Phasenwinkel“ bezeichnet) berechnet. Hierbei gibt jeder der Phasenwinkel einen Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten an. Mit den Phasenwinkeln wird dann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Fehlers im Bauteil erkannt (siehe auch Schritt S13, „Analysieren“ in 7). Insbesondere wird ein Fehler erkannt, falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, in einen ersten Winkelbereich fällt. Somit können Bauteile mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit trotz Kanteneffekts geprüft werden.
1 zeigt Komponenten einer Prüfvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei den mit durchgehender Linie gezeichneten Komponenten handelt es sich um Hauptkomponenten der Prüfvorrichtung 100, insbesondere um eine Sendeeinheit 110, eine Empfangseinheit 120, eine Führeinheit 130 und eine Analyseeinheit 140. Die Sendeeinheit 110 und Empfangseinheit 120 können als Messsonde 150 kombiniert sein. Für die weitere Beschreibung der Prüfvorrichtung 100 wird neben 1 zusätzlich auf die Bezugszeichen in 2 verwiesen. 2 zeigt eine schematische Anordnung der Komponenten der Prüfvorrichtung 100 beim Prüfen eines Bauteils 200.
Die Sendeeinheit 110 ist ausgebildet das zu prüfende Bauteil 200 mit einem periodischen Erregersignal zu erregen. Das Erregersignal kann anhand eines Wechselsignals, insbesondere eines Sinus-, Dreieck oder Rechtecksignals eine oder mehrere Frequenzen aufweisen und anhand der wiederholenden Amplitudenschwingungen periodisch sein. Hierbei ist das Erregersignal bei beispielsweise einem Wirbelstromverfahren ein elektromagnetisches Signal, das physikalische Effekte wie die Induktion zur Bauteilprüfung ausnutzt, wodurch das Bauteil 200 nicht beschädigt wird. Beim Wirbelstromverfahren sind Frequenzen bis zu 10 MHz sinnvoll.
Die Empfangseinheit 120 ist ausgebildet ein durch Erregung des Bauteils erzeugtes Antwortsignal zu empfangen und eine auf dem Antwortsignal basierende Reihe von Messpunkten auszugeben, wobei jeder der Messpunkte eine Amplitude, A, des Antwortsignals und eine Phasenlage des Antwortsignals relativ zum Erregersignal angibt. Insbesondere ist die Phasenlage ein Wert der Phasenverschiebung des Antwortsignals relativ zum Erregersignal. Das Antwortsignal ist bei einem Wirbelstromverfahren beispielsweise ein elektromagnetischer Fluss, der durch den im Bauteil 200 erregten/induzierten Strom erzeugt wird. Der elektromagnetische Fluss kann beispielsweise in einer Empfangsspule der Empfangseinheit 120 einen Strom induzieren, der anhand eines Widerstands als Spannung gemessen werden kann. Hierbei entspricht der Betrag der Spannung der Stärke des durch Erregung des Bauteils 200 erzeugten Antwortsignals und eine Änderung des Betrags kann somit auf eine Änderung des Bauteils 200, insbesondere eine Materialänderung oder einen Fehler im Bauteil 200 hinweisen. Eine Änderung kann aber auch auf das Überfahren einer Kante 210 des Bauteils 200 hinweisen. Der Betrag des Stroms kann als analoges oder, nach Konvertierung mittels Analog-zu-Digital (A/D) Wandler, als digitales Signal ausgegeben werden. Um einem abweichenden Gleichwert vorzubeugen, kann das Antwortsignal gefiltert werden, insbesondere mittels eines Hochpass-Filters. Aufgrund einer gewissen Mess- oder Abtastrate werden diskrete Messpunkte statt eines kontinuierlichen Antwortsignals ausgegeben.. Die Abtastrate sollte ausreichend hoch gewählt werden, z.B. 100 kHz. Jeder dieser Messpunkte zeigt die Amplitude und Phasenlage des Antwortsignals an. Mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Messpunkte (nachstehend als p bezeichnet) ergeben somit eine Reihe von Messpunkten (nachstehend als p(0),...p(N) bezeichnet), die eine zeitliche t Zuordnungen von Amplituden A und Phasenlagen φ der demodulierten, abgetasteten und/oder gefilterten Antwortsignalen ermöglicht.
Die Führeinheit 130 ist ausgebildet die Empfangseinheit 120 über das Bauteil 200 und über eine Kante 210 des Bauteils 200 zu führen. Die Führeinheit 130 führt hierbei mindestens die Empfangseinheit 120In der in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Sendeeinheit 110 und die Empfangseinheit 120 als Messsonde 150 von der Führeinheit 130 in einer kreisförmigen Bahn R1 geführt. Insbesondere kann die Führeinheit 130 ausgebildet sein, die Messsonde 150 rotierend über das Bauteil 200 zu führen. Um ein Bauteil 200 vollständig zu prüfen, kann die Führungseinheit 130 relativ zum Bauteil 200 verschoben werden, oder umgekehrt. Für eine Serienprüfung empfiehlt sich mehrere Bauteile 200 in eine wie in 2 gezeigte Richtung R2 unter der Führeinheit 130 zu verschieben. Für ein solches Verschieben kann die Führeinheit 130 auch eine Bauteil-Haltevorrichtung (nicht gezeigt) umfassen. Die Bauteil-Haltevorrichtung kann ein Förderband oder -rahmen sein, der ein oder mehrere Bauteile 200 linear oder kreisförmig relativ zur Bahn R1 der Führeinheit 130 verschiebt. Hauptsache ist, dass, wie in 2 gezeigt, das Bauteil 200 in eine Richtung R2 verschoben wird, die im Wesentlichen quer zu mindestens einem Teil der kreisförmigen Bahn R1 der Führeinheit 130 steht. Es ist aber auch möglich, dass die Führeinheit 130 eine nicht kreisförmige Bahn abfährt.
Bevorzugt wird zwar eine Kreisbahn. Eine abweichende Form ist jedoch auch möglich. Wie in 6 gezeigt, kann die Bahn 330 der Führeinheit 130 auch eine Ellipse sein.
Die Analyseeinheit 140 ist ausgebildet eine Reihe von Phasenwinkeln basierend auf der Reihe von Messpunkten zu berechnen, wobei jeder der Phasenwinkel einen Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten angibt, und, falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, in einen ersten Winkelbereich fallen, einen Fehler im Bauteil 200 zu erkennen. Die Analyseeinheit 140 kann beispielsweise durch einen entsprechend programmtechnisch eingerichteten bzw. speziell konfigurierte Chip oder Mikroprozessor realisiert werden. Bei einem Wirbelstromverfahren kann das Material des Bauteils 200 auf eine Tiefe bzw. Prüfungstiefe von z.B. 0 bis 0,1, insbesondere 0,1 mm auf Fehler geprüft werden.
3A veranschaulicht Wechselsignale wie sie von der Sendeeinheit 110 ausgegeben und von der Empfangseinheit 120 empfangen werden. Z.B. wird das durchgezogene Sinussignal von der Sendeeinheit 110 ausgegeben, und das gepunktete Sinussignal wird von dem erregten Bauteil 200 ausgesendet und von der Empfangseinheit 120 empfangen.
Wie bei der Wirbelstromprüfung üblich wird das Erregersignal demoduliert. Man erhält dadurch eine für die Wirbelstromprüfung typische Anzeige der Signale in der Impedanzebene, wie z.B. 3A und 3B gezeigt.
Wie in 3B veranschaulicht, können Amplitude A und Phasenlage φ des Antwortsignals für jeden Messpunkt p in Polarkoordinaten festgehalten werden. Hierbei wird von einem Vektor mit Betrag |A| und (Phasen-)Winkel φ ein Messpunkt p beschrieben, der eine X-Koordinate x und eine Y-Koordinate y hat. Zur besseren Veranschaulichung ist der Messpunkt p in 3B durch ein X gekennzeichnet. Werden nun mehrere, zeitlich aufeinanderfolgende Messpunkte in Polarkoordinaten übertragen und verbunden, ergeben sich Signalverläufe wie in 4A bis 4C dargestellt.
4A veranschaulicht ein Beispiel eines Signalverlaufs, der entsteht, wenn eine fehlerfreie Fläche des Bauteils 200 von der Empfangseinheit 120 überfahren und gemessen bzw. abgetastet wird. Der Überschaubarkeit halber werden nicht individuelle Messpunkte, sondern eine die Messpunkte verbindende Kurve gezeigt (nachstehend auch „Schleife“ genannt). Die nachstehend beschrieben Fehlererkennung kann auf Grundlage einer solchen Schleife erfolgen. Solch eine Schleife kann z.B. auf den Messpunkten basieren bzw. sie kann eine Reihe von Messpunkten sein, die nach einem einmaligen Abfahren der Führungsbahn 310, 320, 330 bzw. nach einer vollständigen Rotation in Richtung R erhaltenen wurden. Alternativ kann eine solche Schleife auch durch eine Signalverarbeitung erkannt werden, z.B. sobald ein Messpunkt außerhalb einer bestimmten Schwelle (z.B. die Kreis-Schwelle 420) liegt und/oder beim zweiten Überfahren der Nullpunkte der X- und Y-Achse. Hierfür kann die Schleife so normalisiert werden (z.B. durch den vorstehend erwähnten Hochpass-Filter), dass sie um den Nullpunkt der Polarkoordinaten verläuft. Zu einfacheren Darstellung wird eine solche normalisierte Schleife in den Figuren dargestellt.
Aufgrund gewisser, im Normbereich liegender Schwankungen/Abweichungen der Materialeigenschaft des Bauteils 200 ändern sich Phasenlage und Amplitude minimal. Beim Überfahren des Bauteils 200 zeigen sich diese Schwankungen/Abweichungen durch kleine Ausschläge/Änderungen in der Schleife (nachstehend auch als „Normalschleife“ bezeichnet). Beim Überfahren eines Fehlers oder einer Kante 210 des Bauteils 200, ergeben sich jedoch andere Antwortsignale und andere Schleifen.
4B veranschaulicht ein Beispiel eines Signalverlaufs, der entsteht, wenn eine fehlerhafte Fläche des Bauteils 200 von der Empfangseinheit 120 überfahren wird. Aufgrund der abrupten Änderung der Materialeigenschaft (z.B. aufgrund eines Risses oder eines Schleifbrandes), die die Erregung/Induktion eines Wirbelstroms beeinträchtigt, entsteht ein sich stark veränderndes Antwortsignal, das sich als stark ausschlagende Schleife in der Impedanzebene widerspiegelt (nachstehend auch als „Fehlerschleife“ bezeichnet). Solch eine Fehlerschleife unterscheidet sich erheblich von einer Normalschleife, und kann z.B. durch eine in den Polarkoordinaten definierte Schwelle erkannt werden.
5A bis 5E zeigen verschiedene Schwellen 410 bis 450, die in den Polarkoordinaten zur Erkennung einer Fehlerschleife bzw. zur Erkennung eines Fehlers definiert werden können. Hierbei zeigen 5A eine Rechteck-Schwelle 410, 5B eine Kreis-Schwelle 420, 5C eine Y-Schwelle 430, 5D eine X-Schwelle 440 und 5E eine Segment-Schwelle 450. Zwar könnte beim Nicht-Überfahren einer so definierten Schwelle eine Normalschleife erkannt werden, jedoch entsteht beim Überfahren einer Kante 210 des Bauteils 200 ebenfalls ein sich änderndes Antwortsignal, das zu einer Schleife führt, die als Fehlerschleife erkannt werden würde. Hierbei ist es unerheblich, welche Art von Schwelle eingesetzt wird.
4C veranschaulicht hierfür ein Beispiel eines Signalverlaufs, der entsteht, wenn eine Kante 210 des Bauteils 200 von der Empfangseinheit 120 überfahren wird. Eine Kante 210 würde z.B. als großer Riss erkannt und somit ein sich um ein Vielfach stärker änderndes Antwortsignal erzeugen. Ein Beispiel einer auf dem Überfahren einer Kante 210 basierenden Schleife (nachstehend auch als „Kantenschleife“ bezeichnet) ist in 4C mit einem Maßstab von z.B. 1:100 dargestellt. Erwähnenswert ist, dass die Kantenschleife die Y-Achse meist deutlich entfernt vom Nullpunkt kreuzt, im Vergleich zu einer Fehlerschleife. Insbesondere kann die Kreuzung der Y-Achse bei einer Kantenschleife soweit vom Nullpunkt abweichen, dass die Kantenschleife auch bei einer wie in 5C dargestellten Y-Schwelle als Fehlerschleife (fehl-)erkannt wird. Um einer (Fehl-)Erkennung vorzubeugen, bedient sich die vorliegende Erfindung der Phasenwinkel φ_r zwischen den Messpunkten p.
Im Folgenden wird erläutert, wie ein Fehler bzw. eine Fehlerschleife im Bauteil 200 erkannt werden kann. 8A veranschaulicht hierfür ein Messignalverlauf einer Prüfvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren eines Fehlers im Bauteil 200. Hierbei werden alle Messpunkte (hier p(0),...p(N) wobei N = 15) einzeln durch ein X dargestellt und zur Veranschaulichung ihrer zeitlichen Mess-/Abtastreihenfolge mit einer gestrichelten Linie (die „Schleife“) verbunden.
Fängt die Führeinheit 130 an, die Empfangseinheit 120 über den Fehler zu führen (bzw. wenn Empfangseinheit 120 „einläuft“), so ergibt sich eine Schleife von Messpunkt p(0) bis p(7). Sobald die Empfangseinheit 120 vom Fehler weggeführt wird (bzw. wenn sie „ausläuft“) fährt die Schleife von Messpunkt p(8) bis p(15) fort. Bei einer Kreuzung des Koordinatensystems um den Nullpunkt, also zwischen p(7) und p(8), würde sich die Empfangseinheit 120 mittig über dem Fehlers befinden.
Die Symmetrie der Schleife ist eine theoretische Idealveranschaulichung und würde z.B. bei einem perfekt graden Riss und einer idealen Prüfsonde entstehen. Da echte Fehlerquellen wie z.B. Risse oder Schleifbrände unregelmäßige Formen haben, würde sich keine perfekt symmetrische Schleife ergeben, ihre Form wäre aber mit der in 8A gezeigten Form vergleichbar. 10A bis 10D veranschaulichen Fehlerschleifen, die bei einer Messung eines Bauteils entstehen. In den Figuren sind die den 5A bis 5E entsprechenden Schwellen mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Hierbei wird ersichtlich, dass jede der gezeigten Schleifen als solches nicht perfekt symmetrisch sein müssen. Sie sollten jedoch, z.B. durch vorstehend benannte Filter, um den Nullpunkt eines Koordinatensystems liegen.
Anstatt die Messpunkte p(0) bis p(15) der in 8A gezeigte Schleife einer Schwelle zu unterziehen, werden die Phasenwinkel φ_r zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten p gemessen. Betrachtet man dies an Messpunkten p(0) und p(1) (siehe Bezugszeichen A') genauer, so ergibt sich das in 8B gezeigte Beispiel.
Wie in 8B gezeigt, wird der Phasenwinkel φ_r(1) zwischen dem vorletzten Messpunkt p(0) und dem letzten Messpunkt p(1) in einem zum Messpunkt p(0) relativen Koordinatensystem berechnet. Der Deutlichkeit halber wird hier das relative Koordinatensystem mit Achsen x_r und y_r dargestellt, die parallel zur X- und Y-Achse des in 8A gezeigten Koordinatensystems liegen. Ausgehend vom relativen Koordinatensystem, lässt sich ein Phasenwinkel φ_r(1) von Messpunkt p(0) zu Messpunkt p(1) bestimmen. Zusätzlich kann auch ein Abstand |A_r| zwischen den Messpunkten berechnet werden, wobei in 8B der Abstand |A_r(1)| der den Betrag des euklidischen Abstandes von Messpunkt p(0) zu Messpunkt p(1) wiederspiegelt. Dieselbe Winkelberechnung (und Abstandsberechnung) wie in 8B gezeigt, wird auf alle Messpunkte p(2),... p(15) angewandt. Somit lassen sich aus zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten, also p(t- 1) und p(t) ein Phasenwinkel φ_r(t) (und ein Abstand |A_r(t)|) bestimmen.
Fällt eine Vielzahl von Phasenwinkeln, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (gemäß der vorstehenden Beziehung zwischen φ_r(t) und P(t)) entspricht, in einen ersten Winkelbereich, wird die Schleife als Fehlerschleife und somit ein Fehler im Bauteil 200 erkannt. Der erste Winkelbereich kann z.B. ±45° relativ zur Y-Achse (oder von 45° bis 135° relativ zur X-Achse, die rechtwinklig zur Y-Achse steht) betragen, insbesondere ±25° oder +10° relativ zur Y-Achse, in Abhängigkeit des Materials des Bauteils 200.
Anhand 8A kann dies beispielsweise folgendes bedeuten. Die Phasenwinkel φ_r für Messpunkte p(0) bis p(4) deuten nach oben, liegen also in einem ersten Winkelbereich von beispielsweise ca. ±45° um die Y-Achse, wobei angenommen wird, dass ein für Messpunkt p(0) (bzw. den Ausgangsmesspunkt) unbekannter Phasenwinkel immer in den ersten Winkelbereich fällt. Da es sich hier um mehr als zwei aufeinanderfolgende Messpunkte handelt, sich also die Schleife von Messpunkt p(0) bis Messpunkt p(4) im ersten Winkelbereich ausdehnt, kann die Schleife bereits jetzt als Fehlerschleife erkannt werden. Anders gesagt, bedeutet die „Vielzahl“ also, dass zumindest zwei, drei oder mehr aufeinanderfolgende Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich fallen müssen. Eine Teilbetrachtung bzw. teilweise Auswertung der Schleife kann demnach ausreichen, um sie als Fehlerschleife zu erkennen.
Eine Auswertung der vollständigen Schleife, also von Messpunkt p(0) bis p(15) kann auch erfolgen, um die Schleife als Fehlerschleife zu erkennen. Hierbei würden jedoch die Phasenwinkel φ_r ab Messpunkt p(4) bis p(12) nicht in den ersten Winkelbereich von ca. ±45° um die Y-Achse fallen. Eine nachstehend beschriebene Korrektur gewisser Phasenwinkel φ_r kann die Phasenwinkel φ_r um 180° drehen, sodass sie in den ersten Winkelbereich fallen, oder der Winkelbereich kann nach oben (um den positiven Teil der Y-Achse) und nach unten (um den negativen Teil der Y-Achse) definiert werden. Letzteres wird in 8C durch den schraffierten Bereich B und B' verdeutlicht. Allerdings können dennoch Teile der Schleife (z.B. von Messpunkt p(11) zu p(12)) Phasenwinkel φ_r aufweisen, die nicht in den ersten Winkelbereich fallen. Daher kann die Vielzahl auch bedeuten, dass nur ein Großteil bzw. eine Mehrheit der Phasenwinkel φ_r einer Schleife in den ersten Winkelbereich fallen müssen. Bei einer 90%-igen Mehrheit würde das im Beispiel von 8A bedeuten, dass 1 bis 2 Messpunkte (genau genommen 1,6 Messpunkte (= 10% von 16 Messpunkten)) nicht in den ersten Winkelbereich fallen müssen, um die Schleife dennoch als Fehlerschleife zu erkennen. Hierbei wird also, anders zur ersten teilweisen Auswertung der Schleife, die vollständige Schleife ausgewertet, um sie als Fehlerschleife zu erkennen. Dadurch werden mehr Messpunkte berücksichtigt, was zu einer höheren Erkennungsgenauigkeit führt.
Zur Veranschaulichung dieser zweiten, vollständigen Auswertung wird nun Bezug auf 8C genommen. Überträgt man die bestimmten Phasenwinkel φ_r auf eine Zeitachse, ergibt sich der in 8C dargestellte Phasenverlauf. Die schraffierten Bereiche B und B' stellen ein Beispiel eines ersten Winkelbereichs von ±45° relativ zur Y-Achse dar. Durch die zwei Bereiche B und B' soll veranschaulicht werden, dass ein negativer Phasenwinkel φ_r, der um 180° gedreht ist, immer noch in den ersten Winkelbereich fallen kann. Jedoch kann auch ein nur in einen der zwei Bereiche B, B' fallender Teil der Schleife ausgewertet werden. Insbesondere kann ein oberhalb oder unterhalb der X-Achse liegender Teil und/oder ein links oder rechts der Y-Achse liegende Teil ausgewertet werden.
In 8C zeigt die durchgehende Linie die Phasenwinkel φ_r, wie sie für Messpunkte p(0) bis p(15) bestimmt werden. Da die Schleife in 8A für Messpunkt p(5) nach unten abknickt und somit einen negativen Phasenwinkel φ_r aufweist, ergibt sich in 8C ein diskontinuierlicher Sprung nach unten. Dieser Diskontinuität kann abgeholfen werden, indem alle negativen Phasenwinkel φ_r um 180° verschoben werden (siehe die gestrichelte Linie φ_r+ 180°) oder indem der Betrag der Phasenwinkel φ_r benutzt wird (siehe die gepunktete Linie |φ_r|). Durch die Verschiebung oder Betragsberechnung brauchten nur positive Phasenwinkel φ_r mit dem ersten Winkelbereich verglichen werden, was zu einer reduzierten Rechenlast führen würde. Während ursprünglich alle Phasenwinkel φ_r bis zum Messpunkt P(11) in den Bereich B oder B' fallen, fallen beim Verschieben um 180° oder bei Nutzung des Betrags der absoluten Phasenwinkel φ_r alle in den Bereich B.
Bis zum Messpunkt P(11) fallen alle aufeinanderfolgende Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich B (oder B'), weshalb die Schleife bis zu diesem Messpunkt als Fehlerschleife erkannt werden würde.
Jedoch ist der die Messpunkte P(11) und P(12) verbindende Vektor nahezu horizontal, weshalb der entsprechende Phasenwinkel φ_r nahezu ±180° beträgt. Dieser Phasenwinkel φ_r liegt somit außerhalb des ersten Winkelbereichs B. Müsste jeder bzw. müssten ausnahmslos alle Phasenwinkel in den ersten Winkelbereich fallen, würde mit Messpunkt P(12) die Schleife nicht mehr als Fehlerschleife erkannt, obwohl es sich hierbei um eine Fehlerschleife handelt. Eine solche Fehlerkennung würde durch eine höhere Abtastrate begünstigt, da hierbei die feinere zeitliche Auflösung, grade bei den Enden der Schleife, mit höherer Wahrscheinlichkeit zu Messpunkten führt, dessen Phasenwinkel φ_r nicht im ersten Winkelbereich B liegen. Wird aber berücksichtigt, dass nur einer der Phasenwinkel φ_r außerhalb des ersten Winkelbereichs liegt, also ein Großteil bzw. eine Mehrzahl oder Mehrheit der Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich fallen (z.B. 90% oder mehr), kann dies vernachlässigt und die Schleife immer noch als Fehlerschleife erkannt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Analyseeinheit 140 ausgebildet sein, eine Reihe von (vorstehend erwähnten) Abständen |A_r| basierend auf der Reihe von Messpunkten p zu berechnen, wobei jeder der Abstände |A_r| den Betrag des Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten angibt. Falls für eine Vielzahl von Abständen |A_r|, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, der entsprechende Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich fällt, wird von der Analyseeinheit 140 einen Fehler im Bauteil 200 erkannt. Denn, wie auch in 8B gezeigt, kann ein Abstand |A_r| (z.B. der euklidische Abstand oder nur der Betrag der X- oder Y-Abweichung) zwischen aufeinanderfolgenden Messpunkten p(0) und p(1) bestimmt werden. Bildet also die Summe aller Abstände |A_r|, deren entsprechender Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich fällt (also von Messpunkt P(1) bis P(11) und von Messpunkt P(13) bis P(15) in 8A) eine Vielzahl bzw. einen Großteil der Länge der Schleife, wird die Schleife von der Analyseeinheit 140 als Fehlerschleife erkannt. Anstatt einer 90%-igen Mehrheit, oder einer Länge die 90% oder mehr betragen muss, kann auch ein Wert von 50%, 75% oder 95% festgelegt werden. Daher kann von der Analyseeinheit 140 aufgrund des Verhältnisses der zwischen Summe aller Abstände |A_r|, deren entsprechender Phasenwinkel φ_r in den ersten Winkelbereich fällt, und der Länge der Schleife, die Schleife als Fehlerschleife erkannt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 ausgebildet sein, die Empfangseinheit 120 und/oder Sendeeinheit 110, bzw. die Messsonde 150 in einem Abstand von fast 0 mm bis 0,3 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,2 mm über eine Oberfläche des Bauteils 200 zu führen. Des Weiteren können Messdaten eine Auflösung von höchstens 1 mm Durchmesser pro Messpunkt aufweisen. Somit ist jeder Messpunkt, an dem das Antwortsignal erfasst wurde, genauer bestimmbar und somit ist auch die Quelle der Messdaten präzise bestimmbar. Die Position eines Fehlers kann somit genauer beim fehlerhaften Bauteil 200 bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 so ausgebildet sein, die Empfangseinheit 120 und/oder Sendeeinheit 110, bzw. die Messsonde 300 eine Bahn bis einschließlich beispielsweise 10.000 Mal pro Minute abfahren zu lassen. Bei der bevorzugten kreisförmigen Bahn R1 entspricht dies bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute, .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 ausgebildet sein, falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln φ_r, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, in einen zweiten Winkelbereich, der anders als der erste Winkelbereich ist, fallen, eine Kante 210 im Bauteil 200 zu erkennen. Dies dient dazu, zwischen einem Fehler (bzw. einer Fehlerschleife) und einer Kante 210 des Bauteils 200 (bzw. einer Kantenschleife) zu unterscheiden. Überfährt die Empfangseinheit 120 die Kante 210 des Bauteils 200 entsteht, verglichen zur vorstehend beschriebenen Erkennung eines Fehlers, eine um ein Vielfaches größere Amplitudenänderung. Obwohl die teilweise und vollständige Auswertung der Schleife zur Fehlererkennung (vorstehend beschrieben) hier auch Anwendung finden können, wird der Vollständigkeit halber, unter Bezug auf 9A bis 9C eine Kantenerkennung beschrieben.
Ein Kantensignal fällt in der Regel deutlich größer als ein Fehlersignal aus. Daher wird für die beispielsweisen Zeichnungen der Kanten- und Fehlersignale ein verschiedener Maßstab angewandt.
9A veranschaulicht ein Messignal der Messsonde 150 einer Prüfvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Überfahren einer Kante 210 des Bauteils 200. Obwohl die in 9A gezeigte Darstellung so groß wirkt wie die in 8A dargestellte Zeichnung, ist der Maßstab in 9A um ein Vielfaches größer (z.B. 1:10 anstatt 1:1). Hierbei werden wieder alle Messpunkte (hier p(0),...p(N) wobei N = 15) einzeln durch ein X dargestellt und zur Veranschaulichung ihrer zeitlichen Mess-/Abtastreihenfolge mit einer gestrichelten Linie verbunden.
Fängt die Führeinheit 130 an, die Empfangseinheit 120 über die Kante 210 des Bauteils 200 zu führen (bzw. wenn Empfangseinheit 120 „einläuft“) so ergibt sich eine Schleife von Messpunkt von p(0) bis p(7). Sobald die Empfangseinheit 120 von der Kante 210 weggeführt wird (bzw. wenn sie „ausläuft“) fährt die Schleife von Messpunkt p(8) bis p(15) fort. Aufgrund des starken Ausschlags der Schleife befindet sich die Kreuzung der Y-Achse nicht notwendiger weise beim Nullpunkt, obwohl, zwischen p(7) und p(8), sich die Empfangseinheit 120 mittig über der Kante 210 befinden würde. Wie bei der vorstehenden Erkennung eines Fehlers bzw. einer Fehlerschleife kann auch hier der Anfang und das Ende einer Schleife so bestimmt werden, dass nicht zweimal dieselbe Schleife verarbeitet wird.
Da die Messpunkte p(0) bis p(15) der in 9A gezeigte Schleife eine im Vergleich zu 8A um ein Vielfaches größere Schleife bilden, kann eine hohe Schwelle angewendet werden, um die Schleife als Kantenschleife zu erkennen. Beispielsweise können die in 4A bis 4E gezeigten Schwellen 410 bis 450 auf einen korrekten Maßstab übertragen und angewandt werden.
Da die genaue Bestimmung bzw. Skalierung einer solchen Schwelle jedoch auch potentielle Fehlerschleifen als Kantenschleife erkennen könnte, werden vorzugsweise die Phasenwinkel φ_r zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten gemessen und mit einem zweiten Winkelbereich verglichen. Betrachtet man dies an Messpunkten p(13) und p(14) (siehe Bezugszeichen C') genauer, so ergibt sich das in 9B gezeigte Beispiel.
Wie in 9B gezeigt, wird der Phasenwinkel φ_r(14) zwischen dem vorletzten Messpunkt p(13) und dem letzten Messpunkt p(14) bestimmt und folgt demselben Verfahren wie für 8B. Dieselbe Winkelberechnung wird auch auf alle weiteren Phasenwinkel φ_r angewendet, sodass sich aus zwei aufeinanderfolgenden Messpunkten, also p(t- 1) und p(t) ein Phasenwinkel φ_r(t) berechnen lässt. Fällt eine Vielzahl von Phasenwinkeln, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, in einen zweiten Winkelbereich, wird die Schleife als Kantenschleife und somit eine Kante 210 des Bauteils 200 erkannt.
Der zweite Winkelbereich kann z.B. ±45° relativ zur X-Achse (oder von 45° bis 135° relativ zur Y-Achse, die rechtwinklig zur X-Achse steht) betragen, insbesondere ±25° oder +10° relativ zur X-Achse, in Abhängigkeit des Materials des Bauteils 200.
Diese Erkennung einer Schleife als Fehlerschleife kann auf einer teilweisen Auswertung der Schleife beruhen und z.B. nur Messpunkte p(0) bis p(3) berücksichtigen, um die Schleife als Kantenschleife zu erkennen. Darüber hinaus kann aber auch eine vollständige Auswertung der Schleife durchgeführt werden, wodurch die Erkennungsgenauigkeit erhöht werden kann.
Zur Veranschaulichung der zweiten, vollständigen Auswertung wird nun Bezug auf 9C genommen. Überträgt man die berechneten Phasenwinkel φ_r auf eine Zeitachse, ergibt sich der in 9C Phasenverlauf. Die schraffierten Bereiche D, D' und D'' zeigen ein Beispiel eines zweiten Winkelbereich von ±45° relativ zur X-Achse dar. Durch die Bereiche D, D' und D'' soll veranschaulicht werden, dass ein negativer Phasenwinkel φ_r, der um 180° gedreht ist, immer noch in den zweiten Winkelbereich fallen kann.
In 9C zeigt die durchgehende Linie die Phasenwinkel φ_r, wie sie für Messpunkte p(0) bis p(15) berechnet werden. Da die Schleife in 9A erst ab Messpunkt p(3) ansteigt beginnt der in 9C gezeigte Verlauf mit einem negativen Phasenwinkel φ_r. Für Messpunkt p(7) knickt die in 9A gezeigte Schleife nach unten ab, was einen negativen Phasenwinkel φ_r aufweist, und weshalb sich in 9C ein diskontinuierlicher Sprung nach unten ergibt. Dieser Diskontinuität kann abgeholfen werden, indem alle negativen Phasenwinkel φ_r um 180° verschoben werden (siehe die gestrichelte Linie φ_r +180°) oder indem der Betrag der Phasenwinkel φ_r benutzt wird (siehe die gepunktete Linie |φ_r|).
Bis zum Messpunkt P(4) fallen alle aufeinanderfolgende Phasenwinkel φ_r in den zweiten Winkelbereich, weshalb die Schleife als Kantenschleife erkannt werden würde. Jedoch ist der die Messpunkte P(3) und P(4) verbindende Vektor nahezu vertikal, weshalb der entsprechende Phasenwinkel φ_r einen Wert von nahezu 90° beträgt, weshalb dieser Phasenwinkel φ_r somit außerhalb des zweiten Winkelbereichs liegt. Wie vorstehend schon für die Fehlererkennung erwähnt, kann eine Erhöhung der Abtastrate diese Falscherkennung begünstigen.
Müssten alle Phasenwinkel in den ersten Winkelbereich fallen, würde mit Messpunkt P(4) die Schleife nicht mehr als Kantenschleife erkannt. Wird aber berücksichtigt, dass nur einige der Phasenwinkel φ_r außerhalb des zweiten Winkelbereichs liegen, also ein Großteil bzw. eine Mehrzahl oder Mehrheit der Phasenwinkel φ_r in den zweiten Winkelbereich fallen (z.B. 90% oder mehr), so wird die Schleife immer noch als Kantenschleife erkannt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl für die Erkennung einer Kantenschleife so festgestellt werden, wie bei der vorstehenden Erkennung einer Fehlerschleife. Insbesondere kann eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Phasenwinkeln φ_r, vorliegen, falls zwei oder mehr Phasenwinkel φ_r in den zweiten Winkelbereich fallen. Insbesondere kann diese Vielzahl von Phasenwinkeln φ_r, vorliegen, falls eine Mehrheit der Reihe von Phasenwinkeln φ_r in den zweiten Winkelbereich fallen, insbesondere 50%, 75%, 90% oder 95% oder mehr.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Analyseeinheit 140 ausgebildet sein, falls für eine Vielzahl von Abständen |A_r| (die wie vorstehend berechnet werden können) der entsprechende Phasenwinkel φ_r in den zweiten Winkelbereich fällt, eine Kante 210 im Bauteil 200 zu erkennen. Insbesondere kann, falls ein Verhältnis zwischen einer Summe aller Abstände |A_r|, deren entsprechender Phasenwinkel φ_r in den zweiten Winkelbereich fällt, eine Mehrheit der relativen Abstände |A_r| bilden, insbesondere 50%, 75%, 90% oder 95% oder mehr.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Analyseeinheit 140 ausgebildet sein, die Reihe von Messpunkten (in 8A p(0) ,...p(N) wobei N = 15) um die Messpunkte p zu reduzieren, die einen Schwellenwert nicht überschreiten (z.B. die Schwellen 410 bis 450). Somit werden nicht relevante Messpunkte p herausgefiltert und die nur Messpunkte p in Betracht gezogen, die z.B. eine Amplitude |A| aufweisen, die größer als ein gewisser Betrag ist. Geringfügige und vernachlässigbare Ausschläge einer Normalschleife und Abweichungen derselben blieben somit außer Betracht. Solche Ausschläge und/oder Abweichungen können sich nämlich auf unerhebliche Materialänderungen, Messfehler oder Rauschen zurückführen lassen.
[Prüfverfahren]
Eine Ausführungsformbetrifft ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils 200. Dieses Prüfverfahren ist in 7 skizziert und umfasst: das Erregen S11 eines Bauteils 200 mit einem periodischen Erregersignal; das Empfangen bzw. Messen S12 eines durch Erregung des Bauteils 200 erzeugtes Antwortsignals, wobei die für das Empfangen eingesetzte Empfangseinheit 120 über das Bauteil 200 und über eine Kante 210 des Bauteils 200 geführt wird; das Ausgeben einer auf dem Antwortsignal basierenden Reihe von Messpunkten p, wobei jeder der Messpunkte p eine Amplitude A des Antwortsignals und eine Phasenlage φ des Antwortsignals aufweist; das Berechnen von Phasenwinkel φ_r basierend auf der Reihe von Messpunkten p, wobei jeder der Phasenwinkel φ_r einen Winkel zwischen zwei durch die Amplitude A und die Phasenlage φ definierte Messpunkte angibt; und das Analysieren S13 und dadurch Erkennen eines Fehlers im Bauteil (200), falls eine Vielzahl von Phasenwinkel φ_r, die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten entspricht, in einen ersten Winkelbereich fällt.
Demnach setzt das Prüfungsverfahren im Wesentlichen die Funktion der vorstehend beschriebenen Prüfvorrichtung um.
Dieses Prüfverfahren kann durch ein Zwei-Buffer-System umgesetzt werden, wodurch die zur Fehler- und Kantenerkennung benötigte Speicher- und Rechenleistung wesentlich reduziert werden kann.
Insbesondere werden bei dem Zwei-Buffer-System zwei erfasste (und im Buffer gespeicherte) Messpunkte P(1), P(2) mit einem Start- oder Ausgangsmesspunkt P(0) verglichen. Zur genaueren Benennung dieser zwei Messpunkte wird der erste Messpunkt P(1) auch als der „zeitlich folgende Messpunkt P(1)“ und der zweite Messpunkt P(2) auch als der „weitere zeitlich folgende Messpunkt P(2)“ bezeichnet. Der Ausgangsmesspunkt P(0) ist z.B. der erste Messpunkt einer Schleife.
Wie bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, findet eine Winkelauswertung der Messpunkte zum jeweiligen Vorgänger statt, also wird ein Phasenwinkel φ_r(t) zwischen Messpunkten P(t) und P(t - 1) bestimmt. Ist der Phasenwinkel φ_r beider Messpunkte P(1), P(2) in einem relevanten (ersten oder zweiten) Winkelbereich, bleibt beim Zwei-Buffer-System der Ausgangsmesspunkt P(0) bestehen. Ansonsten wird der Ausgangsmesspunkt P(0) durch den ersten Messpunkt P(1) und der erste Messpunkt P(1) durch den zweiten Messpunkt P(2) ersetzt und es wird ein neuer zweiter Messpunkt P(2) erfasst.
Fallen die Phasenwinkel φ_r der Messpunkte P(1), P(2) in den relevanten Winkelbereich und ist der zweite Messpunkt P(2) weiter vom Ausgangsmesspunkt P(0) entfernt, bzw. hat der zweite Messpunkt einen größeren Abstand |A_r| zum Ausgangsmesspunkt P(0) als der erste Messpunkt P(1), wird der erste Messpunkt P(1) durch den Messpunkt P(2) ersetzt und ein neuer zweite Messpunkt P(2) wird erfasst. Sobald nach diesem Neuerfassen des zweiten Messpunktes P(2) festgestellt wird, dass der zweite Messpunkt P(2) näher am Ausgangsmesspunkt P(0) liegt als der erste Messpunkt P(1), also wenn die Schleife anfängt zurückzulaufen, wird ein Fehler oder Kante im Bauteil 200 erkannt, falls der für den ersten Messpunkt P(1) bestimmte Abstand größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Ist also die Vektorlänge vom gespeicherten Ausgangsmesspunkt P(0) zum letzten zulässigen Endmesspunkt P(1) genügend lang, wird die Reihe von Messpunkten, die eine Schleife bilden, als Fehlersignal (oder Kantensignal) erkannt. Abhängig davon, ob ein Fehler oder eine Kante erkannt werden soll, kann der relevante Winkelbereich durch den vorstehend beschriebenen ersten Winkelbereich B oder zweiten Winkelbereich D konkretisiert werden.
Diese Feststellung kann auch als Liste anhand der folgenden Schritte beschrieben werden:

1. Bestimmen eines Ausgangsmesspunktes P(0), eines ersten Messpunktes P(1) und eines zweiten Messpunktes P(2), wobei der erste Messpunkt P(0) zeitlich auf den Ausgangsmesspunkt P(0) folgt, und der zweite Messpunkt P(2) zeitlich auf den ersten Messpunkt P(1) folgt;
2. Bestimmen eines ersten Phasenwinkels φ_r des ersten Messpunktes P(1) und eines ersten Abstandes des ersten Messpunktes P(1) zum Ausgangsmesspunkt P(0);
3. Bestimmen eines zweiten Phasenwinkels φ_r des zweiten Messpunktes P(2) und eines zweiten Abstandes des zweiten Messpunktes P(2) zum Ausgangsmesspunkt P(0);
4. Ersetzen des ersten Messpunkt P(1) durch den zweiten Messpunkt P(2), Erfassen eines neuen Messpunktes P(3) als zweiten Messpunkt P(2) und Rückkehr zu Schritt 2, falls der zweite Phasenwinkel φ_r und der erste Phasenwinkel φ_r in den relevanten Winkelbereich A, B fallen;
5. Erkennen eines Fehlers (oder einer Kante) im Bauteil 200, falls der erste Abstand größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.

Durch dieses Verfahren, dass ein Zwei-Buffer-System nutzt, kann die Speicher- und Rechenlast reduziert werden.
Das Prüfverfahren kann in einer beliebigen Vorrichtung, beispielsweise einem Computer, umgesetzt werden und auf einem beliebigen Datenträger, beispielsweise als Prüfprogramm, gespeichert werden.

Claims

Prüfvorrichtung (100) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks (200), umfassend: eine Sendeeinheit (110), die ausgebildet ist, das zu prüfende Prüfstück (200) mit einem periodischen Erregersignal zu erregen; eine Empfangseinheit (130), die ausgebildet ist, ein durch Erregung des Prüfstücks (200) erzeugtes Antwortsignal zu empfangen und eine auf dem Antwortsignal basierende Reihe von Messpunkten (p) auszugeben, wobei jeder der Messpunkte (p) eine Amplitude (A) des Antwortsignals und eine Phasenlage (φ) des Antwortsignals aufweist; eine Führeinheit (130), die ausgebildet ist die Empfangseinheit (120) über das Prüfstück (200) und über eine Kante (210) des Prüfstücks (200) zu führen; und eine Analyseeinheit (140), die ausgebildet ist: Phasenwinkel (φ_r) basierend auf der Reihe von Messpunkten (p) zu berechnen, wobei jeder der Phasenwinkel (φ_r) einen Winkel zwischen zwei durch die Amplitude (A) und die Phasenlage (φ) definierte Messpunkte (p(0), p(1)) angibt, und falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln (φ_r), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, in einen ersten Winkelbereich (B) fällt, einen Fehler im Prüfstück (200) zu erkennen.
Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei, die Führungseinheit (140) ausgebildet ist, falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln (φ_r), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, in einen zweiten Winkelbereich (D), der anders als der erste Winkelbereich (B) ist, fällt, einen anderen Fehler oder eine Kante (210) im Prüfstück (200) zu erkennen.
Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Phasenwinkeln (φ_r) bei zwei oder mehr Phasenwinkeln (φ_r) vorliegt.
Prüfvorrichtung (100) nach einem von Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Phasenwinkeln (φ_r) bei einer Anzahl von Phasenwinkeln (φ_r) vorliegt, die 50%, 75%, 90% oder 95% oder mehr der Reihe von Messpunkten (p) entsprechenden Phasenwinkeln (φ_r) entspricht.
Prüfvorrichtung (100) nach einem von Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Analyseeinheit (140) ausgebildet ist: Abstände (|A_r|) basierend auf der Reihe von Messpunkten (p) zu berechnen, wobei jeder der Abstände (|A_r|) einen Betrag eines Abstandes zwischen zwei durch die Amplitude (A) und die Phasenlage (φ) definierte Messpunkte (p(0), p(1)) angibt, und, falls für eine Vielzahl von Abständen (|A_r|), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, der entsprechende Phasenwinkel (φ_r) in den ersten Winkelbereich (B) fällt, einen Fehler im Prüfstück (200) zu erkennen.
Prüfvorrichtung (100) nach einem von Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Analyseeinheit (140) ausgebildet ist: Abstände (|A_r|) basierend auf der Reihe von Messpunkten (p) zu berechnen, wobei jeder der Abstände (|A_r|) einen Betrag eines Abstandes zwischen zwei durch die Amplitude (A) und die Phasenlage (φ) definierte Messpunkte (p(0), p(1)) angibt, und, falls für eine Vielzahl von Abständen (|A_r|), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, der entsprechende Phasenwinkel (φ_r) in den zweiten Winkelbereich (D) fällt, eine Kante (210) im Prüfstück (200) zu erkennen.
Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vielzahl von Abständen (|A_r|) vorliegt, falls eine erste Länge 50%, 75%, 90% oder 95% oder mehr einer zweiten Länge entspricht, wobei die erste Länge durch eine Summe der Abstände (|A_r|) erhalten wird, die die Vielzahl bilden, und die zweite Länge durch eine Summe der Abstände (|A_r|) erhalten wird, die der Reihe von Messpunkten (p) entsprechen.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Führeinheit (130) ausgebildet ist, die Empfangseinheit (120) in einem Abstand von höchstens 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm oder 0,2 mm, über eine Oberfläche des Prüfstücks (200) zu führen; und die Führeinheit (130) ausgebildet ist, Antwortsignale mit einer Auflösung von höchstens 5 mm Durchmesser pro Messpunkt zu empfangen.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Analyseeinheit (140) ausgebildet ist, die Reihe von Messpunkten (p) um Messpunkte zu reduzieren, die zeitlich unmittelbar aufeinander folgen und deren entsprechender Phasenwinkel (φ_r) in den ersten Winkelbereich (B) bzw. in den zweiten Winkelbereich (D) fällt.
Prüfvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Analyseeinheit (140) ausgebildet ist, die Reihe von Messpunkten (p) um Messpunkte (p) zu reduzieren, deren Amplitude (A) einen Schwellenwert (410, ... 450) nicht überschreitet.
Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfstücks (200) umfassend: Erregen (S1) eines Prüfstücks (200) mit einem periodischen Erregersignal; Empfangen (S2) eines durch Erregung des Prüfstücks (200) erzeugten Antwortsignals, wobei die für das Empfangen eingesetzte Empfangseinheit (120) über das Prüfstück (200) und über eine Kante (210) des Prüfstücks (200) geführt wird; Ausgeben einer auf dem Antwortsignal basierenden Reihe von Messpunkten (p), wobei jeder der Messpunkte (p) eine Amplitude (A) des Antwortsignals und eine Phasenlage (φ) des Antwortsignals aufweist; Berechnen von Phasenwinkel (φ_r) basierend auf der Reihe von Messpunkten (p), wobei jeder der Phasenwinkel (φ_r) einen Winkel zwischen zwei durch die Amplitude (A) und die Phasenlage (φ) definierte Messpunkte (p(0), p(1)) angibt; und Erkennen eines Fehlers im Prüfstück (200), falls eine Vielzahl von Phasenwinkeln (φ_r), die einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messpunkten (p) entspricht, in einen ersten Winkelbereich (B) fällt.
Prüfverfahren nach Anspruch 11, wobei das Erkennen des Fehlers umfasst: 1. Bestimmen eines Ausgangsmesspunktes (P(0)), eines ersten Messpunktes (P(1)) und eines zweiten Messpunktes (P(2)), wobei der erste Messpunkt (P(1)) zeitlich auf den Ausgangsmesspunkt (P(0)) folgt, und der zweite Messpunkt (P(2)) zeitlich auf den ersten Messpunkt (P(1)) folgt; 2. Bestimmen eines ersten Phasenwinkels (φ_r) des ersten Messpunktes (P(1)) und eines ersten Abstandes des ersten Messpunktes (P(1)) zum Ausgangsmesspunkt (P(0)); 3. Bestimmen eines zweiten Phasenwinkels (φ_r) des zweiten Messpunktes (P(2)) und eines zweiten Abstandes des zweiten Messpunktes (P(2)) zum Ausgangsmesspunkt (P(0)); 4. Ersetzen des ersten Messpunkt (P(1)) durch den zweiten Messpunkt (P(2)), Erfassen eines neuen Messpunktes (P(3)) als zweiten Messpunkt (P(2)) und Rückkehr zu Schritt 2, falls der zweite Phasenwinkel (φ_r) und der erste Phasenwinkel (φ_r) in den ersten Winkelbereich (B) fallen; 5. Erkennen eines Fehlers im Prüfstück (200), falls der erste Abstand größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Prüfprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Prüfprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Prüfverfahren nach Anspruch 11 oder 12 auszuführen.