DE10332713B3

DE10332713B3 - Strahlintensitätsmessvorrichtung für Oberflächenbehandlungseinrichtungen

Info

Publication number: DE10332713B3
Application number: DE2003132713
Authority: DE
Inventors: Volker Schneidau; Heinrich Dropmann
Original assignee: Schlick Roto-Jet Maschinenbau GmbH
Current assignee: Wheelabrator Group GmbH
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2023-07-19
Also published as: WO2005016598A1

Abstract

Eine Strahlintensitätsmessvorrichtung für Strahlmittel weist emittierende Oberflächenbehandlungseinrichtungen, wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Messung der Strahlintensität und eine Auswertungseinrichtung auf. Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens einen Impulssensor (10), welcher wenigstens aus einem Grundgehäuse (11) und einem Prallteller (12) gebildet ist, der gegenüber dem Grundgehäuse (11) verschiebbar angeordnet ist und mit diesem über einen Messaufnehmer (14) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlintensitätsmessvorrichtung für Oberflächenbehandlungseinrichtungen, die wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Messung der Strahlintensität und eine Auswertungseinrichtung aufweist.

Bei Strahlmittel emittierenden Oberflächenbehandlungseinrichtungen wird, beispielsweise mittels Schleuderrädern, ein Strahlmittel auf eine Werkstückoberfläche gelenkt. Da durch die Verwirbelungen der Strahlmittel im Bereich der Werkstückoberfläche eine visuelle Kontrolle im laufenden Betrieb nicht möglich ist, wird die Lage des Aufprallbereichs des Strahlmittels auf der Werkstückoberfläche, dem sogenannten Hot-Spot, vor Aufnahme der Werkstückbehandlung mit Hilfe von in den Strahlbereich gelegten Probe-Blechabschnitten oder mit einem Farbauftrag im erwarteten Bereich des Strahls kontrolliert. Diese Verfahren zur Strahlbildkontrolle sind jedoch ungenau und verzögern die Arbeitszyklen der Oberflächenbehandlungseinrichtungen, da die Hilfsmittel manuell in den Strahlbereich gebracht und aus diesem wieder entfernt werden müssen.

Weiterhin ist es bekannt, nach ihrem Erfinder benannte Almen-Messstreifen, wie sie auch die US 5 731 509 A beschreibt, für die Strahlbildkontrolle einzusetzen. Diese länglichen Messstreifen bestehen aus Lagen von Federstahl in verschiedenen Dicken und werden an einem Werkstück oder einer Referenzplatte, beispielsweise durch Kleben, befestigt und dann mit dem Strahlmittel beaufschlagt. Hierdurch treten Durchbiegungen auf, die nach dem Strahlen gemessen werden. Die Durchbiegung erlaubt einen Rückschluss auf die Strahl-Intensität und damit eine genauere Bestimmung des Hot-Spots, allerdings ist auch hier keine kontinuierliche Überwachung des Strahlbildes möglich. Ein auswandernder Strahl während des laufenden Betriebs der Oberflächenbehandlungseinrichtung wird nicht erfasst, so dass es nur unter sehr großem Aufwand möglich ist, für jedes einzelne Werkstück eine Strahlbildkontrolle vorzunehmen. Ohne eine Einzelstückkontrolle kann die Qualität des Werkstücks nicht garantiert werden, und Zertifizierungsanforderungen, z. B. nach DIN ISO 9001 ff., werden nicht erfüllt.

Aus der DE 100 55 974 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Strahlmittel emittierenden Oberflächenbehandlungseinrichtungen bekannt, bei denen über eine Messung der Temperatur in einem Raster, das sich auf einer bestrahlten Referenzplatte oder einem Werkstück befindet, die Ausdehnung und Lage des Strahlbilds erfasst werden soll. Die mittelbare Messung des Strahls über die Erhöhung der Temperatur unterliegt jedoch in starkem Maße der Beschaffenheit und Gestaltung des Werkstücks sowie Umwelteinflüssen. Erst nach einiger Zeit anhaltender Bestrahlung kann eine Erwärmung gemessen werden, so dass ein Momentanzustand ebenso wenig messbar ist wie ein absoluter Wert für die Intensität des Strahls.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, mit denen der räumliche Wirkungsbereich einer Strahlanlage erfasst werden kann und unmittelbar ein absoluter Zahlenwert für die Intensität des Strahls erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patent anspruchs 1 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoreinrichtung wenigstens ein Grundgehäuse und einen Prallteller umfasst, welcher gegenüber dem Grundgehäuse verschiebbar angeordnet ist und mit diesem über einen Impulssensor gekoppelt ist.

Unter Strahlmittel werden zum einen abrasiv wirkende Partikel verstanden, insbesondere Quarzsand oder Kohlendioxidpellets, die lose sitzende Oberflächenschichten wie Rost und Zunder lösen, und zum anderen Partikel, insbesondere Stahlkugeln, die durch ihre kinetische Energie eine Verdichtung von Werkstückoberflächen und damit eine Erhöhung der Oberflächenhärte, z. B. im sogenannten shot-peeving Verfahren, bewirken.

Beim Anprall der Strahlmittelteilchen auf der Oberfläche eines Werkstücks und/oder einer Referenzplatte bewirkt der Impuls aller pro Zeiteinheit auf die Prallplatte des Sensors auftreffenden Strahlmittelteilchen eine Verformung des Impulssensors, das heißt, seine Prallplatte wird gegenüber dem Grundgehäuse verschoben. Die Umwandlung der Verformung in ein elektrisches Messsignal kann erfindungsgemäß erfolgen durch:

– Messung der gegen die Kraft einer Feder erfolgenden Verschiebung des Pralltellers gegenüber dem Grundgehäuse durch einen Wegaufnehmer;
– Messung der Verformung eines den Prallteller mit dem Grundgehäuse koppelnden Kraftsensors, insbesondere durch Dehnungsmessstreifen oder durch Piezokristalle; oder
– Messung der Druckerhöhung in einer den Prallteller mit dem Grundgehäuse koppelnden Druckmessdose.

Je nach Ausführungsform können mehrere Impulssensoren rasterförmig auf einer Referenzplatte angeordnet sein, die im Wirkungsbereich einer Strahlmittelschleudervorrichtung positioniert wird. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Abfrage vieler Messstellen und ermöglicht so auch dann eine Messung, wenn die Intensität des Strahls über die Zeit stark schwankt oder wenn der Strahl nur kurz über eine bestimmte Fläche streicht, etwa bei Durchlaufförderern in Druckluftstrahlanlagen.

Bei Strahlturbinen hingegen, wo über einen Zeitraum von mehreren Minuten eine etwa konstante Strahlintensität erreicht wird, kann auch eine Sensoreinrichtung mit nur einem oder mit wenigen, insbesondere linear angeordneten Impulssensoren bestrahlt werden, der bzw. die dann im Wirkungsbereich des Strahlmittels rasterförmig verfahren wird bzw. werden, so dass die Strahlintensität ebenfalls an einer Vielzahl von Messpunkten ermittelt wird. Eine verfahrbare Sensoreinrichtung mit einer punkt- oder linienförmigen Verteilung von nur wenigen Sensoren ist zum einen kostengünstig, sie ermöglicht aber zum anderen auch eine sehr flexible und individuelle Festlegung der Messpunkte, die beispielsweise an die Ausdehnung eines für die Strahlmittelanlage vorgesehenen Werkstücks leicht anpassbar ist.

Es wird somit erfindungsgemäß ermöglicht, die Intensität des Strahl quantitativ als absoluten Wert an einem beliebigen Punkt eines Messrasters zu ermitteln und nicht nur, aber auch qualitative Vergleiche zwischen bestrahlten Bereichen vorzunehmen. Es können Wirkungsvergleiche zwischen verschiedenen Schaufeltypen und zwischen verschiedenen Parametereinstellung vorgenommen werden. Außerdem kann insbesondere bei Strahlanlagen für das shot-peening überprüft werden, ob an einem bestimmten Auftreffpunkt der Impuls und damit die Wirkung des Strahlmittels noch ausreichend ist, um die gewünschten Eigenschaften in der Werkstückoberfläche herzustellen.

Weitere Ausführungsformen der Strahlbildkontrollvorrichtung der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 eine Strahlintensitätsmessvorrichtung in seitlicher Ansicht;
2 den Aufbau eines Impulssensors in Schnittansicht;
3 ein Messraster in Draufsicht;
4 eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäß ermittelten Messwerte für die Strahlintensität; und
5 eine weitere Messrasteranordnung in Draufsicht.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Strahlintensitätsmessvorrichtung, bei der eine Sensoreinrichtung 40 mit einem Impulssensor 10 auf einer bogenförmigen Führungsschie ne 31 durch den mit den Strahlen angedeuteten Wirkungsbereich 21 eines Schleuderrads 20 bewegt wird. In 1 sind drei mögliche Positionen der Sensoreinrichtung 40 zugleich dargestellt.
Das Zentrum des Bogens der Führungsschiene 21 ist vorzugsweise im Abwurfbereich 22 an dem Schleuderrad 21 angeordnet, so dass die Fluglänge der Strahlpartikel vom Abwurfbereich 22 bis zum Aufprall auf dem Impulssensor 10 annähernd konstant über die Länge der Bahnführung 31 ist.
Alternativ kann das Zentrum des Bogens der Führungsschiene mit dem Mittelpunkt des Schleuderrads 21 übereinstimmen, wodurch sich eine exakte und reproduzierbare Einstellung, insbesondere für vergleichende Untersuchungen von Schleuderrädern, ergibt.
An verschiedenen Punkten der Bahnführung 31 kann die Sensoreinrichtung 10 positioniert und eine Messung des Impulses der anprallenden Strahlpartikel durchgeführt werden.
Außerdem kann vorgesehen sein, die Sensoreinrichtung senkrecht zu dieser ersten, bogenförmigen Bewegungsrichtung zu bewegen, also senkrecht zur Bildebene der 1. Dadurch wird mit einem einzelnen Impulssensor 10 ein zylindermantelabschnittsförmiges Messraster erzeugt.
In der beispielhaft dargestellten Ausführungsform der 1 ist der Impulssensor 10 auf einer Halterung 41 befestigt, welche entlang der bogenförmigen Führungsschiene 31 verschiebbar ist. Die Verschiebungen werden über eine Antriebsvorrichtung 30 bewirkt, die eine Antriebsstange 32 mit einem Mitnehmerelement 34 bewirkt. Durch die Verschiebung der Antriebsstange 32 wird die Halterung 41 des Impulssen sors 10 entlang der Führungsschiene 31 bewegt, wobei das Mitnehmerelement 34 nur in Richtung der Führungsschiene an der Halterung festgelegt ist. Eine weitere Festlegung besteht nicht, insbesondere kann das Mitnehmerelement 34 an der Halterung 41 entlag gleiten, so dass der unterschiedliche Abstand der Führungsschiene von der Antriebsstange 32 einfach ausgeglichen wird. Die Antriebsstange 32 kann durch eine einfache Anordnung von Reibrädern 35, 36 linear angetrieben werden.
In 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Impulssensors 10 im Schnitt dargestellt. Ein Prallteller 12 ist so gegenüber dem oberen Rand eines topförmigen Grundgehäuse 11 liegend angeordnet, dass ein Luftspalt 15 gewahrt bleibt. Dieser kann beispielsweise durch eine Labyrinthdichtung gegen das Eindringen von Strahlpartikeln ins Innere des Impulssensors 10 geschützt sein. Im dargestellten Ausführungsform ist die Labyrinthdichtung in sehr einfacher Weise dadurch gebildet, dass der Prallteller 12 an seiner Unterseite eine V-förmige Nut aufweist, in die ein gratförmiger Rand des Grundgehäuses 11 hineinragt.
3 zeigt ein kartesisches Messraster 100 mit einem äquidistanten Bereich von fünf Zeilen 102...106 und acht Spalten 111...118 zur Erfassung der Strahlintensität im Arbeitsbereich der Strahlturbine 20, sowie einer zusätzlichen, weiter abgesetzten Zeile 101 zur Erfassung der Strahlintensität in einem Randbereich.
Dieses Raster kann entweder durch eine entsprechende Anzahl von Impulssensoren 10 gebildet sein, die an jedem Punkt des Rasters 100 positioniert sind, so dass eine gleichzeitige Messwerterfassung und damit die Erfassung sehr kurzfristiger Änderungen in der Strahlintensität möglich ist.
Da bei Strahlturbinen eine ausreichende zeitliche Konstanz zur Untersuchung der Strahlintensität gegeben ist, wird aus Kostengründen vorzugsweise eine Sensoreinrichtung 40 eingesetzt, die in nur einer Spalte mit Impulssensoren 10.1 ... 10.8 bestückt ist, die in Z-Richtung linear angeordnet sind. Die anderen Punkte des Messrasters 10 werden dann durch taktweise Verschiebung der Sensoreinrichtung 40 in X-Richtung erfasst. Die X-Richtung ist entweder zu einer Horizontalen oder zu der Führungsschiene 31 parallel.
Die Messausgänge der Impulssensoren 10.1 ... 10.8 können über eine Multiplexereinrichtung gekoppelt und dann einer Datenauswertungseinrichtung zugeführt werden, beispielsweise mit einem Analog-Digital-Wandler zur Erfassung der analogen Messwerte und einem PC zur Umrechnung, Speicherung und grafischen Darstellung der Messwerte.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Strahlintensität lässt sich wie folgt zusammenfassen:

a) Positionierung einer Sensoreinrichtung 40 im Wirkungsbereich 21 einer Strahlmittelschleudervorrichtung 20;
b) Strahlen auf den Prallteller 12 des wenigstens einen Impulssensors 10 der Sensoreinrichtung 40,
c) Ermitteln eines elektrischen Signals, das proportional zu dem pro Zeiteinheit auf den Prallteller 12 wirkenden Impuls des Strahlmittels ist.

Das Verfahren wird nachfolgend an einem Beispiel erläutert:
Es wird ein einzelner Impulssensor 10 mit einem Kraftsensor als Messwertaufnehmer 14, der einen Kraftmessbereich von 0 ... 100 N hat, eingesetzt.
Untersucht wird eine Strahlturbine 20 mit einem Durchmesser von 400 mm und mit acht geraden Schaufeln von je 105 mm Länge. Die Strahlturbine wird auf eine Drehzahl von 2900 min^–1 beschleunigt.
Es wird ein Strahldrahtkorn mit einer Menge 400 kg min^–1 aufgegeben. In dem sich ergebenden Strahlkegel wird die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 40 mit einer Geschwindigkeit von 1 m min^–1 zwischen den Punkten des Messrasters 100 verfahren.
Der Spaltenabstand im Messraster beträgt 100 mm, um den bestrahlten Bereich nahezu über seine gesamte Ausdehnung in X-Richtung erfassen zu können. Der Zeilenabstand wird entsprechend der geringeren Ausdehnung quer dazu, nämlich koaxial zur Drehrichtung des Schleuderrads 20, mit 12mm im äquidistanten Bereich des Messrasters 100 entsprechend feiner gewählt. Die abgesetzte Zeile 101 ist gegenüber der obersten Zeile 102 des äquidistanten Bereichs um 30 mm abgesetzt.
An jedem Punkt des Messrasters 100 wird ein Messvorgang ausgelöst. Die als Messwerte erhaltenen elektrischen Spannungen bzw. Ströme sind proportional zu der Kraft, die durch den Impuls einer Vielzahl von Strahlpartikeln während des Messvorgangs auf den Prallteller 12 und damit auf den Messaufnehmer 14 ausgeübt wird.
Die elektrischen Messwerte werden entsprechend der Charakteristik des Messaufnehmers 14 in einen Wert für die Kraft umgerechnet und grafisch dargestellt. Es ergibt sich eine In tensitätsverteilung, die in 4 dargestellt ist: Aufgetragen über die Bodenfläche des Diagramms, die dem Messraster 100 entspricht, ist die Strahlintensität, gemessen als Kraft in Newton.
Das Kurvengebirge zeigt eine weitgehende Konstanz in Z-Richtung zwischen den Werten der zentralen Zeilen 102,...,106 des Messrasters entsprechend einer zur Strahlturbine 20 koaxialen Verteilung der Strahlintensität.
Quer dazu, also über die Länge des Strahlkegels, ergibt sich bei den Werten der Spalten 111,...,118 eine Gaußsche Normalverteilung.
Bezieht man auch die Werte der abgesetzten Zeile 101 mit ein, wo eine geringere Strahlintensität gemessen wurde, als im Bereich der zentralen Zeilen 102...106, so ergibt sich insgesamt eine grafische Darstellung der Messwerte entsprechend 4, die belegt, dass die bei Strahlturbinenanlagen angenommene ellipsoide Kegelform für die räumliche Strahlmittelverteilung auch für die Verteilung der Strahlintensität zutrifft.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung 40', bei der die Impulssensoren 10.1 ... 10.7 in zwei Spalten angeordnet sind, die zueinander um einen halben Zeilenabstand versetzt sind. Hierdurch ergibt sich eine verfeinerte Auflösung in Z-Richtung.

Claims

Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) für Strahlmittel emittierende Oberflächenbehandlungseinrichtungen, die wenigstens eine Sensoreinrichtung (40; 40') zur Messung der Strahlintensität und eine Auswertungseinrichtung (140) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (40; 40') wenigstens einen Impulssensor (10; 10.1 ... 10.7) umfasst, welcher wenigstens aus einem Grundgehäuse (11) und einem Prallteller (12) gebildet ist, der gegenüber dem Grundgehäuse (11) verschiebbar angeordnet ist und mit diesem über einen Messaufnehmer (14) gekoppelt ist.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (40) eine Vielzahl von Impulssensoren (10.1 ... 10.7) aufweist, die auf einer Linie angeordnet sind.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (40') eine Vielzahl von Impulssensoren (10.1 ... 10.7) aufweist, die auf zwei parallelen Spalten und um eine halbe Zeilenrasterlänge versetzt zueinander angeordnet sind.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine Vielzahl von Impulssensoren aufweist, die auf einer Referenzplatte rasterförmig angeordnet sind.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssensoren in einem kartesischen Messraster (100) angeordnet sind.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssensoren in einem Polarkoordinaten-Messraster angeordnet sind.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung wenigstens einen Messverstärker, eine Multiplexeinrichtung und einen Messwertspeicher oder eine Messwertanzeige umfasst.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prallteller (12) an seiner Unterseite eine V-förmige Nut aufweist, in die ein gratförmiger Rand des Grundgehäuses (11) hineinragt.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung auf einer bogenförmigen Führungsschiene (31) durch den Wirkungsbereich (21) des Strahlmittels geführt ist.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum der Krümmung der bogenförmigen Führungsschiene (31) am Austrittspunkt (22) des Strahlmittels an der Oberflächenbehandlungseinrichtung liegt.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum der Krümmung der bogenförmigen Führungsschiene (31) mit dem Mittelpunkt eines Schleuderrads (20) übereinstimmt.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (14) eine Druckmessdose oder ein Kraftsensor ist.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (14) Dehnungsmessstreifen enthält.
Strahlintensitätsmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (14) ein Wegaufnehmer ist.