DE19614895A1

DE19614895A1 - Profile test system using optical scatter from surface being tested

Info

Publication number: DE19614895A1
Application number: DE19614895A
Authority: DE
Inventors: Vanessa Dipl Ing Prott; Horst Prof Dr Ing Kreitlow
Original assignee: LASER SORTER GmbH
Current assignee: LASER SORTER GmbH
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-10-23

Abstract

The system has a probe (16), single light wave conductor (15) and beam divider (12) coupled with one end (15a) of the light wave conductor. This feeds the light from a light source (10) in the light wave conductor and returns the light to an optoelectronic converter (23). The other end (15b) of the light wave conductor has a reflecting chamfer (19). The transmitter and receiver section (20) of this end of the light wave conductor is aligned at right angles to the axis of the light wave conductor. The beam divider (12) is designed in such a way that it supplies a part of the light coming from the light source to a second optoelectronic converter (23a) and, based on the signal of the second converter, standardisation of the measurement signal to the intensity of the light source results.

Description

Die Erfindung betrifft eine Profil-Prüfvorrichtung nach dem Prinzip der optischen Rückstreuung.The invention relates to a profile testing device according to the principle of optical backscattering.

Profil-Prüfvorrichtungen werden insbesondere für die Prüfung von Schraubgewinden auf Fehlstellen benutzt. Hierzu sind optoelektronische Meßverfahren bekannt, die den Vorteil einer berührungslosen und zerstörungsfreien Abtastung bei sehr kurzer Prüfzeit haben. Aus DE 34 22 772 C2 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Innen gewindemessung bekannt, die eine Monomodefaser als Sen der und zwei umliegende Multimodefasern als Empfänger aufweist. Diese Vorrichtung wird in ein zu prüfendes Innengewinde eingefahren. Damit der Sende- und Em pfangsbereich auf das Gewindeprofil gerichtet ist, ist das Faserbündel um 90° mit einem kleinen Radius ge krümmt und in einem Sensorkopf fixiert. In der Praxis sind mit einer derartigen Vorrichtung nur Prüfungen von Gewinden möglich, die eine Größe von M12 nicht unter schreiten, weil die für kleinere Gewinde erforderliche starke Krümmung der Fasern nicht realisiert werden kann.Profile test fixtures are used especially for the Checking screw threads for defects used. For this purpose, optoelectronic measuring methods are known which the advantage of a non-contact and non-destructive Have scanning with a very short test time. From DE 34 22 772 C2 is a device for non-contact interior thread measurement known a single-mode fiber as Sen and two surrounding multimode fibers as receivers having. This device is in a test Internal thread retracted. So that the transmitter and em area is directed towards the thread profile the fiber bundle ge by 90 ° with a small radius curved and fixed in a sensor head. In practice are only tests of such a device Threads possible that are not under a size of M12 step because the one required for smaller threads strong curvature of the fibers cannot be realized can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Profil- Prüfvorrichtung zu schaffen, die äußerst kleinformatig ausgeführt werden kann.The invention has for its object a profile To create testing device that is extremely small in size can be executed.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved with the invention the features specified in claim 1.

Bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist nur ein einziger Lichtleiter vorhanden, der sowohl das hin laufende Licht als auch das rücklaufende Licht leitet. Der Lichtleiter ist an seinem Ende mit einer verspie gelten Abschrägung versehen, so daß der Sende- und Em pfangsbereich quer zur Achse des Lichtleiters gerichtet ist. Auf diese Weise kann der Lichtleiter in geradem Zustand axial in ein Innengewinde eingesenkt werden, wobei der Erfassungsbereich seitlich auf die Gewinde gänge gerichtet ist. Infolge der Verwendung eines ein zigen ungekrümmten Lichtleiters wird ein stabförmiger Sensor mit sehr kleinem Querschnitt erhalten, der auch in kleinste Gewinde eingeführt werden kann.In the test device according to the invention there is only one only light guide available, which both out running light as well as the returning light conducts. The light guide has a spike at its end apply bevel so that the send and em area is directed transversely to the axis of the light guide is. This allows the light guide to be straight Axially sunk into an internal thread, with the detection area on the side of the thread corridors. As a result of using a umpteenth curved light guide becomes a rod-shaped Get a sensor with a very small cross section, that too can be inserted into the smallest thread.

Die Benutzung eines einzigen Lichtleiters für die Hin- und Rückleitung schließt jedoch nicht aus, daß ein weiterer Lichtleiter vorhanden ist, der andere Funk tionen ausführt.The use of a single light guide for the out and back However, return does not preclude that there is another light guide, the other radio functions.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Licht der Lichtquelle in einen Meßzweig und ein Referenzzweig aufgeteilt, wobei das Licht des Refe renzzweiges dazu benutzt wird, das Meßsignal zu nor mieren, so daß eventuelle Intensitätsschwankungen der Lichtquelle ausgeglichen werden.According to a preferred development of the invention the light of the light source is in a measuring branch and split a reference branch, the light of the Refe renzzweiges is used to nor the measurement signal Mieren, so that possible fluctuations in intensity of Light source to be balanced.

Durch die Aufnahme und Speicherung einer Abstandskenn linie, die den Zusammenhang zwischen dem Abstand der Lichtaus- bzw. Eintrittsfläche des Lichtleiters gegen über der rückstreuenden Oberfläche und dem Meßsignal darstellt, kann der Sensor kalibriert werden, so daß bei Wiederholung der Messung reproduzierbare Abtaster gebnisse erhalten werden. Nach dem Aufnehmen der mate rialspezifischen Abstandskennlinie erhält man mittels der gespeicherten Werte für die Profilvermessung ein Weg/Längen-Diagramm. Aus dieser Darstellung des radialen und axialen Weges können charakteristische Prüfparameter direkt abgelesen werden.By recording and storing a distance identifier line that shows the relationship between the distance of the Light exit or entry surface of the light guide against over the backscattering surface and the measurement signal represents, the sensor can be calibrated so that reproducible scanners when the measurement is repeated results are obtained. After picking up the mate rial-specific distance characteristic is obtained using of the saved values for the profile measurement Path / length diagram. From this representation of the radial and axial path can be characteristic Test parameters can be read directly.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.The following is with reference to the drawings an embodiment of the invention explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Profil-Prüf vorrichtung am Beispiel der Prüfung eines In nengewindes, Fig. 1 is a schematic representation of the profile-testing device using the example of examination of an in nengewindes,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Sensorkopfes, und Fig. 2 is an enlarged view of the sensor head, and

Fig. 3 verschiedene Strahlengänge bei einem isome trischen Gewindeprofil. Fig. 3 different beam paths in an isometric cal thread profile.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Licht quelle 10 in Form einer Laserdiode auf. Das Laserlicht wird durch eine (nicht dargestellte) Aufweitungsoptik aufgeweitet und durch eine Optik 11 in einen Licht strahl parallelen Lichts umgewandelt. Im Strahlengang dieses Lichts ist ein Strahlteiler 12 mit einem unter 45° zur Richtung des einfallenden Lichts ausgerichteten halbdurchlässigen Spiegel 13 angeordnet. Der von dem Spiegel reflektierte und um 90° umgelenkte Teilstrahl wird über eine Optik 14 auf das rückwärtige Ende 15a eines Lichtleiters 15 fokussiert und in den Lichtleiter eingespeist. Das vordere Ende 15b des Lichtleiters bil det eine Sonde 16, die an das zu prüfende Profil heran geführt wird. Dieses Profil ist hier ein Innengewinde 17. Die Sonde 16 wird dabei axial in das Innengewinde 17 eingetaucht.The device shown in Fig. 1 has a light source 10 in the form of a laser diode. The laser light is expanded by a widening optics (not shown) and converted by optics 11 into a light beam parallel to light. In the beam path of this light, a beam splitter 12 is arranged with a semitransparent mirror 13 oriented at 45 ° to the direction of the incident light. The partial beam reflected by the mirror and deflected by 90 ° is focused via optics 14 onto the rear end 15 a of a light guide 15 and fed into the light guide. The front end 15 b of the light guide bil det a probe 16 which is brought up to the profile to be tested. This profile is an internal thread 17 here . The probe 16 is axially immersed in the internal thread 17 .

Das Innengewinde 17 ist in Fig. 2 vergrößert darge stellt. Ferner ist die Sonde 16 erkennbar, die aus dem vorderen Ende 15b des Lichtleiters 15 besteht, der im übrigen von einem Mantel 18 umgeben ist. Die Stirn fläche des Endes 15b des Lichtleiters ist mit einer Abschrägung 19 versehen, die unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Lichtleiters verläuft und durch Auf dampfen von reflektierendem Material verspiegelt ist. Die Abschrägung 19 lenkt aus dem Lichtleiter kommendes Licht etwa rechtwinklig ab, so daß dieses Licht seit lich aus dem Lichtleiter austritt. Der Sende- und Em pfangsbereich 20 ist daher quer zur Längsachse des Lichtleiters ausgerichtet. Ein Teil des aus dem Licht leiter austretenden Lichts wird von dem Gewinde 17 re flektiert und wieder in den Lichtleiter eingespeist.The internal thread 17 is shown in Fig. 2 enlarged Darge. Furthermore, the probe 16 can be seen , which consists of the front end 15 b of the light guide 15 , which is otherwise surrounded by a jacket 18 . The end face of the end 15 b of the light guide is provided with a bevel 19 which extends at an angle of 45 ° to the longitudinal axis of the light guide and is mirrored by vaporization of reflective material. The bevel 19 deflects light coming from the light guide approximately at right angles, so that this light emerges from the light guide since Lich. The transmitting and receiving region 20 is therefore aligned transversely to the longitudinal axis of the light guide. Part of the light emerging from the light guide is re ﬂ ected by the thread 17 and fed back into the light guide.

Das rücklaufende Licht gelangt wiederum zu dem halb durchlässigen Spiegel 13. Der diesen Spiegel geradlinig durchdringende Lichtanteil wird über eine Optik 21 in einen Lichtleiter 22 eingespeist, welcher mit dem Ein gang eines lichtelektrischen Wandlers 23 verbunden ist. Die Amplitude des von dem Wandler 23 gelieferten elek trischen Signals ist ein Maß für die Oberflächenbe schaffenheit des Gewindes und ferner ein Maß für den Meßabstand der Sonde 16 von der reflektierenden Gewin defläche. Durch axiales Bewegen der Sonde 16 längs der Gewindeachse erhält man einen etwa sinusförmigen Ver lauf des Meßsignals. Befinden sich im Gewinde jedoch Fehlstellen, die eine stärkere Lichtstreuung hervor rufen, wird dieser Verlauf gestört.The returning light in turn reaches the semi-transparent mirror 13 . The light component penetrating this mirror in a straight line is fed via optics 21 into a light guide 22 which is connected to the input of a photoelectric converter 23 . The amplitude of the elec trical signal supplied by the transducer 23 is a measure of the surface texture of the thread and also a measure of the measuring distance of the probe 16 from the reflective thread defläche. By axially moving the probe 16 along the thread axis, an approximately sinusoidal United course of the measurement signal is obtained. However, if there are imperfections in the thread that cause more light scattering, this course is disturbed.

Zur Eliminierung etwaiger Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 10 ist ein Referenzzweig 24 vorgesehen. Dieser besteht aus einer Optik 25, die das den Spiegel 13 geradlinig durchlaufende Licht der Lichtquelle 10 auf das Ende eines weiteren Lichtleiters 26 fokussiert. Dieser Lichtleiter ist an einen zweiten lichtelek trischen Wandler 23a angeschlossen. Den Wandlern 23 und 23a ist jeweils ein Verstärker 27 bzw. 27a nachgeschal tet. Die Ausgangssignale dieser Verstärker werden einer Kompensationsschaltung 28 zugeführt, die Tiefpaßeigen schaften hat. Die Kompensationsschaltung 28 normiert das Signal des Wandlers 23 auf dasjenige des Wandlers 23a. Der Ausgang der Kompensationsschaltung 28 ist über einen Verstärker 29 mit einem A/D-Wandler 30 verbunden, der das normierte Meßsignal in digitaler Form einer Auswertungsvorrichtung 31 zuführt.A reference branch 24 is provided to eliminate any fluctuations in intensity of the light source 10 . This consists of an optical system 25 , which focuses the light of the light source 10 passing straight through the mirror 13 onto the end of a further light guide 26 . This light guide is connected to a second lichtelek cal converter 23 a. The transducers 23 and 23 a have an amplifier 27 and 27 a downstream. The output signals of these amplifiers are fed to a compensation circuit 28 which has low-pass properties. The compensation circuit 28 normalizes the signal of the converter 23 to that of the converter 23 a. The output of the compensation circuit 28 is connected via an amplifier 29 to an A / D converter 30 which supplies the standardized measurement signal in digital form to an evaluation device 31 .

Die Prüfvorrichtung eignet sich insbesondere zur Prü fung isometrischer Gewinde, die einen Flankenwinkel von 60° haben. Ein solches isometrisches Gewinde 17 ist in Fig. 3 dargestellt. Trifft ein divergentes Lichtbündel auf ein isometrisches Gewindeprofil, so hängt es vom Öffnungswinkel des Lichtaustrittsbereichs 20, der Ent fernung der Lichtaustrittsfläche vom Gewinde und der Gewindegröße ab, ob die beleuchtete Fläche sich über einen oder mehrere Gewindegänge erstreckt. Betrachtet man das radial aus der Faser austretende Lichtbündel, so lassen sich die in Fig. 3 dargestellten Fälle unter scheiden.The test device is particularly suitable for testing isometric threads that have a flank angle of 60 °. Such an isometric thread 17 is shown in FIG. 3. If a divergent light beam strikes an isometric thread profile, it depends on the opening angle of the light exit region 20 , the distance of the light exit surface from the thread and the thread size, whether the illuminated surface extends over one or more threads. If one looks at the light beam emerging radially from the fiber, the cases shown in FIG. 3 can be distinguished.

Im Falle a) trifft der Lichtstrahl 33 auf den oberen Bereich der Gewindeflanke. Hier erfolgt eine Reflexion auf die gegenüberliegende Gewindeflanke, die unter 90° getroffen wird. Daher wird der Lichtstrahl 33 in sich reflektiert und in den Lichtleiter zurückgeworfen.In case a), the light beam 33 strikes the upper region of the thread flank. Here there is a reflection on the opposite thread flank, which is hit at 90 °. Therefore, the light beam 33 is reflected in itself and reflected back into the light guide.

Im Fall b) trifft der Lichtstrahl 33 auf den unteren Teil der Gewindeflanke. Er wird dabei auf den Gewinde grund und von dort auf die gegenüberliegende Gewinde flanke reflektiert, um als rücklaufender Strahl 34 wie der in den Lichtleiter einzutreten.In case b), the light beam 33 strikes the lower part of the thread flank. It is ground on the thread and reflected from there on the opposite thread flank to enter as a returning beam 34 like that in the light guide.

Im Falle c) trifft der ankommende Strahl 33 auf den Gewindegrund und wird in sich reflektiert.In case c), the incoming beam 33 hits the root of the thread and is reflected in itself.

Claims

1. Profile tester according to the principle of optical backscattering through the surface to be tested, with a single light guide ( 15 ) and one end ( 15 a) of the light guide ( 15 ) coupled beam splitter ( 12 ), the light from a light source ( 10 ) feeds into the light guide ( 15 ) and returns light to a photoelectric converter ( 23 ), the other end ( 15 b) of the light guide having a mirrored bevel ( 19 ), such that the transmission and reception area is rich ( 20 ) this end of the light guide is directed transversely to the axis of the light guide ( 15 ).

2. Profile testing device according to claim 1, characterized in that the beam splitter ( 12 ) is designed such that it receives a portion of the light from the light source ( 10 ) light via a reference branch ( 24 ) a second photoelectric converter ( 23 a) feeds, and that on the basis of the signal of the second converter ( 23 a) the measurement signal is normalized to the intensity of the light source ( 10 ).

3. Profile testing device according to claim 1 or 2, characterized in that a distance characteristic is stored, which indicates the relationship between the distance of the end ( 15 b) of the light guide from the surface to be tested and the measurement signal.