DE19618558C2 - Vorrichtung zur Prüfung von Tieflochbohrungen - Google Patents
Vorrichtung zur Prüfung von TieflochbohrungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Tiefloch
bohrungen nach dem Deutschen Patent
44 39 953.
Es sind verschiedene Verfahren und Werkzeuge zum berührungslosen
Messen in Hohlräumen bekannt. Aus Laser Magazin 2/85, Seite 76 bis 81
ist ein CCD-Zeilensensor zur Hohlrauminspektion bekannt. Bei der dort
beschriebenen Vorrichtung werden jedoch nur Zylinderstücke einer
bestimmten Höhe abgebildet. Die Art und Weise, wie die so erhaltenen
Bilder weiterverarbeitet oder zur Auswertung dienen sollen, ist Druck
schrift 1 nicht zu entnehmen. Weiter ist in dieser Druckschrift nicht
beschrieben, daß die gleichen Zylinderstücke einer bestimmten Höhe
zweimal abgebildet werden, insbesondere nicht das erstemal beim Einfüh
ren der Optik und das zweite Mal beim Ausführen, wobei zwischen den
beiden Abbildungen ein abstreifendes Reinigen stattfindet. Damit ist diese
bekannte Vorrichtung bzw. dieses bekannte Verfahren nicht geeignet,
echte Fehler, z. B. Kratzer oder dergleichen, von sogenannten "Pseudo
fehlern", wie z. B. beweglichen Verunreinigungen (Fusseln, Schmutzparti
keln etc.) zu unterscheiden.
Aus DE 31 39 692 A1 ist ein Rohrinnen-Manipulator bekannt, der jedoch
nur für Rohre und Behälter mit großen Durchmessern geeignet ist. Bei
dem beschriebenen Verfahren wird die Bearbeitung mittels einer TV-
Kamera geprüft, während bei vorliegender Erfindung die eigentliche
Reinigung vor der Prüfung erfolgen muß und der abstreifende
"Reinigungsvorgang" Teil des Prüfvorgangs ist. Auch ist dieser Druck
schrift nicht zu entnehmen, daß die Erfassung der ringförmigen Abschnitte
zum einem beim Einführen der Vorrichtung als auch beim Rückführen
erfolgt.
In Photonics Spectra, August 1993, Seite 101 bis 106 ist in allgemeiner
Weise der Vergleich bzw. die Korrelation eines Bildes mit einem Refe
renzbild beschrieben. In VDI-Z Bd. 128 (1986) Nr. 17, September, Seiten
629 bis 634 sind die allgemeinen Grundsätze und Möglichkeiten berüh
rungsloser Messverfahren in der Fertigungstechnik beschrieben. FR 2 228 186
beschreibt ein Verfahren zur Instandhaltung von Kanalrohren mit
Viedeoüberwachung.
Aus dem Deutschen Gebrauchsmuster GM 78 34 180 U1 ist ein Techno
skop zur Rundumbeobachtung bekannt, bei dem am stirnseitigen Bereich
der Optik als Reflektor ein kegelförmiges Prisma angeordnet ist, dessen
Kegelspitze mit der Optikachse fluchtet und der Optik zugekehrt ist. Fer
ner ist in der US 4 976 524 beschrieben, daß derartige Spiegelprismen
auch Spiegelflächen aufweisen können, die anders als kegelförmig ge
formt sind.
Die im Deutschen Patent 44 39 953 beschriebene Vorrichtung liefert ein
kreisringförmiges Bild eines kreisringförmigen Abschnittes der Innen
wand einer Tieflochbohrung, das gegebenenfalls entzerrt, beispielsweise
abgewickelt, und auf optischem oder elektronischem Wege aufbereitet
werden kann. Diese Vorrichtung liefert dabei nur eine flächige zweidi
mensionale Darstellung des jeweiligen Wandabschnittes.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus der Deutschen Patentan
meldung 44 39 953 bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzubilden,
daß eine einen erhöhten Informationsinhalt liefernde, quasi dreidimensio
nale optische Erfassung der Innenwand einer Tieflochbohrung ermöglicht
wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Patent
anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ein am stirnseitigen Bereich der
Vorrichtung angeordnetes Spiegelelement mit mindestens zwei im wesentli
chen kegel- oder kegelstumpfförmigen Spiegelflächen unterschiedlicher
Kegelwinkel auf, die so angeordnet sind, daß jede der Spiegelflächen
denselben im wesentlichen kreisring- oder kreislinienförmigen Abschnitt
der Innenwand der Tieflochbohrung als separaten Bereich auf die Blick
richtung der Vorrichtung abbildet.
Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das so betrachtete bzw. betracht
bare Gesamtbild aus zwei separaten Einzelbildern besteht, die den glei
chen Abschnitt der Innenwand der zu überprüfenden Tieflochbohrung,
jedoch aus unterschiedlichen Blickwinkeln, verursacht durch die unter
schiedlichen Kegelwinkel der Spiegelflächen, zeigen. Dadurch wird in
einfacher Weise eine stereoskopische Betrachtung der Bohrungswand
ermöglicht, die einen höheren Informationsgehalt insbesondere bezüglich
der Oberflächenbeschaffenheit, verglichen mit einer zweidimensionalen
Betrachtung, aufweist. Die beiden unterschiedlichen Einzelbilder können
beispielsweise mittels eines CCD-Wandlers umgesetzt und mit einem
Rechner und einem Bildverarbeitungsprogramm ausgewertet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, die beiden Einzel
bilder so aufzubereiten, daß sie getrennt jeweils einem Auge eines Beob
achters zugeführt werden. Damit wird dem Betrachter ein räumliches Bild
der Bohrungswand vermittelt.
Das Spiegelelement kann aus grundsätzlich beliebigem Material bestehen,
solange die gewünschten optischen Eigenschaften insbesondere hinsicht
lich der Winkelgenauigkeit, der Planität und der Reflexionseigenschaften
erfüllt sind. So kann beispielsweise das Spiegelelement aus einem entspre
chend beschichteten Kunststoff oder aus poliertem und/oder beschichte
tem Material bestehen. Vorzugsweise jedoch weist das Spiegelelement
einen Körper aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere Glas,
auf, in den die Spiegelflächen eingeschliffen oder an den die Spiegelflä
chen angeschliffen sind.
Insbesondere wenn das Spiegelelement einen derartigen Glaskörper auf
weist, können die Spiegelflächen aus an sich lichtdurchlässigen Glasflä
chen bestehen, die insbesondere hinsichtlich ihrer geometrischen Anord
nung jedoch derart ausgebildet sind, daß bei den vorgesehenen Betrach
tungswinkeln Totalreflexion auftritt. Vorzugsweise jedoch sind die Spie
gelflächen mit einem reflexionsfördernden Material, beispielsweise einer
metallischen Beschichtung versehen, insbesondere beschichtet oder be
dampft.
Die Gestalt des Glaskörpers ist zunächst grundsätzlich beliebig, solange
zum einen die Spiegelflächen erfindungsgemäß angeordnet und ausgebildet
werden können und zum anderen die beim Durchtritt durch den Glaskörper
auftretenden Brechungs- und/oder Beugungseffekte tolerierbar und aus
gleichbar sind. Vorzugsweise jedoch weist der Glaskörper eine im we
sentlichen kugelförmige, kugelkappenförmige oder kugelschichtförmige
Gestalt auf. Diese Gestalt hat insbesondere den Vorteil einer einfachen
und genauen Herstellung mit geringen Toleranzen, wobei zudem die
Beugungs- und Brechungseffekte vergleichsweise einfach zu berechnen
bzw. zu bestimmen sind.
Alternativ zu dieser Gestaltung kann der Glaskörper selbst eine im we
sentlichen kegelförmige Gestalt aufweisen, wobei vorzugsweise die
Spiegelflächen durch die Kegelaussenflächen des Glaskörpers gebildet
werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Glaskörper insge
samt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit an- oder eingeformten
Kegel- bzw. Spiegeflächen aufweisen.
Das Spiegelelement kann unmittelbar am stirnseitigen Bereich der Vor
richtung angeordnet und dort beispielsweise durch Kleben befestigt sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch weist die
Vorrichtung eine im wesentlichen zylindrische Hülse aus einem licht
durchlässigen Werkstoff, insbesondere Glas, auf, in dem das Spiegelele
ment angeordnet ist. Dadurch ergibt sich insbesondere ein Schutz des
Spiegelelementes vor Beschädigung und Verschmutzung.
In grundsätzlich beliebiger Weise kann durch die Vorrichtung eine unmittel
bare Betrachtung der das Spiegelelement verlassenden bzw. in diesem
erzeugten Einzelbilder erfolgen. Vorzugsweise jedoch ist eine optische
Gruppe, beispielsweise eine Linse oder ein Linsensystem, vorgesehen, mit
der bzw. mit dem die vom Spiegelelement übertragenen, dem kreisring
förmigen Abschnitt der Innenwand entsprechenden Bereiche bzw. Strah
lenbündel in zueinander konzentrische Kreisringe abgebildet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbei
spiele zeigenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in lediglich schematischer nicht maßstäblicher Dar
stellung im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbei
spiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit im
wesentlichen kugelkappenförmigem Glaskörper;
Fig. 2 in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung ge
mäß der Erfindung mit im wesentlichen kugel
schichtförmigem Glaskörper; und
Fig. 3 in einer ebenfalls der Fig. 1 entsprechenden Dar
stellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit im wesentlichen ke
gelförmigem Glaskörper.
In Fig. 1 ist das axiale Ende einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ein
rohrförmiges Gehäuse 2 auf und ist mit seinem stirnseitigen Ende zur
Prüfung der Innenwand 3 einer Tieflochbohrung 4, beispielsweise dem
Innenraum eines Werkstücks 5, in diese eingeführt.
In geringem Abstand vom seinem stirnseitigen Ende ist die Vorrichtung 1
mit einem in einer geschlossen umlaufenden Ringnut 6 angeordneten Ab
streifer 7 aus einem Elastomermaterial, beispielsweise Gummi, versehen,
der beim Ein- und Ausführen der Vorrichtung 1 in die Tieflochbohrung 4
eine zumindest teilweise Säuberung der Innenwand 3 bewirkt, wie in der
Hauptanmeldung 44 39 953 ausführlich beschrieben ist.
Im Bereich seines stirnseitigen Endes ist an der Vorrichtung 1 bzw. am rohr
förmigen Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 ein Spiegelelement 8 angeordnet.
Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Spiegelelement
8 einen massiven Glaskörper 9, vorzugsweise aus einem optisch hochwer
tigen Glas, auf. Der Glaskörper 9 hat im wesentlichen die Gestalt einer
Kugelkappe und ist so im axialen Ende des rohrförmigen Gehäuses 2 be
festigt, beispielsweise eingeklebt, daß die Schnittfläche 10 von der Vorrichtung
1 weg weist. Zur besseren Lagerung und Befestigung des Glaskörpers 9
ist das axiale Ende des rohrförmigen Gehäuses 2 formkomplementär zur
zugeordneten Kugelfläche ausgebildet.
Der Glaskörper 9 ist mit einer in der Darstellung nach Fig. 1 nach oben,
das heißt zur Schnittfläche 10 hin, offenen Ausnehmung 11 versehen, die
symmetrisch zur Mittellängsachse 12 des Glaskörpers 9 und der Vorrichtung
1 verläuft. Die Ausnehmung 11 ist insgesamt im wesentlichen
kegelförmig mit einem kegelförmigen Abschnitt 13 und zwei kegel
stumpfförmigen Abschnitten 14 und 15 ausgebildet. Die Abschnitte 13, 14
und 15 weisen unterschiedliche Kegelwinkel bzw. Kegelöffnungswinkel
auf, wobei der Kegelwinkel vom Abschnitt 13 bis zum Abschnitt 15 zunimmt.
Die Kegelflächen 16 und 17 zumindest der Abschnitte 14 und 15
sind fein geschliffen, poliert und mit einer reflektierenden Oberflächenbe
schichtung versehen, beispielsweise metallisch bedampft. Dabei ist die
Oberflächenbeschichtung so ausgeführt, daß die reflektierenden Eigen
schaften zumindest in Richtung zum Glaskörper 9 hin wirksam sind. Diese
reflektierend beschichteten Kegelflächen 16 und 17 dienen erfindungsge
mäß als Spiegelflächen zur Abbildung der durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung zu überprüfenden Innenwand 3 der Tieflochbohrung 4. Der
Kegelabschnitt 13 hingegen hat primär keine optischen Aufgaben zu er
füllen; er ist vielmehr aus fertigungstechnischen Gründen beim Schleifen
und Polieren der Ausnehmung 11 bzw. der Spiegelflächen 16 und 17 vor
gesehen.
Wie weiter der Darstellung nach Fig. 1 zu entnehmen ist, ist mit axialem
Abstand zum Glaskörper 9 im rohrförmigen Gehäuse 2 der Vorrichtung 1
eine lediglich schematisch dargestellte Linse 18 oder ein Linsensystem
angeordnet, deren Funktion weiter unten beschrieben wird.
Aufgrund der unterschiedlichen Kegelwinkel der Spiegelflächen 16 und 17
ergibt sich für die Vorrichtung 1 ein Strahlengang, wie er aus der Fig. 1 er
sichtlich ist. Von einem kreisring- oder kreislinienförmigen Abschnitt 19
der zu überprüfenden Innenwand 3 der Tieflochbohrung 4 dringt ein er
stes, im Querschnitt kreisringförmiges Lichtbündel 20, das der besseren
Darstellung wegen schraffiert ausgeführt ist, in den Glaskörper 9 ein und
wird an der Spiegelfläche 16 in der dargestellten Weise nach unten, das
heißt in Richtung zur Linse 18 hin, reflektiert bzw. umgeleitet. Beim Aus
tritt aus dem Glaskörper 9 erfolgt aufgrund der optischen Eigenschaften
des Glases, insbesondere des Brechungsindexes, der Geometrie der Glas
körperoberfläche und des Strahlengangs eine Brechung des Strahlenbün
dels 20. Die Linse 18 ist so ausgelegt, daß das auftreffende kreisringför
mige Strahlenbündel 20 als Kreisring 21 abgebildet wird, wie dies in der
unteren Darstellung der Fig. 1 schematisch angedeutet ist.
Ein zweites Strahlenbündel 22 verläuft vom selben kreisring- bzw. kreisli
nienförmigen Abschnitt 1 in den Glaskörper 9 und wird dort an der Spiegelfläche
17 in prinzipiell der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben
auf die Linse 18 umgelenkt. Das Strahlenbündel 22 wird dabei von der
Linse 18 als Kreisring 23 abgebildet, wobei beim hier dargestellten Aus
führungsbeispiel die Kreisringe 21 und 23 konzentrisch sind.
Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Kreisringe 21 und 23 Abbil
dungen des gleichen Abschnitts der Innenwand 3 der Tieflochbohrung
darstellen, wobei jedoch die Blickwinkel unterschiedlich sind. Dadurch
wird eine stereoskopische Betrachtung der Innenwand 2 ermöglicht, die
einen im Vergleich zur lediglich zweidimensionalen Betrachtung erhöhten
Informationsgehalt, beispielsweise bezüglich Oberflächenbeschaffenheit
und dergleichen, aufweist.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, das grundsätzlich den gleichen Aufbau wie das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel aufweist. Bei dem hier dar
gestellten Ausführungsbeispiel jedoch weist der Glaskörper 9' eine im
wesentlichen kugelschichtförmige Gestalt mit zwei zueinander parallelen
und zur Mittelachse 12 senkrechten Schnitt- oder Begrenzungsflächen
bzw. -ebenen 24 und 25 auf. Der Glaskörper 9' ist mit einer im wesentli
chen kegelstumpfförmigen durchgehenden Ausnehmung 26 versehen, die
zu beiden Begrenzungsflächen 24 und 25 hin offen ist. Dadurch ergibt sich
eine insgesamt ringförmige Gestalt des Glaskörpers 9'.
Die Ausnehmung 26 weist zwei kegelstumpfförmige Abschnitte 27 und 28
mit unterschiedlichen Kegelwinkeln auf. Die dadurch gebildeten Kegelflä
chen 29 und 30 sind geschliffen, poliert und mit einer in Richtung zum
Glaskörper 9' hin wirkenden reflektierenden Oberflächenbeschichtung
versehen.
Der Strahlengang der Strahlenbündel 20 und 22 entspricht im wesentlichen
dem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. Jedoch sind die
Brechungs- bzw. Beugungseffekte beim Austritt aus dem Glaskörper 9' in
Richtung zur Linse 18 wesentlich geringer, da ein nahezu orthogonaler
Austritt aus dem Glaskörper 9' erfolgt.
Die Abbildung der beiden Strahlenbündel auf entsprechende konzentrische
Kreisringe 21 und 21 mittels der Linse erfolgt in der vorstehend beschrie
benen Weise.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 weist ebenfalls den grundsätzlich
gleichen Aufbau wie die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 und 2 auf.
Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch besteht das Spiegelelement 8 aus
einem im wesentlichen kegelförmigen Glaskörper 9'' ohne Ausnehmung.
Der Glaskörper 9'' weist drei Abschnitte 31, 32 und 33 mit unterschiedli
chen Kegelwinkeln auf, wobei der Abschnitt 31 kegelförmig ist und die
Abschnitte 32 und 33 kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Die Kegelflä
chen 34 und 35 der Abschnitte 32 und 33 sind mit einer reflektierenden
Oberflächenbeschichtung versehen; der Abschnitt 31 ist im Sinne der
vorliegenden Erfindung optisch nicht wirksam.
Der Glaskörper 9'' ist in einem zylindrischen Körper 36 aus einem licht
durchlässigen Material, insbesondere Glas, angeordnet und dort, bei
spielsweise durch Kleben, so befestigt, daß er symmetrisch zur Mittelach
se 12 verläuft. Der Körper 36 dient im wesentlichen ausschließlich zur
Halterung des Glaskörpers 9'' am stirnseitigen Ende der Vorrichtung 1.
Beim Abbilden des kreisringförmigen bzw. kreislinienförmigen Abschnitts
19 der Innenwand 3 analog zu den vorstehend beschriebenen Ausfüh
rungsbeispielen erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich eine
Brechung bzw. Beugung der Strahlenbündel 20 und 22 beim Durchtritt
durch den Körper 36, wobei die beiden Grenzflächen parallel sind; nach
der Umleitung an den verspiegelten Kegelflächen 34 und 35 in Richtung
Linse 18 erfolgt keinerlei Beeinflussung des Strahlengangs mehr. In der
Linse 19 erfolgt in analoger Weise eine Abbildung der Strahlenbündel 20
und 22 in zueinander konzentrische Kreise 21 und 23.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Prüfung von Tieflochbohrungen nach dem Deut
schen Patent 44 39 953,
gekennzeichnet durch
ein am stirnseitigen Bereich der Vorrichtung (1) angeordnetes
Spiegelelement (8) mit mindestens zwei im wesentlichen kegel-
oder kegelstumpfförmigen Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35)
unterschiedlicher Kegelwinkel, die so angeordnet sind, daß jede der
Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) denselben im wesentlichen
kreisringförmigen oder kreislinienförmigen Abschnitt (19) der
Innenwand (3) der Tieflochbohrung (4) als separaten Bereich
(21, 23) auf die Blickrichtung der Vorrichtung (1) abbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Spiegelelement (8) einen Körper (9; 9'; 9'') aus einem licht
durchlässigen Material, insbesondere Glas, aufweist, in den die
Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) eingeschliffen oder an den die
Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) angeschliffen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) mit einem reflexions
fördernden Material versehen, insbesondere beschichtet oder be
dampft sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Glaskörper (9; 9') eine im wesentlichen kugelförmige,
kugelkappenförmige oder kugelschichtförmige Gestalt aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Glaskörper (9'') eine im wesentlichen kegelförmige oder
kegelkappenförmige Gestalt aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Glaskörper eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf
weist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine im wesentlichen zylindrische Hülse (36) aus einem lichtdurch
lässigen Werkstoff, insbesondere Glas, in dem das Spiegelelement
(8) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch
eine Linse (18) oder ein Linsensystem, mit der bzw. mit dem die
vom Spiegelelement (8) übertragenen, dem kreisringförmigen oder
kreislinienförmigen Abschnitt (19) der Innenwand (3) entsprechen
den Bereiche in zueinander konzentrische Kreisringe (21, 23) abge
bildet werden.
Priority Applications (1)
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