DE2602001B2

DE2602001B2 - Vorrichtung zur Überprüfung einer bearbeiteten Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE2602001B2
Application number: DE2602001A
Authority: DE
Inventors: Jan A.P. Van Nieuwegein Riet; Paul Bilthoven Ziekman
Original assignee: SKF Kugellagerfabriken GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1975-01-29
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1978-07-27
Also published as: SE416586B; DE2602001C3; DE2602001A1; FR2299641A1; SE7600514L; FR2299641B1; NL7501009A; US4055382A; GB1541139A; IT1057087B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im vorliegenden Fall werden die Oberflächenfehler in sogenannte Material- und Bearbeitungsfehler, von denen einige für bestimmte Fälle als zulässig und andere als nicht zulässig angesehen werden, unterteilt. Die Materialfehler werden dabei in einfache und mehrfache Porigkeitsfehler unterteilt, wogegen es sich bei den Bearbeitungsfehlern z. B. um noch vorhandene Bohrspuren oder vom Schleifen herrührende Ansätze oder fehlerhafte Schleifspuren handelt.

Die eingangs angegebene Vorrichtung zum Überprüfen von bearbeiteten Werkstückflächen hinsichtlich möglicher Oberflächenfehler mittels Lichtstrahlen in Verbindung mit optischen und elektrischen Geräten, ist bereits bekannt aus der DE-OS 24 12 763 und der US-PS 37 61 186. Mit beiden bekannten Einrichtungen ist es möglich, die Innenflächen von Bohrungen auf ihre Oberflächenfehler hin zu überprüfen, wobei hier bei die auf die Oberfläche projezierten Lichtstrahlen sowohl in Umfangs- als auch in Längsrichtung der jeweiligen Bohrung bewegt werden. Mit derartigen Einrichtungen werden jedoch nur Oberflächenfehler schlechthin erfaßt und über Monitoren angezeigt. Um welche Art von

ίο Fehlern es sich dabei handelt, bleibt bei diesen Methoden offen. Die Antwort auf die Frage nach der Fehlerart ist jedoch wichtig, denn nur so ist es möglich, rasch der Ursache der Fehler nachzugehen. Bei den bekannten Einrichtungen kann diese Frage offensichtlieh nur durch eine manuelle Auslese der fehlerhaften Werkstücke und durch eine anschließend erfolgende visuelle Inspektion — gegebenenfalls unter zur Hilfenahme von speziellen Messgeräten — beantwortet werden.

Ferner ist aus der DE-AS 21 52 510 eine Vorrichtung zum Nachweisen von Oberflächenfehlern bekannt, mit der es zwar möglich ist, das Vorhandensein artverschiedener Oberflächenfehler, wie Kratzer und dunkle Stellen, zu bestimmen, d. h. nachzuweisen, jedoch stützt sich diese Information lediglich auf den Umstand »wieviel Licht abgebeugt wird«. Eine eindeutige Bestimmung der ermittelten Fehler, wie deren Größe, Tiefe und Lage, ist hierbei nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

so betriebssichere und einfache Prüfvorrichtung zu schaffen, mit der automatisch von ihrer Ursache her unterschiedliche Oberflächenfehler an bearbeiteten Werkstückflächen während eines Prüfvorgangs gleichzeitig erfaßt und unterschieden werden können.

π Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

4(i Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Anordnung in perspektivischer Darstel-

4^r> lung,

Fig. 2A und 2B jeweils einen Ausschnitt einer Werkstücksoberfläche in vergrößertem Maßstab mit vorhandenen einfachen bzw. mehrfachen Porigkeitsfehlern,

Fig. 3A einen Ausschnitt einer Werkstückoberfläche in vergrößertem Maßstab mit vorhandenen Bearbeitungsfehlern in der Form von Schleifspuren,

Fig. 3B eine Darstellung zur Erläuterung eines sogenannten Beugungsbildes und

Fig.4 ein Diagramm mit eingezeichnetem Impulsverlauf eines Fotodetektors, welches vorhandene Materialfehler wiedergibt.

Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung zu Prüfen von Oberflächenfehlern hat eine Energiequelle 1, die ein parallel verlaufendes Lichtstrahlenbündel erzeugt, im vorliegenden Fall Laserstrahlen 2, und ein Strahlungsteilungsprisma 3, das die Laserstrahlen 2 in einer Richtung im wesentlichen passieren läßt, und das dagegen die reflektierten Strahlen — angedeutet durch die Begrenzungslinien 4 — in der entgegengesetzten, anderen Richtung im wesentlichen rechtwinklig ablenkt zu einem Objektiv 5 — hier angedeutet durch ein divergierendes Strahlenbündel 6 —, welche von diesem

— angedeutet durch ein konvergierendes Strahlenbündel 7 — zu einem lichtempfindlichen Element, hier oinem Fotodetektor 8, gelangen. Die gezeigte Anordnung hat ferner, dem Strahlenverlauf von der Energiequelle 1 ausgehend folgend, eine plankonvexe Linse 9, einen Ablenkspiegel 11 und eine weitere plankonvexe Linse 10, welche drehbar angeordnet sind. Die optischen Geräte 3,5,8 sowie 9,10,11 bilden zusammen ein erstes System zum Erfassen von Materialfehlern in der inneren Oberfläche 12 eines Zylinders.

Das genannte Erfassen geschieht folgendermaßen:

Das von der Energiequelle 1 kommende Lichtstrahlbündel 2, welches eine Querschnittsfläche von etwa 1 mm² hat, durchläuft zuerst das Strahlungsteilungsprisma 3, durch welches ein Teil der Strahlen abgelenkt wird, während der andere Teil der Strahlen das Prisma 3 ungehindert passiert und über die plankonvexe Linse 9 auf den mit 45° zu der optischen Achse geneigt angeordneten Ablenkspiegel Il auftrifft. Vom Ablenkspiegel 11 gelangen dann die Laserstrahlen durch die zweite plankonvexe Linse 10 auf die zu prüfende Oberfläche 12. Die bestrahlte Oberfläche 12 der Zylinderinnenwand hat etwa die gleiche Größe wie die ursprüngliche Querschnittsfläche der Laserstrahlen 2. Ferner treffen die Strahlen parallel verlaufend auf die Werkstückoberfläche auf, was durch eine konfokale Anordnung der beiden Linsen 9 und 10 erreicht wird. Das bedeutet jedoch nicht, daß die Empfindlichkeit für die Erfassung von Materialfehlern über den Bündelquerschnitt ebenfalls etwa gleich ist. Der Grund dafür ist, daß das tatsächlich erhaltene Intensitätsprofil einer Gaüsschen Verteilung entspricht. Falls jedoch eine größere Empfindlichkeit gewünscht wird, d. h., falls der Durchmesser des abtastenden Lichtflecks kleiner sein soll als der Durchmesser des von der Energiequelle 1 erzeugten Lichtbündels, ist es auch möglich, die Linsen 9 und 10 nicht konfokal, sondern mit einem größeren Abstand zueinander anzuordnen. Mit der als Beispiel angegebenen Anordnung sollen jedoch insbesondere die Innenfläche von Bohrungen in Motorblöcken überprüft werden, bei welchen die minimale Grenze der zu erfassenden Porigkeitsfehler bei einem Durchmesser von etwa 0,25 mm liegt, so daß die angegebene Empfindlichkeit im allgemeinen ausreichend ist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Innenfläche eines Zylinders zu überprüfen. Zu diesem Zweck werden die optischen Geräte 3,5, 8,9,10 und 11 im Verhältnis zur Zylinderinnenfläche 12 derart bewegt, daß die Projektion der Laserstrahlen auf der Innenfläche 12 eine schraubenlinienförmige Kurve beschreibt, wobei hierbei die Steigung der Kurve im allgemeinen kleiner sein soll als die größte zulässige Abmessung eines Oberflächenfehlers. Bei der vorliegenden Anordnung beträgt beispielsweise die Steigung 0,1 mm, und wie bereits erwähnt, sollen lediglich Porigkeitsfehler erfaßt werden, die einen minimalen Durchmesser von etwa 0,25 mm haben. Dies bedeutet, daß dadurch ein möglicher Porigkeitsfehler mehr als einmal registriert wird.

Das Registrieren erfolgt durch den Fotodetektor 8, zu dem über die optischen Geräte 10, 11, 9, 3 und 5 bestimmte Lichtmengen unterschiedlicher Intensität gelangen, je nachdem, ob ein größerer oder kleinerer Teil des Laserstrahlenbündels, das auf die zu untersuchende Oberfläche 12 auftrifft, von dieser zur Linse 10 reflektiert wird. In diesem Zusammehang sei erwähnt, daß die gesamte öffnung des optischen Systems 10,11, 9, 3, 5 und 8 dadurch besonders gut ausgenutzt werden kann, und somit eine möglichst große Menge des rekflektierten Lichtes erfaßt werden kann, wenn die Linse 10 möglichst nahe im Bereich der zu prüfenden Oberfläche 12 angeordnet wird. Auch wird dadurch ein höherer sogenannter Störabstand erhalten.

Der Fotodetektor 8 ist mit einer nicht dargestellten elektronisch arbeitenden Vorrichtung verbunden, welche die von dem Fotodetektor 8 kommenden elektrischen Signale auswertet und als Meßergebnisse anzeigt.

ίο Beispiele von einigen Materialfehlern, wie einfache oder mehrfach Porigkeitsfehler 14 bzw. 15, sind in Fig.2A und 2B in etwa zehnfacher Vergrößerung dargestellt. Diese Fehler können z. B. dadurch entstehen, daß sich beim Gießen im Werkstoff Blasen bilden, die dann beim Bearbeiten zutage treten. Die unregelmäßige Oberfläche einer derartigen Fehlstelle liegt vor der idealen Oberfläche der Zylinderinnenwand aus gesehen, hinten. Dies hat zur Folge, daß die Oberfläche derartiger Fehlstellen weniger hell erscheint als ihre Umgebung, so daß von diesem Oberflächenteil auch weniger Licht zurückgeworfen wird. Ferner bewirkt die Unregelmäßigkeit dieser Oberfläche, daß das Licht in verschiedene Richtungen zurückgeworfen wird. Tritt das Strahlenbündel während seiner Drehbewegung beispielsweise auf einen derartigen Porigkeitsfehler, dann wird durch das erste optische System 10, 11, 9, 3 und 5 weniger Licht zum Fotodetektor 8 zurückgeführt als von einem fehlerhaften Oberflächenabschnitt.

Die durch den Fotodetektor 8 erregte Spannung wird dann, wie in dem in Fig.4 dargestellten Diagramm gezeigt, variieren. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die durch den Fotodetektor 8 erregte Spannung V aufgetragen. Die vertikal aufgetragenen Linien bedeuten hier negative Spannungsspitzen pro Zeiteinheit, deren Längen jeweils ein Maß für die Größe einer Fehlstelle darstellen. Mit Hilfe der nicht dargestellten elektronischen Vorrichtung kann dann leicht festgestellt werden, ob die Größe, die Anzahl, die Konzentration und dgl. der gefundenen Porigkeitsfehler gewisse Schwell werte überschreiten oder nicht.

Wie bereits angegeben, werden die einzelnen Fehler mehr als einmal registriert. Durch ein Zählen von aufeinanderfolgenden Spannungsspitzen, die als Folge eines Porigkeitsfehlers auftreten, kann die elektronische Vorrichtung die erhaltenen Daten in der richtigen Weise interpretieren. Aus F i g. 4 geht ferner hervor, daß bei einer ersten Umdrehung entlang eines Porigkeitsfehlers eine relativ kleine Spannungspitze

5n auftritt, da ein relativ großer Teil des Strahlenbündels zuerst noch über eine »gute« Oberfläche streicht und somit nur ein kleiner Teil des Strahlenbündels auf die fehlerhafte Stelle auftrifft.

Zur gleichzeitigen Erfassung auch von Bearbeitungsfehlern, wie z.B. Bohrspuren 16 (Fig. 3A), ist bei der Anordnung (Fig. 1) ferner ein zweites System vorgesehen, das mehrere lichtübertragende Fasern 18 hat, deren Eintritte auf dem Umfang eines Rings 13 angeordnet sind, der die zweite Linse 10 umgibt, und deren Austritte in ein ringförmiges Glied 2t münden, dem ein entsprechendes Glied 20 gegenübersteht, in welchem sich eine Anzahl von Fotodetektoren 19 befinden. Das ringförmige Glied 21 ist dabei zusammen mit den optischen Geräten 9, 10, 11 und 18 drehbar und das Glied 20 ortsfest angeordnet.

Im Gegensatz zu dem bereits beschriebenen ersten System, mit dessen Hilfe Materialfehler durch Messung der Gesamtintensität des reflektierten Lichtes ermittelt

werden, wird bei dem /weiten System die räumliche Intensitätsverteilung des Lichtes zur Messung der Bcarbeitungsfchler verwendet. Das Erfassen der räumlichen Intensitätverteilung des Lichtes wird durch die am Umfang der Linse 10 an dem Ring 13 angeordneten faseroptischen (!lementen ermöglicht, die ihre Informationen zu den Fotodctcktoren 19 berührungslos übertragen.

Die Fotodctcktorcn 19 sind wiederum mit einer nicht dargestellten elektronisch arbeitenden Vorrichtung verbunden, die die empfangenen elektrischen Signale mit solchen eines von einer fehlerfreien Oberfläche erhaltenen sogenannten Beugungsbildes vergleicht. In I i g. 3B ist ein Beugungsbild gezeigt, das von einer fehlerfreien Oberfläche stammt. Wird z. B. eine gut bearbeitete Oberfläche von 1 mm² beleuchtet und bringt man das zurückgeworfene Licht auf eine lichtempfindliche f'latlc. dann ergibt sich ein in F i g. 3B dargestelltes Strahlcnbild. bei dem in den Gebieten 17 eine deutlich größere Lichtintensität vorhanden ist als in den übrigen Gebieten. Sind jedoch z. B. noch Bohrspuren vorhanden (I ig. 3A) oder ist die Oberfläche nicht einwandfrei geschliffen, dann entsteht ein von dem in Fig. 3B abweichendes Beugungsbild. Die unterschiedlich sich ergebenden Beugungsbilder werden durch die elektronische Vorrichtung verglichen, und je nachdem, welche

^r) Bcarbeitungsfchler als unzulässig angesehen werden durch diese Vorrichtung angezeigt.

Die vorliegende Erfindung ist zwar nur anhand eines Anwendungsbcispiels für das Erfassen von Oberflächenlchlcrn in einer zylindrischen Bohrung erläutert, es ist

κι jedoch auch möglich, daß gleichzeitig mehrere Oberflächen eines Werkstücks mittels mehrerer voneinander getrennter Lichtstrahlen mit den jeweils dazugehörenden optischen Geräten und lichtempfindlichen Elementen auf einer taktweisc sieh bewegenden Transportbahn

\^r> überprüft werden, und daß nach erfolgter Überprüfung entsprechend einer bestimmten festgelegten zulässigen Fehlerquote, die als mangelhaft ermittelten Werkstücke automatisch auf eine weitere Transportbahn geschoben werden, lerner ist es möglich, sowohl ebene als auch

7Ii beliebig geformte l'iächen von Werkstücken mit dem erfindungsgemäßen Prinzip hinsichtlich Oberflächen fehlem zu überprüfen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überprüfung einer bearbeiteten Oberfläche eines Werkstücks auf Fehler mit einer Lichtquelle, mit einem fotoelektrischen Wandler, mit einem einen Abtastlichtfleck auf der Oberfläche erzeugenden und mindestens einen Teil des reflektierten Lichts dem Wandler zuführenden optischen Autokollimationssystem, welches zur Abtastung der Oberfläche mit gegen die Oberfläche beweglichen optischen Elementen ausgestattet ist, und mit einer die Wandlersignale verarbeitenden Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Auftreten eines Materialfehlers, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere iichtleitende Fasern (18) vorgesehen sind, die zur Erfassung des in unterschiedliche Richtungen von der Oberfläche gestreuten Lichts mit ihren jeweils einen Enden in der Nähe des Abtastlichtflecks angeordnet und unter Beibehaltung der Ausrichtung dieser Enden bezüglich des Abtastlichtflecks synchron mit den optischen Elementen bewegbar sind, daß den anderen Enden der Fasern (18) jeweils ortsfest angeordnete weitere fotoelektrische Wandler (19) zugeordnet sind, und daß eine Schaltung zur Erzeugung einer für Bearbeitungsfehler repräsentativen Anzeige aus dem Ausgangssignal der weiteren Wandler (19) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente eine das Licht auf die Oberfläche (12) konzentrierende Linse (10) umfassen, die in einem Ring (13 gelagert ist, in dem auch die einen Enden der lichtleitenden Fasern (18) gehalten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Enden der Fasern (18) in einem ersten ringförmigen Glied (2) gehalten sind, gegenüber dem ein zweites, die weiteren Wandler (19) tragendes ringförmiges Glied (20) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (9, 10, 11) und das erste ringförmige Glied (21) um eine Achse drehbar gelagert sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (9, 10, 11) zur Beleuchtung der Oberfläche (12) mit einem parallelen Strahlenbündel angeordnet und ausgebildet sind.