DE2602001C3

DE2602001C3 - Vorrichtung zur Überprüfung einer bearbeiteten Oberfläche eines Werkstucks

Info

Publication number: DE2602001C3
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: 1979-03-29
Also published as: DE2602001B2; DE2602001A1; SE416586B; NL7501009A; FR2299641A1; US4055382A; FR2299641B1; IT1057087B; SE7600514L; GB1541139A

Description

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

Im vorliegenden Fall werden die Oberflächenfehler in logenannte Material- und Bearbeitungsfehler, von dienen 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 projizierten 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 offensicht-

!5 lieh 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 errektelten Fehler, wie deren Größe, Tiefe und Lage, ist hierbei nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

F i g. 1 eine Anordnung in perspektivischer Darstel-

lung,

F i g. 2A und 2B jeweils einen Ausschnitt einer Werkstücksoberfläche in vergrößertem Maßstab mit vorhandenen einfachen bzw. mehrfachen Porigkeitsfehlern.

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

K i g. 3B eine Darstellung zur Erläuterung eines sogenannten Beugungsbildes und

F i g. 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 Fäll Laserstrahlen 2, und ein Stfählungsteilungsprisma 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 einem Fotodetektor 8, gelangen. Die gezeigte Anordnung hat ferner, dem Strahlenverlauf von der Energiequelle 1 ausgehend folgend, eine plankonvexe Linse 9, einen Ablenkspiegel Il und eine weitere plankonvexe Linse 10, welche drehbar angeordnet sind. Die optischen Geräte 3,5,8 sowie 9,10, H bilden zusammen ein erstes System zum Erfassen von Materialfehlem 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 11 auftrifft Vom Ablenkspiegel U 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 Gausschen 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 F i g. 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 irhraubenlinienförmige 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 ν-in 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 prüfender) 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 Zylinderinnenv/and 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 bewir«.\ die Unregelmäßigkeit dieser Oberfläche, daß das Licht iii 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 Schwellwerte überschreiten oder nicht.

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

so auftritt, da ein relativ großer Teil des Strahlenbündels zuerst noch über eh:e »gute« Oberfläche streicht und somit nur ein kleiner Teil des Strahlenbündels auf die fehlerhafte Stelle auftrifft.

Zui gleichzeitigen Erfassung auch von Bearbeitungs

fehlern, wie z. B. Bohrspuren 16 (Fig. 3A), ist bei der Anordnung (F i g. 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 21 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 angr j>rdnet

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

werden, wird bei dem zweiten System die räumliche Intensitätsverteilung des Lichtes zur Messung der Bearbeitungsfehler verwendet. Das Erfassen der räumlichen Intensitätverteilung des Lichtes wird durch die am Umfang der Linse 10 an dem Ring 13 angeordneten faseroptischen Elementen ermöglicht, die ihre Informationen zu den Fotodetektoren 19 berührungslos übertragen.

Die Folodetektoren 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 Beugiingsbildes vergleicht. In Kig.3B ist ein Beugungsbild gezeigt, das von einer fehlerfreien Oberfläche stammt. Wird z. B. eine gut bearbeitete Oberfläche von I mm² beleuchtet und bringt man das zurückgeworfene Licht auf eine lichtempfindliche Platte, dann ergibt sich ein in Fig. 3B dargestelltes Strahlenbild, bei dem in den Gebieten 17 eine deutlich gröbere Lichtintensität vorhanden ist als in den übrigen Gebieten. Sind jedoch z. B. noch Bohrspuren vorhanden (Fig. 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 Bearbeitungsfehler als unzulässig angesehen werden, durch diese Vorrichtung angezeigt.

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

ίο 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 taktweise sich bewegenden Transportbahn 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. Ferner ist es möglich, sowohl ebene als aui.ii

:"; beliebig geformte Flächen von Werkstücken mit dem erfindungsgemäßen Prinzip hinsichtlich Oberflnchenfehlern zn Oherprüfen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überprüfung einer bearbeiteten Oberfläche eines Werkstücks auf Fehler mit einer Lichtquelle, mit einem fotoeleictrischen 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 lichtleitende 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 Abtasflichtflecks 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 weheren 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 dv;r licht.jitenden Fasern (18) gehalten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch ι 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.