DE3227130A1

DE3227130A1 - Lageeinstellvorrichtung

Info

Publication number: DE3227130A1
Application number: DE19823227130
Authority: DE
Inventors: Graham Preston Lancs Jackson; Ryszard Cezary Chippenham Wilts Surawy
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1981-07-25
Filing date: 1982-07-20
Publication date: 1983-02-17
Also published as: GB2104253B; GB2104253A; FR2515381A1; US4537075A; FR2515381B1; JPS5824913A

Description

611 /I JU

Lageeinstellvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Lage eines ersten Teils gegenüber einem zweiten Teil. Insbesondere aber nicht ausschließlich befaßt sich die Erfindung mit der Lagesteuerung einer Ultraschallwandlersonde in einer Prüfvorrichtung zum Entdecken von Fehlstellen in Werkstücken, beispielsweise Halbfertigerzeugnissen, Rohmaterialien und fertigbearbeiteten Werkstücken, wobei ein Strahl von Ultraschallwellen, die durch den Wandler abgestrahlt werden, unter einem konstanten Einfallswinkel gegenüber der Oberfläche des Prüflings gehalten wird.

Eine bekannte Vorrichtung zur Ultraschallprüfung umfaßt einen Wassertank, um den Prüfling aufzunehmen, und es ist über dem Tank eine Verschiebeanordnung mit einer Sonde vorgesehen, die in das Wasser eintaucht und kurz vor dem Prüfling steht. Am unteren Ende trägt die Sonde einen Ultraschallwandlerkopf, der mit einem Einstellmechanismus gekuppelt ist, beispielsweise einem Servomotor oder einem mechanischen Mechanismus, wodurch die Lage des Kopfes und der Abstand zwischen Wandler und Prüfling so eingestellt werden kann, daß ein gepulster Strahl von Ultraschallenergie, der vom Kopf abgestrahlt wird, senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings auftrifft. Derartige Einstellungen können normalerweise nicht geändert werden, während das System während der Abtastung des Prüflings in Bewegung befindlich ist. Ein Bild, das einem Echo entspricht, welches von dem Prüfling reflektiert wurde, kann auf

einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden und der Einstellrnechanismus bewegt die Sonde so, daß der Wandlerkopf den Prüfling abtastet. Bei weiter bekannten Vorrichtungen wird der Prüfling nicht in Wasser eingetaucht, sondern es wird ein Strahl aus einer Düse ausgelassen, die in den Wandlerkopf eingebaut ist, wobei der Strahl auf den Prüfling auftrifft und einen Pfad für die Ultraschallenergie liefert.

Da der Ultraschallstrahl wenigstens im wesentlichen senkrecht zur oberfläche des Prüflings verbleiben muß oder wenigstens unter einem konstanten Einfallwinkel gegenüber dieser Oberfläche stehen sollte und dabei einen im wesentlichen konstanten Abstand von dieser Oberfläche besitzen sollte, ist die Anwendbarkeit bekannter Anordnungen begrenzt und diese können beispielsweise nicht zur automatischen Abtastung von Prüflingen benutzt werden, die eine gekrümmte oder profiliierte Oberfläche besitzen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Einstellung der Lage eines ersten Teils gegenüber einem zweiten Teil in der Weise ausgebildet, daß zwei Wandler von dem ersten Teil getragen werden und Signale erzeugen, die den jeweiligen Abstand zwischen dem Wandler und einer Stelle des zweiten Teiles anzeigen, wobei ein Antriebsmotor mit dem ersten Teil gekoppelt ist, um den ersten Teil gegenüber dem zweiten Teil zu verstellen und Steuermittel die Signale empfagen, um den Antriebsmotor einzustellen.

Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Einstellung eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil in der Weise ausgebildet, daß ein Primärwandler mit zwei oder mehreren Sekundärwandlern von dem ersten Teil getragen wird, wobei Signale erzeugt werden, die den jeweiligen Abstand zwischen den Wandlern und einer Stelle des zweiten Teiles anzeigen, daß ein Antriebsmotor mit dem ersten Teil gekoppelt ist, um den ersten Teil relativ zu dem zweiten zu bewegen» und daß Steuermittel die Signale empfangen und den Antriebsmotor steuern, wobei die gesteuerten Bewegungen des ersten Bauteiles, die die Entfernung und die Winkelstellung des Wandlers gegenüber dem Prüfling betreffen, kontinuierlich und automatisch während der Abtastung des Werkstücks eingestellt werden.

NdCjIsL(¹IuMId werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung ze igen :

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer llitraschall-Werkstückprüfvorrichtung mit Eintauchen des Werkstücks in eine Flüssigkeit;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Steuervorrichtung, die in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 benutzbar ist;

T.ei !schnitt eines Wandlerkopfes zur Benutzung in der Werkstückprüf vorrichtung nach Fig. 1 ;

Fig. 4 eine der Figur 3 entsprechende Schnitt ansicht einer weiteren Ausgestaltung des Wandlerkopfes.

Gemäß Fig. 1 weist die Werkstückprüf vorrichtung einen Tank 1 auf, der mit Wasser 2 angefüllt, ist und in dem das zu überprüfende Werkstück 3 angeordnet wird. Die Oberfläche des Prüflings ist in der Zeichenebene gekrümmt, über dem Tank ist ein Sondenaufbau 4 angeordnet, der eine hohle Sondensäule 5 umfaßt, die nach unten nach dem Prüfling 3 vorsteht und durch einen Einstellmechanismus 6 verstellbar ist, um die Eintauchtiefe im Wasser zu verändern und um eine Drehung um die Säulenachse u.s.w. durchführen zu können. Ein Wandlerkopf 7 ist schwenkbar am unteren Ende der Sonde angelenkt und zwar derart, daß der Kopf um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene schwenkbar ist. Der Einstel lmechanismus 6 weist einen Servomotor 8 auf, der mit dem Wandlerkopf 7 über ein nicht dargestelltes Gestänge, beispielsweise einen Kettenantrieb gekuppelt ist, der innerhalb der Sonde verläuft, damit die Schwenkbewegung des Wandlerkopfes eingestellt werden kann. Der Wandleraufbau wird von nicht dargestellten Trägern derart abgestützt, daß der Aufbau in Richtung der Pfeile 9 und senkrecht hierzu bewegt werden kann, um die Oberfläche des Prüflings 3 abtasten zu können. Der Sondenaufbau kann beispielsweise von einem mit Rädern versehenen Wagen getragen werden, der auf querverlaufenden Schienen läuft, die ihrerseits wieder mit Rädern versehen und in Schienen in Längsrichtung verschiebbar sind. Dabei sind geeignete

Antriebsmotoren mit den Rädern gekuppelt, um eine derartige Bewegung herbeizuführen. Der Wandlerkopf 7 weist einen nicht dargestellten Hauptwandler-KrisUill (UJf₁ um einen gepulsten Ultraschall-Energiestrahl nach unten auf die Oberfläche des Prüflings 3 abzustrahlen und Echos vom Prüfling zu empfangen. Der Kopf besitzt außerdem zwei Hi Ifswandler-KristalIe 10 bzw. Satellitenwandler-Kristalle, die an der unteren Oberfläche des Kopfes 7 jeweils seitlich zu jener Stelle liegen, von der der Ultraschal1 strahl emittiert wird.

Der Hauptwandler-Kristall ist an einen Sender 11 angeschaltet, der eine Reihe scharfer Impulse erzeugt, um den Wandlerkristall in bekannter Weise zu erregen und es werden Signame empfangen, die den Echos entsprechen, welche vom Kristall empfangen werden, und diese Signale werden auf der Kathodenstrahlröhre eines Monitors 12 sichtbar gemacht. Die Satellitenwandler-Kristalle 10 empfangen ebenfalls die Echos, jedoch sind die Zeiten, zu denen sie von den jeweiligen Kristallen 10 empfangen werden, abhängig vom Einfallswinkel zwischen Strahl und Oberfläche des Prüflings 3, von der die Echos reflektiert werden. Demgemäß sind die Kristalle 10 an eine Steuerstufe 13 angeschlossen, die die relative Zeitverzögerung der Echos bestimmt, die von diesen Kristallen empfangen werden und die entsprechend den Servomotor 8 so steuert, daß der Ultraschallstrahl senkrecht auf den jeweiligen Oberflächenabschnitt des Prüflings auftrifft.

Wenn der Wandlerkopf 7 so eingestellt ist, daß die

Kristalle 10 einen genau gleichen Abstand zum Strahl aufweisen und in einer Ebene liegen, zu der der Strahl genau senkrecht steht, dann fallen die von den beiden Kristallen 10 gelieferten Signale zeitlich zusammen, wenn der Strahl senkrecht auf die Oberfläche des Gegenstandes 3 trifft. Wenn der Wandlerkopf nicht in der beschriebenen Lage befindlich ist, entweder infolge seiner Ausbildung oder infolge von Herstellungstoleranzen, dann ergibt sich ein konstantes Zeitdifferential, welches in Betracht gezogen werden muß. Die Steuerstufe 13 gemäß Fig. 2 ist in der Lage, dies durchzuführen. Die Wandlerkristalle empfangen Echos nicht nur von der oberen Oberfläche des Gegenstandes 3, sondern auch von seiner unteren Oberfläche, und sie können außerdem eine Reihe von Störechos empfangen. Die Steuerstufe nach Fig. 2 weist Mittel auf, um zeitliche Fenster zu definieren, die mit der Arbeitsweise des Senders 11 synchronisiert sind, um zu gewährleisten daß nur die relevanten Echos verarbeitet werden. Dies sind normalerweise jene Echos, die von der oberen Oberfläche des Gegenstandes 3 reflektiert werden, jedoch kann es in gewissen Fällon auch erwünscht sein, die Echos von der unteren Oberfläche oder auch von einer dazwischenliegenden Oberfläche zu empfangen. Der Ultraschallstrahl wird so gesteuert, daß er ständig senkrecht zur Oberfläche verläuft, wie auch die reflektierende Oberfläche beschaffen ist. Die das Zeitfenster definierende Vorrichtung kann einstellbar sein, so daß die Bedienungsperson die gewünschte Oberfläche wählen kann.

Im folgenden wird auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Die Signale von den beiden Satellitenwandlern 10 werden entsprechenden Austastverstärkern 20 zugeführt, die durch die erwähnte Vorrichtung zur Definierung zeitlicher Fenster, d.h. von einem Impulsgenerator 21 gesteuert werden, der gemäß jedem Impuls vom Sender 11 nach einer vorbestimmten einstellbaren Zeitverzögerung einen Impuls vorbestimmter.Breite liefert, um den Verstärker 20 zu öffnen. Die von den Verstärkern in der Öffnungsphase verarbeiteten Signale werden durch entsprechende Impulsformerschaltungen 22 und Konverterschaltungen 23 verarbeitet. Diese Konverterschaltungen verarbeiten die Signalpegel derart, daß sie in einer "Transistor-Transistor-Logik" (TTL)-Schaltung benutzt werden können, die vom Standpunkt der Arbeitsgeschwindigkeit zu bevorzugen ist.

Die Impulsausgänge der Schaltungen 23 werden Schaltstufen 24 zugeführt, die jeweils nur den ersten empfangenen Impuls durchlassen, denn die weiteren Impulse entsprechen im allgemeinen Störechos, und diese ersten Impulse werden einer Logikschaltung 25 zugeführt, die die Zeit zwischen diesen Impulsen und einer vorbestimmten oder einstellbaren variablen Fehlerzeit vergleicht, die dem erwähnten Differential angepaßt ist, welches beispielsweise von Ungenauigkeiten im Kopf 7 herrührt. In Abhängigkeit von dem Vergleich entscheidet die Stufe 25, ob sie die Lage des Wandlerkopfes 7 ändern will oder nicht, und infolgedessen wird dem Impulsgenerator 26 ein Einschalt- oder ein Ausschaltsignal zugeführt. Gemäß einem Einschaltsignal erzeugt der Generator 26 eine Impulsfolge, deren Impulsfolgefrequenz zunächst

etwas über einen vorbestimmten Pegel ansteigt, dann eine gewisse Zeit konstant bleibt und dann glatt abfällt. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, den Antriebsmotor 8 über eine Motorantriebsstufe 27 über eine vorbestimmte Elnstel1 stufe anzutreiben, wobei die Beschleunigungs- und Bremscharakteristiken des Motors berücksichtigt werden können. Zwischenzeitlich erzeugt die Logikstufe 25 ein Richtungssignal, je nach dem welcher der beiden Kristalle 10 zuerst ein Echo empfangen hat, um zu gewährleisten daß die Antriebsstufe 27 den Motor 8 im richtigen Sinne verstellt. Die Ausbildung der Antriebsstufe 27 hängt von dem jeweiligen Motor 8 ab. Wenn der Motor 8 beispielsweise ein Schrittmotor ist, dann kann die Stufe 27 eine geeignete Logik-Schaltung umfassen, um die Impulse vom Generator 26 in einer geeigneten Folge hindurchtreten zu lassen und den Motor schrittweise in der richtigen Richtung anzutreiben. Bei einem Gleichstrommotor könnte die Steuerstufe beispielsweise einen Frequenz/Spannungs-Wandler aufweisen.

Der Wandlerkopf 7 könnte mit der Sondensäule 5 so gekuppelt werden,· daß er um zwei senkrecht aufeinanderstehende Achsen verschwenkbar ist, so daß einer Krümmung der Oberfläche des Prüflings 3 in mehr als einer Richtung, gefolgt werden kann. Dazu ist ein zusätzlicher Stellmotor erforderlich, der eine Schwenkung um diese zusätzliche Achse bewirkt. In diesem Falle kann der Wandlerkopf mit zwei weiteren Satellitenwandlern derart versehen werden, daß diese vier Wandler im Abstand von 90° um den Ultraschallstrahl verteilt

liegen, wobei die Schaltung nach Fig. 2 verdoppelt werden müßte, um den zusätzlichen Servomotor gemäß Signalen zu verstellen, die von den zusätzlichen beiden Satel1itenwandlerm herrühren.

Die Erfindung kann auch bei einem Prüfgerät Anwendung finden, welches Strahlsonden anstelle der Eintauchvorrichtung benutzt. Fig. 3 zeigt einen Wandlerkopf für eine Strahlsonde in Form eines hohlen Gehäuses 30 mit einem Einlaß 31 für Druckwasser und einem Ausläßrohr 32, welches von der unteren Wand 33 des Gehäuses nach einer Stelle in der Nähe des Hauptwandler-Kristalls 34 innerhalb des Gehäuses vorsteht. Das überden Einlaß 31 zugeführte Wasser füllt das Gehäuse aus und strömt als Strahl aus dem Rohr 32 aus. Zwei oder vier Satellitenkristalle .35, von denen nur zwei dargestellt sind, liegen jeweils seitlich des Kristalls 34. Das Rohr 32 ist über seinem oberen Drittel etwas konisch erweitert, um so als eine Art Wellenführung zu dienen, die die zurückkehrenden Ultraschallimpulse auf die Satellitenkristalle 35 gelangen läßt, wodurch automatisch die Kopflage in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben, gesteuert wird. Die Kristalle 35 sind etwas geneigt, um genauer in die Richtung der ankommenden Echosignale zu weisen, jedoch ist diese Neigung natürlich nicht wesentlich, obgleich hierdurch die' Empfind 1ichkeit erhöht werden kann. ' . ■

Fig. 4 zeigt einen Wandlerkopf 40 mit einem Gehäuse und einem Hauptkristall 42 innerhalb des Gehäuses in

der Nähe einer Stirnwand 43. Ein Signal führungsrohr 44 erstreckt sich innerhalb des Gehäuses von dem rückwärtigen Kristall 42 nach einem Austritt an der anderen Stirnwand 45 des Gehäuses, wobei diese Wand tellerförmig ausgebildet ist und als Ultraschallreflektorplatte wirkt. Zwei oder vier Satelliten-Wandlerkristalle 46, von denen nur zwei dargestellt sind, liegen auf der äußeren Oberfläche der Wand 45 um den Auslaß des Rohres 42 herum verteilt. Geeignete, nicht dargestellte Schwenkvorrichtungen sind an der Wand 43 vorgesehen, um den Wandlerkopf mit einer Sonde zu kuppeln-,'beispielsweise mit der Sonde nach F i g . 1.

Anstatt die Satellitenwandler 10 und 46 an öer unteren Oberfläche des Wandlerkopfes festzulegen, könnten sie auch an irgendeiner anderen Stelle gelagert werden, beispielsweise an geeigneten Trägerarmen, die seitlich vom Kopf vorstehen. Es ist auch nicht wesentlich, daß sie überhaupt benutzt werden. Stattdessen könnte die relative Lage zwischen Kopf und Prüfling auch beispielsweise durch zwei Wandler festgelegt werden, die jeweils den Abstand von· der Oberfläche des Prüflings durch Messung der Kapazitätsänderung oder der Induktivitätsänderung feststellen, oder es könnten mechanische Mittel vorgesehen werden, die die Oberfläche des Prüflings berühren, um seine tage festzustellen.

Wenn die Ultraschallwandler vorgesehen werden, dann können die Echos von einem Ultraschallsignal, was nicht vom Hauptwandler im Kopf 7 herrührt, beispielsweise von jedem Satellitenwandler abgestrahlt werden, um einen

eigenen Strahl zu erzeugen, und zwar vorzugsweise mit einer Frequenz, die von der Frequenz des Hauptwandie rs unterschieden ist. Die Steuerstufe könnte Signale verarbeiten, die Echos von Strahlen repräsentieren, dio von den Satel 1 i tonwand 1 em erzeugt werden.

Vorstehend wurde die Erfindung in Verbindung mit einem Ul Lrdsf.hd J 1 prüf gerät beschrieben, jedoch kann die Erfi ml um (j auch für andere Fälle Anwendung finden, wo ein Werkstück hinsichtlich seiner Lage gegenüber einem anderen Teil ausgerichtet werden muß, beispielsweise kann die Erfindung auch Anwendung finden bei gewissen automatischen Werkzeugmaschinen und anderen Prüf vorrichtungen .

Die Satellitenwandler 10 gemäß Fig. 1 oder 46 gemäß Fig. 4 könnten so montiert werden, daß ihre jeweiligen Empfangsfeldachsen parallel zur Strahlachse des Primärwandlers verlaufen, oder es kann die Empfindlichkeit des (.i'f'.ilc¹, erhöht, werden, wenn jeder Sate 1 1 i tonwand ler .so montiert wird, daß die Empfangsfeldachse nach innen oder außen von der Primärwandlerstranlachse geneigt wi rd .

Claims

Patentanwälte"; Γ: : :' ' :": .Dipl.-lng. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 20 . JuI i 1982 British Aerospace
Public Limited Company
100 Pall Mall
London SW1Y 5HR
England Unser Zeichen: 17 497 - K/Ap Lageeinstel!vorrichtung

Patentansprüche:

Lageeinstel!vorrichtung zum Einstellen der Lage eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil,

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wandler von dem ersten Teil getragen werden, die elektrische Signale erzeugen, welche den jeweiligen Abstand der beiden Wandler von dem zweiten Teil anzeigen, und daß ein Antriebsmotor mit dem ersten Teil gekuppelt ist, um dieses erste Teil relativ zu dem zweiten Teil zu bewegen, wobei Steuermittel die elektrischen Signale empfangen und den Antriebsmotor steuern.

Lageeinstel!vorrichtung zur Einstellung der Lage eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Tei1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Primärwandler und zwei oder mehrere Sekundärwandler vorgesehen sind, die von dem ersten Teil getragen

werden, wobei die Sekundärwandler auf Signale ansprechen, die durch den Primärwandler abgestrahlt und von dem zweiten Teil reflektiert wurden, wodurch elektrische Signale erzeugt werden, die den jeweiligen Abstand zwischen dem zweiten Teil und dem jeweiligen Sekundärwandler angeben, und daß ein Antriebsmotor mit dem ersten Teil gekoppelt ist, um den ersten Teil relativ zu dem zweiten Teil zu verschieben, und daß Steuermittel die elektrischen Signale empfangen und den Antriebsmotor so steuern, daß kontinuierlich automatisch die relative Winkelstellung und der Abstand zwischen den beiden Teilen aufrecht erhalten wird.

Ultraschal 1-PrüfVorrichtung mit einem Werkstückträger und einer Sonde, die von einem Trägeraufbau getragen wird, der die Sonde nach dem Werkstück hin und von diesem sowie quer zur Oberfläche des Werkzeugs verschiebt, wobei ein Ultrascha11-Wandlerkopf schwenkbar an der Sonde befestigt ist, und von einem Stellmotor vom Werkstück weg bzw. auf dieses hin bzw. gegenüber diesem verschwenkbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkopf einen Primärwandler trägt, um Ultraschal lenergie auf das Werkstück abzustrahlen bzw. vorn Werkstück reflektierte Energie zu empfangen, daß wenigstens zwei Satelliten·

wandler vorgesehen sind, die Anteile der reflektierten Energie, empfangen und elektrische Signale liefern, die den jeweiligen Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und den Satellitenwandlern anzeigen .

4. Ultraschall-Prüfvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel mit den Satellitenwandlern bzw. dem Antrieb verbunden sind, die auf die. Entfernungssignale ansprechen, um einen vorbestimmten Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und dem Primärwandler und eine vorbestimmte Winkel stellung zwischen der Ultraschal1-Energie-Strahlachse und der Werkstückoberfläche aufrechtzuerhalten.

5. Ultraschal 1-Prüfvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jöder Satellitenwandler so-montiert .ist, daß seine Empfangsfeldachse gegenüber der Sende-Empfangs-Achse des Primärwandlers geneigt ist.

6. Ultraschal 1-Prüfvorrichtung nach Anspruch .3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satellitenwandler so montiert ist, daß seine Empfangsfeldachse parallel· zur Abstrahl-Empfangs-Feldachse. des Primärwandlers liegt.