DE3232904C2

DE3232904C2 -

Info

Publication number: DE3232904C2
Application number: DE19823232904
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 7030 Boeblingen De Benz; Eberhard 7147 Eberdingen De Lohner; Guenter 7146 Tamm De Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1982-09-04
Publication date: 1991-02-14
Also published as: GB2126715B; GB8321062D0; GB2126715A; DE3232904A1; JPS5965708A; CH660629A5; JPH0418602B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Sonde nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche ist bekannt beispielsweise aus der DE-OS 30 37 622. In der bekannten Anordnung wird ein paralleles Strahlenbündel einer Lichtquelle durch ein Lichtfaserbündel und einen Meßtubus senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt und das Hellfeld des reflektierten Lichtes mittels mehrerer Detektoren erfaßt. Das erfaßte reflektierte Licht wird als Maß für die Güte der zu untersuchenden Oberfläche integral oder in Relation der von den einzelnen Detektoren gemessenen Lichtintensitäten zueinander ausgewertet.

Die Anordnung der Detektoren wird dabei der zu erwartenden Aufweitung des reflektierten Strahlenbündels angepaßt. Bei zusätzlicher Verwendung eines Linsensystems ist auch eine räumliche Auflösung der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes im Hellfeld möglich. Ein Linsensystem ist jedoch kompliziert in der Handhabung und vergleichsweise teuer. Eine Auswertung des das Hellfeld umgebenden Dunkelfeldes ist nicht vorgesehen. Wird die Anordnung zudem ohne ein Linsensystem eingesetzt, ist nur eine integrale Auswertung des Hellfeldes möglich, da das reflektierte Licht im Meßtubus weitere Reflexionen erfährt.

Ferner ist aus der US-PS 40 55 382 eine Anordnung bekannt, bei der ebenfalls ein paralleles Strahlenbündel einer Lichtquelle senkrecht auf eine zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird. Über ein optisches System mit Linsen sowie mit einem Spiegel und mit einem Prisma wird ein Teil des reflektierten Lichtes einem Detektorelement zugeführt. Mittels einer zusätzlichen Anordnung, bestehend aus Lichtleitfasern, deren offene Enden konzentrisch um die der zu untersuchenden Oberfläche zugewandte Linse angeordnet sind, und an deren ausgangsseitigen Enden Detektorelemente angeordnet sind, ist die Messung der Richtungsverteilung der Intensität des reflektierten Lichtes möglich. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß ein optisches System erforderlich ist, welches einen hohen Justieraufwand erfordert. Eine räumliche Auflösung der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes ist wegen der geometrischen Ausdehnung der Meßanordnung nur möglich, wenn die zu untersuchende Oberfläche gut zugänglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zur berührungslosen Prüfung von Oberflächen anzugeben, welche ohne ein Linsensystem auskommt und welche eine Auflösung der Richtungsverteilung des reflektierten Lichtes gestattet.

Eine erfindungsgemäße Sonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 erlaubt eine berührungslose Oberflächenprüfung auch bei schwer zugänglichen Objekten, wie zum Beispiel Bohrungen. Die Bestrahlung der Oberfläche erfolgt vorteilhaft durch einen auf einen Durchmesser von ca. 0,1 mm gebündelten Laserstrahl, dessen hervorragende optische Eigenschaften ein großes Signal-Rausch-Verhältnis liefert.

Die die reflektierte Strahlung erfassende Anordnung besteht aus einem zentralen Lichtleiter, einer diesen konzentrisch umgebenden optischen Totzone sowie einer Mehrzahl von konzentrisch um die Totzone herum angeordneten Lichtleitern. An den Enden des zentralen Lichtleiters sowie der Totzone umgebenden Lichtleiter sind vorteilhaft Detektorelemente angeordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Sonde kann auf einfache Weise eine gleichzeitige Messung im Hell- sowie im Dunkelfeld der zurückgeworfenen Strahlung erfolgen, wobei die Dunkelfeldmessung bei Bedarf nach dem Winkel der zurückgeworfenen Strahlung aufgelöst werden kann. Das bedeutet, daß nicht nur die Intensität der direkt reflektierten Strahlung in jedem Punkt der Oberfläche bestimmbar ist, sondern daß zusätzlich auch die Intensität und die Richtungsverteilung der seitlich gestreuten bzw. gebeugten Strahlung ermittelt werden kann.

In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die einfallende und die reflektierte Strahlung in getrennten Lichtleitern geführt, wobei die rückführenden Lichtleiter konzentrisch um einen zentralen, die ankommende Strahlung führenden Lichtleiter angeordnet sind. Der Durchmesser des zentralen Innenlichtleiters beträgt zweckmäßig einen Millimeter.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die ankommende und die reflektierte Strahlung des Hellfeldes in einem gemeinsamen Lichtleiter geführt. Die Trennung der reflektierten von der ankommenden Strahlung erfolgt in einem teildurchlässigen Spiegel. Der Durchmesser des zentralen Innenlichtleiterbündels beträgt zweckmäßig etwa 2 mm.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Zweckmäßig ist es, alle Lichtleiter jeweils in einer Ebene enden zu lassen. Ankommende und reflektierte Strahlung werden vorteilhaft über einen um die Lichtleiterachse verdrehbaren und in seiner Neigung zur Lichtleiterachse verstellbaren Umlenkspiegel auf das Meßobjekt beziehungsweise auf die Stirnfläche der Lichtleiter geführt. Ferner wird die Anordnung aus Lichtleiter, optischer Totzone und Umlenkspiegel vorteilhaft von einem Schutzrohr ummantelt.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Sonde ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem zentralen Lichtleitkabel für die Rückführung des zentralen Strahlenbündels und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem erweiterten zentralen Kanal, durch den das reflektierte Licht des Hellfeldes durch Luft zurückgeführt wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein Werkstück bezeichnet mit einer Bohrung 11, deren Oberfläche mit 12 bezeichnet ist. Die Bohrung 11 läuft an ihrem Ende konisch zu unter einem Winkel α.

In die Bohrung 11 ist eine Sonde 13 eingeführt, welche zur automatischen Prüfung der Oberfläche 12 dient. Die Sonde besteht aus einem zentralen, rohrförmigen, geradlinigen Kanal 14 innerhalb eines Rohres 15 aus Metall oder Kunststoff. Koaxial um das Rohr 15 liegt ein Glasfaserring 16, an den sich außerhalb eine optisch tote Zone 17 aus einem Blech- oder Kunststoffrohr anschließt. Um dieses Rohr herum sind Lichtleiter 18 in Form von Glasfasersektoren angeordnet. Die Gesamtanordnung ist außen durch ein Schutzrohr 19 abgedeckt. Innerhalb des Schutzrohres 19 sitzt weiterhin ein Umlenkspiegel 20, welcher mit dem Schutzrohr 19 bzw. mit dem zentral einfallenden Laserstrahl 21 einen Winkel β einschließt derart, daß der Laserstrahl 21 senkrecht auf die Oberfläche 12 des Werkstückes 10 gelenkt wird. Beim Prüf- oder Meßvorgang wird das Werkstück 10 um die Sonde 13 gedreht bei gleichzeitigem Vorschub der Sonde 13, so daß sich eine spirallinienförmige Abtastung der Oberfläche 12 ergibt. Stattdessen ist es jedoch auch möglich, bei einem größeren oder nicht rotationssymmetrischen Werkstück 10 die Sonde 13 zu drehen oder den Umlenkspiegel 20 drehbar innerhalb der Sonde 13 anzuordnen.

Fig. 1b zeigt einen Schnitt nach der Linie b-b in Fig. 1a zur Verdeutlichung der Anordnung auf der inneren Endfläche der Sonde 13. Innerhalb des Schutzrohres 19 sitzen acht Lichtleiter in Form von Glasfasersektoren 18, darin als optisch tote Zone das Rohr 17, hierin als Lichtleiter ein Glasfaserring 16 und darin das Rohr 15, welches innen den Kanal 14 bildet.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 wirkt derart, daß der Laserstrahl 21 geradlinig den Kanal 14 durchsetzt und am Umlenkspiegel 20 um 90° umgelenkt wird und rechtwinklig auf dem unteren Bereich der Oberfläche 12 der Bohrung 11 auftrifft. Entsprechend der Oberflächengüte erfolgt die Reflexion und Streuung des Laserstrahles 21 an der Oberfläche 12, so daß ein Teil des Strahles, nämlich das Hellfeld, etwa parallel zum einfallenden Laserstrahl 21 zurückgeworfen wird. Dieser Lichtanteil wird am Umlenkspiegel 20 wiederum etwa parallel zum Laserstrahl 21 abgelenkt. Durch den Glasfaserring 16 wird das geringfügig um ca. 5° seitlich abgelenkte Licht erfaßt und auf eine Meßanordnung mit lichtempfindlichen Detektorelementen geleitet, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Ein weiterer Teil des einfallenden Laserlichtes wird entsprechend der Oberflächengüte an der Oberfläche 12 stärker gestreut, wobei sich Oberflächenschäden wie Kratzer und Riefen bei der Streuung des Laserstrahles besonders bemerkbar machen. Die richtungsabhängige Rückführung dieses Teiles des zurückgeworfenen Lichtes erfolgt über separate Lichtleiter 18 in Form von Glasfasersektoren, denen außerhalb der Sonde 13 wiederum nicht dargestellte lichtempfindliche Detektorelemente zugeordnet sind. Zur deutlichen Abtrennung des in die beiden Winkelbereiche der Lichtleitkabel 16 und 18 reflektierten Hellfeldanteiles bzw. des stärker ins Dunkelfeld gestreuten Laserlichtes wird dazwischen eine optisch tote Zone 17 eingefügt. Dadurch erfaßt beispielsweise die Lichtleiteranordnung 16 den Winkelbereich 4°-5° und die Lichtleiteranordnung 18 je nach Außendurchmesser der Sonde 13 einen Winkelbereich von 15°-20° oder mehr.

Die Beleuchtung der zu prüfenden Oberfläche erfolgt mit einem fokussierten Laserstrahl 21, welcher einen Durchmesser von ca. 0,1 mm hat. In der Mitte der Sonde 13 tritt der Laserstrahl geradlinig durch den röhrchenförmigen Kanal 14 hindurch, welcher einen Innendurchmesser von ca. 1 mm hat. Nach dem Austritt aus dem Kanal 14 trifft der Laserstrahl 21 auf einen Umlenkspiegel 20, dessen Neigung β der Oberflächenneigung α der Bohrung 11 angepaßt ist. Die Spiegelneigung β beträgt dabei

Die Rückführung des reflektierten bzw. gestreuten Lichtes erfolgt über Lichtleitkabel 16 und 18, wobei die Endflächen der Lichtleiter 18 sektorenartig in einem Kreisring angeordnet sind. Als Auswerteschaltung sind den Lichtleitkabeln 16 und 18 Fotoempfänger nachgeschaltet, welche in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Der innere, dicht an dem Rohr 15 anliegende Glasfaserring 16 dient zur Detektion des in der Reflexionsrichtung nur wenig geänderten Lichtes. Dieser Anteil ist umgekehrt proportional zur Rauheit der zu prüfenden Oberfläche 12. Nach einer ringförmigen, optischen toten Zone 17, die sich an den Glasfaserring 16 außen anschließt, folgen n-Sektoren mit Lichtleitern 18, die den äußeren Lichtleiterring in n-Teilbereiche aufteilen. Der Anteil des Lichtes, der in den gesamten äußeren Ringbereich 18 gestreut wird, ist proportional zur Oberflächenrauheit. Die Richtungsverteilung des gestreuten Lichtes hängt von der Oberflächenkrümmung und insbesondere von der Richtungsstruktur in der Bearbeitung der untersuchten Oberfläche ab.

Die zu prüfende innere Oberfläche 12 der Bohrung 11 wird punktförmig auf Kreis- bzw. Spiralbahnen abgetastet, indem z. B. die Sonde 13 in die Bohrung 11 eingebracht wird und dabei sich das Werkstück 10 um die Bohrungsachse dreht. Alternativ hierzu kann sich auch die Sonde 13 oder Teile der Sonde, insbesondere der Umlenkspiegel 20 drehen.

Die folgenden Messungen erlauben eine vollständige Charakterisierung der zu prüfenden Oberfläche 12:

Eine erste Messung dient zur Bestimmung des Verhältnisses der im Glasfaserring 16 empfangenen Lichtintensität zu der primären Beleuchtungsintensität durch den Laserstrahl 21. Das aus diesen beiden Größen gebildete Verhältnis zeigt dunkle Stellen auf der Oberfläche 12 an und erlaubt Rückschlüsse auf Rückstände auf der Oberfläche, auf Lunker, Risse und ähnliche Fehler.

Bei einer zweiten Messung wird das Verhältnis gebildet der im inneren Glasfaserring 16 empfangenen Lichtintensität zu derjenigen in den Glasfasersektoren 18, wobei der Integralwert über die Messungen in den verschiedenen Lichtleitern 18 gebildet wird. Das hieraus sich ergebende Lichtintensitätsverhältnis gibt Aufschlüsse über die Politurgüte und erlaubt somit die Erkennung von Läpp- oder Honfehlern, von Riefen, Macken, Kratzern und dgl.

In einem dritten Meßverfahren wird das Verhältnis gebildet, zwischen den jeweils in den einzelnen Glasfasersektoren 18 empfangenen Lichtintensitäten. Dieses Verhältnis gibt Aufschluß über Änderungen der Strukturrichtung und zeigt somit Läppfehler, Kratzer und dgl. auf.

Die Anordnung gemäß Fig. 2a und 2b ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie die Anordnung gemäß Fig. 1, weshalb gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Der wesentliche Unterschied der Anordnung gemäß Fig. 2 zur vorher beschriebenen Anordnung besteht darin, daß das zentrale Rohr 15 einen größeren Innendurchmesser von ca. 2 mm hat und daß der zentrale Glasfaserring 16 entfällt. Die Rückleitung der an der Oberfläche 12 gestreuten Laserstrahlen im Hellfeld erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über Luft durch den zentralen Kanal 14, durch welchen der Laserstrahl 21 zur Oberfläche hingeführt wird. Auch bei der Anordnung gemäß Fig. 2 schließt der zentrale Kanal 14 in einer Ebene mit den ihn umgebenden Endflächen der Lichtleitkabel 18 ab. Am Eingang der Sonde 13 ist zur Trennung der verschiedenen Strahlen ein teildurchlässiger Spiegel 22 angeordnet, mittels dessen die zurückgeworfenen Lichtstrahlen auf eine Meßeinrichtung 23 für das Hellfeld abgelenkt werden. Bei der Sonde gemäß Fig. 2 wird das in der Reflexionsrichtung nur wenig geänderte zurückgeworfene Licht also nicht über Lichtleitfasern sondern durch das vergrößerte Rohr 15 zurückgeführt und über den teildurchlässigen Spiegel 22 auf den Fotoempfänger der Meßeinrichtung 23 ausgekoppelt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß insbesondere das direkt von der Werkstückoberfläche in sich reflektierte Licht erfaßt wird, während mit der Anordnung nach Fig. 1 aus diesem Reflex nur ein äußerer Ring von 4°-5° Öffnung erfaßt wird, wodurch schon Dunkelfeldanteile mitregistriert werden. Mit der Anordnung nach Fig. 2 ist demzufolge eine klarere Trennung zwischen Hell- und Dunkelreflexion möglich.

Claims

1. Sonde zum automatischen Prüfen von feinmechanisch bearbeiteten Oberflächen in Bohrungen mit den Merkmalen:

- auf die zu prüfende Oberfläche ist eine Laserstrahlung gerichtet, die linienförmig oder flächenförmig geführt ist,
- die von der Oberfläche zurückgeworfene Strahlung wird als Kriterium für die Oberflächenbeschaffenheit ausgewertet,
- es ist wenigstens ein Detektorelement zur Erfassung der von der Oberfläche zurückgeworfenen Strahlung im Hellfeld vorgesehen,
- es ist eine Mehrzahl von Detektorelementen zur Erfassung der von der Oberfläche zurückgeworfenen, in einer Mehrzahl von Lichtleitern geführten Strahlung im Dunkelfeld vorgesehen,
- es ist ein zentraler, geradliniger Kanal (14) zum Hindurchführen der ankommenden Laserstrahlung (21) vorgesehen,
- es ist ein Lichtleiter (16) vorgesehen, der die von der zu prüfenden Oberfläche (12) zurückgeworfene Strahlung des Hellfeldes zurückführt und der koaxial um den zentralen Kanal (14) herum angeordnet ist,
- der Lichtleiter (16) ist von einer aus einem Rohr bestehenden optischen Totzone (17) zur Trennung von Hell- und Dunkelfeld der von der Oberfläche (12) zurückgeworfenen Strahlung umgeben, und
- die Mehrzahl der Lichtleiter (18) für die Dunkelfeld-Strahlung ist um die Totzone (17) herum angeordnet.

2. Sonde zum automatischen Prüfen von feinmechanisch bearbeiteten Oberflächen in Bohrungen mit den Merkmalen:

- auf die zu prüfende Oberfläche ist eine Laserstrahlung gerichtet, die linienförmig oder flächenförmig geführt ist,
- die von der Oberfläche zurückgeworfene Strahlung wird als Kriterium für die Oberflächenbeschaffenheit ausgewertet,
- es ist wenigstens ein Detektorelement zur Erfassung der von der Oberfläche zurückgeworfenen Strahlung im Hellfeld vorgesehen,
- es ist eine Mehrzahl von Detektorelementen zur Erfassung der von der Oberfläche zurückgeworfenen, in einer Mehrzahl von Lichtleitern geführten Strahlung im Dunkelfeld vorgesehen,
- es ist ein zentraler, geradliniger Kanal (14) zum Hindurchführen der ankommenden Laserstrahlung (21) und zur Rückführung der von der Oberfläche (12) zurückgeworfenen Strahlung im Hellfeld vorgesehen,
- die von der zu prüfenden Oberfläche (12) zurückgeworfene, im zentralen Kanal (14) geführte Strahlung wird mit einem im Strahlengang angeordneten teildurchlässigen Spiegel (22) ausgekoppelt,
- der Kanal (14) ist von einer aus einem Rohr bestehenden optischen Totzone (17) zur Trennung von Hell- und Dunkelfeld der von der Oberfläche (12) zurückgeworfenen Strahlung umgeben, und
- die Mehrzahl der Lichtleiter (18) für die Dunkelfeld-Strahlung ist um die Totzone (17) angeordnet.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kanal (14) rohrförmig mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist.

4. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (18) im Bereich der Stirnfläche einen kreisscheibensektorförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kanal (14) in einer Ebene mit den ihn umgebenden Endflächen der Lichtleiter (16, 18) abschließt.

6. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des zentralen Kanals (14) ca. 1 mm beträgt.

7. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Oberflächenbestrahlung verwendete Teil des einfallenden Laserstrahls (21) den Strahlteiler (22) geradlinig durchsetzt und daß der zum Messen verwendete Teil der reflektierten Strahlung des Hellfeldes mittels des Strahlteilers (22) auf eine Meßeinrichtung (23) lenkbar ist.

8. Sonde nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des zentralen Kanals (14) ca. 2 mm beträgt.

9. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Laserstrahl (21) und die von der zu prüfenden Oberfläche (12) zurückgeworfene Strahlung über einen Umlenkspiegel (20) im wesentlichen rechtwinklig auf die Oberfläche (12) bzw. auf die Stirnfläche des zentralen Kanals (14) und der ihn umgebenden Lichtleiter (16, 18) gelenkt wird.

10. Sonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (β) des Umlenkspiegels (20) entsprechend der zu prüfenden Oberfläche (12) veränderbar ist.

11. Sonde nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (20) um die Achse des einfallenden Laserstrahls (21) drehbar ist.

12. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den zentralen Kanal (14), die Lichtleiter (16, 18) und die optische Totzone (17) enthaltende Anordnung sowie der Umlenkspiegel (20) in einem Schutzrohr (19) angeordnet sind.