DE3422772A1

DE3422772A1 - Device for contactless measurement of internal threads

Info

Publication number: DE3422772A1
Application number: DE19843422772
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. 5100 Aachen Molitor
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE3422772C2

Abstract

Device for contactless measurement of internal threads, having a fibre-optic arrangement for illuminating the surface of the internal thread and for computer-aided determination of its contour from the variation in the radiation intensity of the light reflected from the surface, in particular having a cylindrical plastic body (1) which can be inserted coaxially into the thread and in which two coaxial optical fibre bundles (4a, 4b), which each consist of a monomode glass fibre (2) fed with laser light and a light-returning glass fibre bundle (3) surrounding the latter, are embedded in such a way that they emerge radially from the plastic body (1) offset by 180 DEG in a plane perpendicular to the thread axis.

Description

Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung Device for contactless internal thread measurement

Die vollkommene Kontrolle von Innengewindeteilen bei der Serienfertigung ist ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die Prüfung eines Innengewindes auf Leichtgängiqkeit ist nur mittels einer Gewindegutlehre und die Prüfung auf ausreichende Tragkraft mittels einer Ausschußlehre möglich.The complete control of internal thread parts in series production is a problem that has not yet been satisfactorily resolved. Testing an internal thread ease of movement is only possible by means of a thread gauge and the test is sufficient Load capacity possible by means of a reject gauge.

Die Automatisierung dieser Prüfung mittels Sensoren wirft Probleme wegen der zu großen Abmessungen der Sensoren auf.The automation of this test by means of sensors poses problems because of the too large dimensions of the sensors.

Erfindungsgemäß werden die auftretenden Schwierigkeiten überwunden durch die Verwendung einer faseroptischen Anordnung zur Beleuchtung der Oberifäche des Innengewindes und zur rechnergestützten Ermittlung seiner Kontur aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichts.According to the invention, the difficulties that arise are overcome by using a fiber optic arrangement to illuminate the surface of the internal thread and for the computer-aided determination of its contour from the course the radiation intensity of the light reflected from the surface.

Die Erfindung geht von den Verhältnissen bei faseroptischen Sensoren aus, die nach dem Rückstreuprinzip arbeiten: Das aus der Schnittfläche des beleuchtenden Lichtleitfaserbündeis austretende Licht wird von der Objektoberfläche diffus reflektiert, und ein Teil des reflektierten Lichts wird von dem rückführenden Bündel aufgefangen und einer Fotodiode zugeführt.The invention is based on the relationships in fiber optic sensors that work according to the backscatter principle: That from the cut surface of the illuminating The light emerging from the optical fiber bundle is diffusely reflected from the surface of the object. and some of the reflected light is collected by the returning beam and fed to a photodiode.

Für die Fotodiode ergibt sich eine Bestrahlungsstärke, die vom Abstand der Faserenden von der Objektoberfläche abhängt.For the photodiode there is an irradiance that depends on the distance the fiber ends depends on the object surface.

Der Fotodiodenstrom kann als über die bestrahlte Fläche gemitteltes Abstandssignal betrachtet werden. Das Ausmaß der angetasteten Oberfläche wird bestimmt durch die Verteilung der hin- und rückleitenden Fasern im Bündel und durch die optische Apertur der Fasern. Handelsübliche faseroptische Taster sind aufgrund ihrer zu großen Antastfläche für eine Innengewindemessung ungeeignet.The photodiode current can be averaged over the irradiated area Distance signal are considered. The extent of the touched surface is determined through the distribution of the outward and return fibers in the bundle and through the optical Aperture of the fibers. Commercially available fiber optic buttons are too large because of their size Probe surface unsuitable for internal thread measurement.

Gemäß der Erfindung besteht eine faseroptische Anordnung zur berührungslosen Innengewindemessung aus einem koaxial in das Gewinde einführbaren zylindrischen Kunststoffkörper, in den zwei jeweils aus einer laserlichtgespeisten Monomode-Glasfaser und einem diese umgebenden lichtrückleitenden Glasfaserbündel bestehende koaxiale Lichtleitfaserbündel dergestalt eingebettet sind, daß sie um 1800 versetzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene radial aus dem Kunststoffkörper austreten.According to the invention there is a fiber optic arrangement for contactless Internal thread measurement from a cylindrical cylindrical thread that can be inserted coaxially into the thread Plastic body, in which two each made of a laser-light-fed single-mode glass fiber and a light-returning fiber optic bundle that surrounds it, existing coaxial Optical fiber bundles are embedded in such a way that they are offset by 1800 in a emerge radially from the plastic body plane perpendicular to the thread axis.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert; von diesen zeigt die Fig. 1 einen Schnitt durch ein Innengewinde und durch den darin eingeführten Kunststoffkörper mit den Lichtleitfaserbündeln; dieFig. Fig. 2 die Größenverhältnisse an einem Innengewinde mit der Steigung lmm, etwa im Maßstab 100:1 dargestellt; die Fig. 3 den Zusammenhang (Sensorkennlinie) zwischen der Strahlungsstärke des von der Gewindeoberfläche reflektierten Lichts und dem jeweiligen Sensor- bzw. Abstandssignal; die Fig. 4 den Uerlauf zweier Gewindeflanken und des dazugehörigen Sensorsignals.The invention is explained below with reference to FIGS. 1 to 4; of these, FIG. 1 shows a section through an internal thread and through the thread therein imported plastic body with the optical fiber bundles; theFig. Fig. 2 the Size ratios on an internal thread with a pitch of 1 mm, approximately on a scale of 100: 1 shown; 3 shows the relationship (sensor characteristic) between the radiation intensity the light reflected from the thread surface and the respective sensor or Distance signal; 4 shows the extension of two thread flanks and the associated one Sensor signal.

In den gemäß der Fig. 1 in ein Innengewinde eingeführten und in diesem in der Richtung X verschiebbaren Kunststoffkörper 1 sind die beiden koaxialen Lichtleitfaserbündel 4a und 4b dergestalt eingebettet, daß sie in einer zur Rotationsachse des Kunststoffkörpers bzw. des Gewindes senkrechten Ebene um 1800 versetzt austreten. Der Durchmesser d des als Sensorhalter fungierenden Kunststoffkörpers 1 ist etwas kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes.In the inserted into an internal thread according to FIG. 1 and in this The plastic body 1 displaceable in the direction X are the two coaxial optical fiber bundles 4a and 4b embedded in such a way that they are in one to the axis of rotation of the plastic body or emerge from the vertical plane offset by 1800. The diameter d of the plastic body 1 functioning as a sensor holder is slightly smaller than that Core diameter of the thread.

Bei den hier betrachteten Innengewinden handelt es sich um metrische ISO-Gewinde im kleinen bis mittleren Durchmesserbereich. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich darüber hinaus auch bei vielen anderen Innengewindetypen anwenden.The internal threads considered here are metric ISO threads in the small to medium diameter range. The device according to The invention can also be used with many other types of internal threads.

Für die Bemessung der koaxialen Lichtleitfaserbündel 4a und 4b sind gemäß der Fig. 2 die folgenden Randbedingungen zu beachten: Smax.tan (α) = Smax.tan (ß) - a Smax = a tan (ß) - tan (α) Randbedingungen: 1. Smax . tan (α) = H tan (#) α= arctan ( H . tan (#)) 8 8 . Smax oder Smax = H . tan (#) 8 tan(#) 2. ß # # 3. a # (Smax + H) . tan (#) 8 Der entfernteste Punkt, der noch eindeutig angetastet werden muß, ist der tiefste Punkt im Zwischenraum zwischen zwei Gewindeflanken. Seine Breite bestimmt: mit der Randbedingung (1) den Austrittswinkel oC . Die laserlichtgespeiste Monomode-Glasfaser 2 hat einen Kerndurchmesser von etwa 5 yum. Sie ist von einem Glasfaserbündel 3 mit dem Durchmesser 2a umgeben. Die Einzelfasern dieses Bündels haben einen Durchmesser von ca.For dimensioning the coaxial fiber optic bundles 4a and 4b are the following boundary conditions must be observed in accordance with FIG. 2: Smax.tan (α) = Smax.tan (ß) - a Smax = a tan (ß) - tan (α) Boundary conditions: 1. Smax. tan (α) = H tan (#) α = arctan (H. tan (#)) 8 8. Smax or Smax = H. tan (#) 8 tan (#) 2. ß # # 3. a # (Smax + H). tan (#) 8 The furthest point which still has to be clearly touched is the deepest point in the space between two thread flanks. Its width is determined by: with the boundary condition (1) den Exit angle oC. The laser light-fed single-mode glass fiber 2 has a core diameter of about 5 yum. It is surrounded by a glass fiber bundle 3 with a diameter of 2a. The individual fibers of this bundle have a diameter of approx.

50 µm und einen Akzeptanzwinkel ß. Für den Winkel ß gilt, ausgedrückt durch die Randbedingung 2, daß er kleiner sein muß als der Flankenwinkel t des Innnengewindes. Für metrische ISO Gewinde beträgt dieser Winkel 300. Es ist besonders vorteilhaft, den Winkel » mit ca. 250 anzusetzen.50 µm and an acceptance angle ß. For the angle ß applies, expressed by the boundary condition 2 that it must be smaller than the flank angle t of the internal thread. For metric ISO thread this angle is 300. It is special advantageous to set the angle »at approx. 250.

Die damit sich ergebende Abstandskennlinie ist in der Fig. 3 dargestellt. Im Bereich von S = 0 bis S = 5 nimmt die max Strahlungsstärke I bis zu ihrem Maximalwert I1 zu. Bei weiterem Vergrößern des Objektabstands fällt sie wieder ab, so daß aus Gründen der Eindeutigkeit nur der Bereich S S 5max verwendet werden darf.The resulting distance characteristic is shown in FIG. 3. In the range from S = 0 to S = 5, the maximum radiation intensity I increases to its maximum value I1 to. If the object distance is increased further, it falls off again, so that it fails For reasons of clarity, only the range S S 5max may be used.

Fällt der Lichtkegel auf die Gewindeflanke, so mißt der Sensor den Abstand, der sich als Mittelmaß über die bestrahlte Fläche ergibt. Dadurch wird im wesentlichen die Auswertung des Sensorsignals bestimmt.If the light cone falls on the thread flank, the sensor measures the Distance that is the mean over the irradiated area. This will essentially determines the evaluation of the sensor signal.

In Fig. 4 is der Verlauf zweier Gewindeflanken und darunter der des darzugehörigen Sensorsignals dargestellt.In Fig. 4 is the course of two thread flanks and below that of the associated sensor signal shown.

Im Bereich a tastet der Sensor das.Gewine im Kerndurchmesser an. Da die angestrahlte Fläche sehr klein ist, ergibt sich ein breiter Abschnitt gleichen Meßsignals, das als Gewindekenndurchmesser zu interpretieren ist. Der Bereich b entspricht dem Antasten einer Gewindeflanke. Da sich beim Überstreichen des Lichtkegels über die Kante kein eindeutig als Maß zu interpretierendes Abstandssignals ergibt, befindet sich eine Lücke zwischen a und b, in die eine Triggerschwelle zum Umschalten der einzelnen Bereiche gelegt werden kann.In area a, the sensor probes the thread in the core diameter. There the illuminated area is very small, the result is a wider section of the same Measurement signal that is to be interpreted as the thread diameter. The area b corresponds to probing a thread flank. Since when sweeping over the light cone There is no distance signal over the edge that can be clearly interpreted as a measure, there is a gap between a and b, in which a trigger threshold for switching of the individual areas can be placed.

Im Bereich c liegt der Meßwert, aus dem sich der Spitzendurchmesser ergibt. Durch seine Bauform bedingt, strahlt der Sensor hier die größte Fläche an. Wenn der Lichtkegel ganz in der Rinne liegt, ergibt sich im Punkt P ein Maximum. Für den Bereich d gilt das gleiche wie für Bereich b.The measured value from which the tip diameter is derived is located in area c results. Due to its design, the sensor illuminates the largest area here. When the cone of light is completely in the channel, there is a maximum at point P. The same applies to area d as to area b.

Über den Durchmesser d des Sensorhalters 1 werden die charakteristischen Durchmesser des Innengewindes bestimmt: - Kerndurchmesser = d + Slmin + S2 min - Spitzendurchmesser = d + Slmax + S2 max - Flankendurchmesser = Eine Kontrolle der Gewindetiefe, der Vollständigkeit und der Steigung ist darüber hinaus mittels einer Drehaktorik und eines Tiefenmaßstabs im Rechner möglich.The characteristic diameter of the internal thread is determined via the diameter d of the sensor holder 1: core diameter = d + Slmin + S2 min - tip diameter = d + Slmax + S2 max - flank diameter = A control of the thread depth, the completeness and the pitch is also possible by means of a rotary actuator and a depth scale in the computer.

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Claims

PATENT CLAIMS 1. Device for non-contact internal thread measurement, characterized by a fiber optic arrangement (1) for illuminating the surface of the internal thread and for the computer-aided determination of its contour from the course the radiation intensity of the light reflected from the surface.

2. Device according to claim 1, characterized by a coaxial in the thread insertable cylindrical plastic body (1), in each of the two from a laser light-fed single-mode glass fiber (2) and a surrounding one light-returning fiber optic bundles (3) existing coaxial fiber optic bundles (4a, 4b) are embedded in such a way that they are offset by 1800 in one to the thread axis emerge radially from the plastic body (1) in the vertical plane.

3. Device according to claim 2, characterized in that the single-mode glass fiber (2) has a core diameter of about 5 μm and the light-returning fiber Glass fiber bundle (3) made of individual fibers with a diameter of approx. 50) um and with an acceptance angle (»), which is smaller than the flank angle (t) of the respective Is internal thread.

4. Device according to claim 3, characterized in that the acceptance angle (ß) for the measurement of metric ISO threads is about 250.