DE3842318A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen pruefung von innengewinden an werkstuecken aus einem elektrisch leitenden werkstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden an Werkstücken aus einem elektrisch leitenden Werkstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen in Computer und Elektronik, Oktober 1986, S. 126 f. beschriebenen Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden an Werkstücken der eingangs genannten Art ist lediglich ein einziges induktives Sensorelement an einer Stelle des Umfanges des Sensorkörpers angeordnet, so daß zwar das Vorhandensein des Gewindes, das Auftreten von Ausbrüchen, die Anzahl von Gewindegängen und das Abweichen von der Sollsteigung erfaßt werden können, jedoch ist eine Aussage über den Durchmesser des zu prüfenden Innengewindes nicht möglich. Es wurde nun in dieser Veröffentlichung pauschal zwar angedeutet, daß eine diametrale Anordnung von zwei Sensorelementen eine Aussage über den Gewindedurchmesser möglich mache, jedoch hat sich herausgestellt, daß dies wegen der unvermeidlichen Exzentrizität des Sensorkörpers relativ zum zu prüfenden Innengewinde beim Meßvorgang dennoch nicht ohne weiteres möglich ist, da die vorhandene Exzentrizität in die Aussage bzw. Messung mit eingeht und daher diese Messung zu ungenau ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden an Werkstücken der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in schneller und einfacher Weise auch eine Aussage über den Durchmesser des zu prüfenden Innengewindes in genauer Weise möglich ist, ohne daß eine ggf. vorhandene Exzentrizität zwischen Sensorkörper und zu prüfendem Innengewinde in die Messung eingeht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden an Werkstücken die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist es zusätzlich zu den Aussagen über die Qualität des Gewindes möglich, eine genaue Aussage über den Durchmesser des Innengewindes im betreffenden Werkstück zu treffen, ohne daß eine mögliche Exzentrizität der Mechanik der Meßanordnung in das Ergebnis eingeht. Dadurch ist es erst möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung in großem Maße bei der Qualitätskontrolle industriell gefertigter, an Werkstücken vorgesehener Innengewinde einzusetzen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus den Merkmalen des Unteranspruches.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben ist. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine in ein zu prüfendes Innengewinde eintauchende berührungslose Prüfvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 den bspw. Profilverlauf eines Innengewindes, wie er von zwei diametral gegenüberliegenden Sensorelementen aufgezeichnet ist,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des mittleren Ordinatenabstandes in Abhängigkeit von der Amplitude, wie es sich für die Ausgangskurve eines Sensors nach Fig. 3 ergibt,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Sensorabstandes vom mittleren Ordinatenabstand für jeden Sensor,

Fig. 6 bspw. die Abhängigkeit des gemessenen Abstandes eines auf der X-Achse angeordneten Sensors von der Exzentrizität in X- und Y-Richtung der Prüfvorrichtung relativ zum zu prüfenden Innengewinde und

Fig. 7 ein Diagramm zum Ermitteln des Flankendurchmessers des geprüften Innengewindes aus dem gemessenen Durchmesser.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt eine Vorrichtung 10 zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden 11 an Werkstücken 12 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, im folgenden auch Prüfvorrichtung 10 genannt, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung einen Sensor 13, der einen zylindrischen Sensorkörper 14 aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Kerndurchmesser des hier metrischen Innengewindes 11 im Werkstück 12. Das Innengewinde 11 ist gemäß Fig. 1 bspw. in einer Sacklochbohrung vorgesehen. Es versteht sich, daß auch durchgehende Innengewindebohrungen bzw. deren Innengewinde mit der Prüfvorrichtung 10 untersucht werden können. Beispielsweise können die Innengewinde 11 von Bohrungen ab 6 mm Durchmesser mit der Prüfvorrichtung 10 untersucht werden.

Der Sensorkörper 14 besitzt an einem Umfangsbereich, der nahe seiner freien Stirn 21 vorgesehen ist, vier gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete induktive Sensorelemente 16, 17, 18 und 19, die in den Sensorkörper 14 eingelassen und bündig mit dessen Außenumfangsfläche 27 sind. Die induktiven Sensorelemente 16 bis 19 arbeiten nach dem Prinzip der Aufhebung des Magnetfeldes einer Spule. Das um die Spule im induktiven Sensorelement 16 bis 19 entstehende Magnetfeld durchsetzt teilweise das elektrisch leitende Werkstück 12, wodurch in diesem Wirbelströme entstehen, die ein Gegenfeld erzeugen und damit das ursprüngliche Magnetfeld der Spule des induktiven Sensorelementes 16 bis 19 aufheben. Dadurch ergibt sich eine Änderung der Induktivität der Spule des Sensorelementes. Diese Induktivitätsänderung wird in eine Spannungsänderung umgeformt. Dieses Meßprinzip wird auch als Wirbelstromverlustprinzip bezeichnet. Zur Ansteuerung der induktiven Sensorelemente 16 bis 19 sind diese in nicht dargestellter Weise mit elektrischen Leitungsverbindungen versehen, die jeweils durch eine radiale Bohrung 22, 23, 24 bzw. 25 und gemeinsam durch eine zentrale axiale Bohrung 26 hindurchgeführt sind. Diese elektrischen Leitungsverbindungen sind in nicht dargestellter Weise zu einem Oszillator/Demodulator-Gerät geführt, dessen Ausgänge mit einem Rechner zur Verarbeitung der betreffenden Werte und mit einem Anzeigegerät, bspw. in Form eines Digitalvoltmeters und/oder eines Druckers, verbunden sind. Der Sensorkörper 14 ist außerdem in nicht dargestellter Weise mit einem bspw. pneumatischen Antrieb verbunden, damit er gemäß Doppelpfeil Z in die mit dem Innengewinde 11 versehene Bohrung eingefahren und aus ihr wieder herausgefahren werden kann, um das Innengewinde 11 abzutasten bzw. auszumessen.

Geht man gemäß Fig. 2 davon aus, daß der mittlere Abstand der jeweils paarweise diametral einander gegenüberliegenden Sensorelemente 16 und 18 bzw. 17 und 19 vom Innengewinde 11 des Werkstücks 12 die Werte SA 16 und SA 18 bzw. SA 17 und SA 19 besitzt und die senkrecht aufeinanderstehenden Paare der Sensorelemente sich in Y- und X-Richtung eines gedachten Koordinatensystems sich erstrecken, so ergibt sich für den gemessenen Durchmesser in X-Richtung

DX = SA 16 + SA 18 + KX + EXX + EXY

und in Y-Richtung

DY = SA 17 + SA 19 + KY + EYY + EYX,

wobei KX und KY die jeweilige Sensorkörper-Konstante in X- bzw. in Y-Richtung ist. Diese Sensorkonstante ist insbesondere abhängig vom tatsächlichen Durchmesser des Sensorkörpers 14 im Umfangsbereich der Sensorelemente 16 bis 19 in der betreffenden Richtung. Außerdem sind in den beiden Gleichungen Meßergebnisabweichungen EXX und EXY bzw. EYY und EYX aus möglichen Exzentrizitäten in X- und/oder Y-Richtung berücksichtigt, die dann getrennt oder gemeinsam auftreten, wenn die Rotationsachse des zylindrischen Sensorkörpers 14 und die des Innengewindes 11 bzw. der damit versehenen Bohrung nicht zusammenfallen.

Der gemessene tatsächliche Durchmesser des Innengewindes 11 ergibt sich daraus als arithmetischer Mittelwert zu

D = (DX + DY)/2,

wobei die genannten E-Werte unberücksichtigt bleiben können, da sie sich teilweise aufheben und hinsichtlich der verbleibenden Restgrößen vernachlässigbar sind.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung U der Sensorelemente in Abhängigkeit vom Verfahrweg Z des Sensors 13, hier am Beispiel der Spannungen U 16 und U 18 der beiden Sensorelemente 16 und 18. Daraus ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung sich innerhalb eines Gewindeganges quasi sinusförmig ändert, da der Abstand des Sensorelementes 16, 18 zum entsprechenden Auftreffpunkt am Gewinde, also entsprechend der geneigten Flanke des Innengewindes 11, größer bzw. kleiner wird. Mit anderen Worten der jeweils untere Scheitel der angenäherten Sinuswelle entspricht der Gewindespitze und damit im wesentlichen dem Kerndurchmesser des Innengewindes 11, während der jeweils obere Scheitel der angenäherten Sinuswelle dem Grund und damit im wesentlichen dem Außendurchmesser des Innengewindes 11 entspricht. Außerdem ist aus dieser Fig. 3 ersichtlich, daß der Sensorkörper 14 in der Weise sich zumindest in X-Richtung exzentrisch in der Innengewindebohrung bewegt, als das Sensorelement 18 dem Innengewinde 11 näher ist als das Sensorelement 16, so daß die Amplitude der Ausgangsspannung U 18 größer ist.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Amplitude A vom sogenannten mittleren Ordinatenabstand YQ anhand des Meßergebnisses vom Sensorelement 16. Der mittlere Ordinatenabstand YQ wird als arithmetischer Mittelwert des Abstandes des oberen und unteren Scheitels der Ausgangsspannung U 16 von der Abszisse ermittelt, oder allgemeiner als YQ=Σ Xi/n bei i=1 . . . n pro Sinuswelle.

Infolge der Abweichung der Axialität von Sensorkörper 14 und Innengewinde 11 ergibt sich die in Fig. 4 dargestellte Gerade durch an vier Sinuswellen oder -halbwellen ermittelten Punkten.

Aus den vorgenannten Zusammenhängen ist es gemäß Fig. 5 möglich, den Zusammenhang von mittlerem Ordinatenabstand YQ und Sensorabstand SA für jedes der induktiven Sensorelemente 16 bis 19 zu ermitteln. Die Parallelverschiebung der in Fig. 5 dargestellten, im wesentlichen geraden Gewindekennlinien ergibt sich aufgrund von Herstellungstoleranzen.

Die lineare Beziehung zwischen dem Sensorabstand A und dem mittleren Ordinatenabstand YQ, der gemäß Fig. 3 eine definierte Beziehung zur gemessenen Ausgangsspannung U des betreffenden Sensorelementes 16 bis 19 und eine definierte Beziehung zur Amplitude dieser Ausgangsspannung besitzt, ergibt, daß in die eingangs genannte Gleichung für den zu ermittelnden Durchmesser D des Innengewindes 11 der bei der Messung ebenfalls anfallende mittlere Ordinatenabstand YQ verwendet werden kann.

Während die Sensorkonstanten KX und KY durch Messungen am Sensor 13 vorab ermittelt werden können, verbleibt zu einer entsprechenden Beurteilung hinsichtlich der eingangs genannten Gleichung noch, ob bzw. inwieweit die Exzentrizitäten des Sensorkörpers 14 relativ zum Innengewinde 11 bei der Messung der Sensorabstände SA eine Abweichung EXX, EXY, EYY, EYX der Ausgangswerte der Sensorelemente 16 bis 19 ergeben. Fig. 6 zeigt bspw. in Abhängigkeit der Exzentrizität EXX und EXY den Abstand SA 16 des Sensorelementes 16, das also auf der X-Achse liegend in X- bzw. Y-Richtung versetzt ist. Entsprechendes gilt für die Exzentrizität EYY und die Exzentrizitäten EXY und EYX, bei der ein auf der X- bzw. Y-Achse liegendes Sensorelement in Y- bzw. in X-Richtung versetzt ist. Geht man davon aus, daß sich diese Exzentrizitäten auf die Abstände der anderen Sensoren in entsprechend umgekehrter Weise auswirken, so ergibt sich, daß sich bei der Bildung des arithmetischen Mittelwertes gemäß der o. g. Gleichung die Meßwertabweichungen wegen der Exzentrizitäten im wesentlichen aufheben, so daß eine Bestimmung bzw. Messung des Durchmessers des Innengewindes 11 mit Hilfe der Prüfvorrichtung 10 erreicht ist, die von der Größe einer möglicherweise vorhandenen Exzentrizität in X- und/oder Y-Richtung auch hinsichtlich vorhandener Meßwertabweichungen unabhängig ist.

Aus Fig. 7 läßt sich der tatsächliche Flankendurchmesser DF des Innengewindes 11 aus dem gemessenen Durchmesser D ermitteln. Diese Flankendurchmesserkennlinie ist für ein M 16-Innengewinde aufgetragen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Innengewinden an Werkstücken aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, mit einem in das zu prüfende Innengewinde einführbaren zylindrischen Sensorkörper und mit am freien Ende des Sensorkörpers umfangsseitig angeordneten, nach dem Wirbelstrom-Verlustprinzip arbeitenden induktiven Sensorelementen, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleichmäßig über den Umfang des Sensorkörpers (14) verteilt angeordnete induktive Sensorelemente (16-19) vorgesehen sind und daß die Summen der Ausgänge der versetzt angeordneten Paare von Sensorelementen (16-19) zur Bildung eines arithmetischen Mittelwertes verknüpft sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (SA) der Sensorelemente (16-19) vom Innengewinde (11) durch die ermittelten Werte der mittleren Ordinatenabstände YQ gegeben sind, die sich aus den Werten der Ausgangsspannungen der Sensorelemente ergeben.