DE3842318C2 - - Google Patents
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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.
Aus der DE 19 57 489 B2 ist eine Vorrichtung zum Prüfen von
Rohren auf Exzentrizität bekannt geworden, bei der Ringspulen
innerhalb des zu prüfenden Rohres verwendet werden, welche
Ringspulen mit einer Sekundärspule am Außenumfang des Rohres
zusammenwirken. Durch die Anordnung von Spulen an der Innen-
und an der Außenseite des Rohres ist diese Vorrichtung zur
Innengewindeprüfung nicht geeignet. Außerdem soll hier die
Exzentrizität des Rohres bestimmt werden, während bei der
Innengewindeprüfung die Exzentrizität der Anordnung des
Sensorkörpers innerhalb des Innengewindes nicht in die Messung
eingehen soll. Bei der bekannten Vorrichtung werden zwar zwei
Klemmenspannungen addiert und in einem Spannungsteiler
halbiert und aus diesem Wert wird dann mit einer
Differenzbildung der beiden Klemmspannungen ein Quotient
gebildet, jedoch erfolgt dies dazu, die Änderung der Wanddicke
eines Rohres zu erfassen.
Ferner ist durch die US-PS 34 95 166 eine Vorrichtung bekannt,
mit deren Hilfe Materialeinschlüsse in einer ebenen Platte
festgehalten werden sollen. Diese Vorrichtung besitzt Spulen,
deren Ausgangssignale beim Überfahren des Prüfgegenstandes in
einer Brückenschaltung miteinander verknüpft werden.
Entsprechendes gilt für eine bekannte Vorrichtung nach der DE
30 50 497 C2. Auch hier sind an einem Sensorkörper zur
Ausmessung von glatten Bohrungen (nicht Innengewindebohrungen)
zwei oder mehr Wicklungen vorgesehen, die in einer
Brückenschaltung miteinander verknüpft werden. Bestimmt werden
soll hier die Dicke eines Überzugs oder Fehler im betreffenden
Überzug.
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.
Dadurch kann, wenn eine Kennlinie an einem "Meisterstück" pro
Gewindetyp als Meßbezug verwendet wird, nicht nur eine
allgemein qualitative sondern eine zahlenmäßige Aussage über
den Durchmesser jedes einzelnen Gewindeganges des zu prüfenden
Innengewindes gemacht werden.
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 SA16 und SA18 bzw. SA17 und SA19
besitzt und die senkrecht aufeinanderstehenden Paare der
Sensorelemente sich in Y- und X-Richtung eines gedachten
Koordinatensystems erstrecken, so ergibt sich für den
gemessenen Durchmesser in X-Richtung
DX=SA16+SA18+KX+EXX+EXY
und in Y-Richtung
DY=SA17+SA19+KY+EYY+EYX,
wobei KX und KY die jeweilige Sensorkörper-Konstante in X-
bzw. in Y-Richtung ist. Diese Sensorkörper-Konstante 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 U16 und U18 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 U16 von der Abszisse ermittelt,
oder allgemeiner als
YQ=ΣUi/n bei i=1 . . . n pro Sinuswelle.
In Folge 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 SA 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 SA16 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
M16-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 beiden Summen der Ausgangssignale der
versetzt angeordneten Paare von Sensorelementen (16-19) zur
Bildung eines arithmetischen Mittelwertes verknüpft sind,
der ein Maß für den Durchmesser des zu prüfenden
Innengewindes darstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand (SA) eines Sensorelementes (16-19) pro
Gewindegang des Innengewindes (11) durch den ermittelten
Wert des mittleren Ordinatenabstands YQ pro Gewindegang
gegeben ist, der sich aus dem arithmetischen Mittelwert der
Werte der Ausgangsspannungen des Sensorelementes pro
Gewindegang ergibt.
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ID=6369273
Family Applications (1)
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