DE4013916A1 - Vorrichtung zum erkennen der form und beschaffenheit der mantelflaechen von bohrungen, bolzen oder stiften - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von Normteilen wie Gewinden, Kerbverzahnungen oder Keilwellenverzahnungen treten naturgemäß fehlerhafte Teile auf, etwa Muttern ohne Gewinde bzw. mit fehlerhaftem Gewinde oder Schrauben ohne Gewinde bzw. mit fehlerhaftem Gewinde. Derartige Teile lassen sich jedoch nur dann automatisch weiterverarbeiten, wenn sie fehlerfrei sind. Diese Forderung bedingt eine 100%-ige Prüfung der Teile gemäß den Vorgaben.

In der Zeitschrift "Industrieanzeiger" 108 (1986) 12, S. 34 u. 35 ist das berührungslose automatische Prüfen von Innengewinde mit induktiven Sensoren beschrieben. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht das Abtasten von Innengewindeprofilen. Ein induktiver Sensor, der nach dem Wirbelstromverlust-Prinzip arbeitet, kann zum Prüfen von Innengewinde mit einem Kerndurchmesser größer als 6 mm eingesetzt werden.

Während des Abtastvorganges wird der Sensor mit Hilfe einer pneumatisch angetriebenen vertikalen Vorschubeinheit mit konstanter Geschwindigkeit an einer Mantellinie am Gewindeprofil vorbeibewegt und das Ausgangssignal des Sensors in Abhängigkeit vom Verfahrweg des Sensors ermittelt. Die Meßdaten werden im Speicher eines Prozeßrechners abgelegt und gemäß einem programmierten Algorithmus verarbeitet. Als Ergebnis entsteht eine Profilkurve des untersuchten Gewindes, die am Terminal oder Plotter ausgegeben werden kann. Fehlerhafte, z. B. ausgebrochene Gewindegänge werden durch fehlende Spitzen der Profilkurve angezeigt. Die programmierten Auswertealgorithmen ermöglichen Prüfaussagen über das Vorhandensein des Gewindes, das Auftreten von Ausbrüchen, die Anzahl der Gewindegänge und das Abweichen von der Sollsteigung. Die genannten Prüfaussagen beziehen sich jedoch nicht auf die gesamte Mantelfläche, sondern, wie bereits erwähnt, nur entlang einer abgetasteten Mantellinie. Sollen die Prüfergebnisse Rückschlüsse auf die gesamte Mantelfläche des Gewindes zulassen, müssen mehrere Mantellinien nacheinander abgetastet werden.

Es ist ohne weiteres erkennbar, daß diese Meßmethode zeitaufwendig ist und eine komplizierte Meßapparatur benötigt.

Der Aufwand ließe sich reduzieren, wenn die Auswertung auf das Vorhandensein des Gewindes sowie auf das Auftreten von Gewindeausbrüchen beschränkt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine vereinfachte Meßvorrichtung zum Erkennen der Form und Beschaffenheit der Mantelfläche von Bohrungen, Bolzen oder Stiften zu schaffen, beispielsweise zum Erkennen von Gewinden oder fehlerhaften Gewinden, die mit einem Meßvorgang auskommt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung nutzt die Beeinflussung der Parameter einer Spule durch die Gesamtheit der Geometrie einer umgebenden metallischen Mantelfläche im Nahbereich des Spulenfeldes. Unter diesen Voraussetzungen erzeugt die erfindungsgemäße Vorrichtung in Abhängigkeit von Form und Beschaffenheit der zu untersuchenden Mantelfläche im Nahbereich unterschiedliche Signale. So werden sich beispielsweise bei der Prüfung von Gewindebohrungen bei einem ordnungsgemäßen Gewinde andere Parameter einstellen als bei einem Gewinde mit fehlerhaften Gewindegängen bzw. bei nicht vorhandenen Gewinden. Das gleiche gilt für die Prüfung von Schrauben oder Keilwellen. Durch Kalibrieren der Vorrichtung mit Hilfe einer ordnungsgemäßen Probe lassen sich davon abweichende Spulenparameter im Meßbetrieb fehlerhaften Teilen zuordnen. Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Arbeitsgang Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der gesamten Mantelfläche zuläßt, ergibt sich eine Verkürzung des Zeitaufwandes für die Messung. Die Auswertung der Spulenparameter erlaubt Prüfaussagen über ein vorhandenes oder nicht vorhandenes Gewinde, über ein ordnungsgemäßes oder nicht ordnungsgemäßes Gewinde, beispielsweise über ausgebrochene Gewindegänge oder über eine vorhandene oder nicht vorhandene Keilnut einer Welle oder Bohrung.

Die Erfindung kommt mit einer einfachen Meßapparatur zur Auswertung der Spulenparameter aus. Im einfachsten Fall kann die Auswertung mit Hilfe einer Triggerstufe erfolgen, die eine oder mehrere Schaltschwellen enthält.

Das Abtastelement ist Bestandteil eines stiftförmigen Teils zum Abtasten von Bohrungen bzw. eines buchsenförmigen Teils zum Abtasten von stift- oder bolzenartigen Werkstücken. Das Abtastelement wird vor jeder Meßreihe mit einer geprüften Probe geeicht. Durch Eintauchen der Spule in die Bohrung, bzw. des Werkstückes in die Spule, werden sich solange im Rahmen zulässiger Toleranzen gleiche Ausgangssignale einstellen, wie die geprüften Werkstücke mit der Probe übereinstimmen. Die Spulenparameter der gemessenen Werkstücke können mit den Spulenparametern der Probe verglichen werden, wobei der Grad der Abweichungen Rückschlüsse auf die Art des Fehlers zuläßt. So liefert beispielsweise ein nicht vorhandenes Gewinde andere Meßergebnisse als ein zwar vorhandenes aber fehlerhaftes Gewinde (ausgebrochene Gewindegänge).

Die Meßergebnisse lassen sich dann direkt einem Fehlertyp zuordnen, wenn das Abtastelement neben der geprüften fehlerfreien Probe auf weitere verschiedene Fehler aufweisende Proben geeicht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung enthält das Abtastelement eine Spule, die den einen Zweig einer Induktivitätsbrücke bildet. Der andere Zweig muß so angeordnet werden, daß er in keiner Weise durch die zu untersuchenden Werkstücke beeinflußt wird. Durch Eintauchen der Spule in die Bohrung erfolgt eine Verstimmung der Brücke, die durch einen nachgeschalteten Verstärker ausgewertet wird. Beim Eintauchen der Spule, beispielsweise in Bohrungen unterschiedlicher Form und Beschaffenheit, wird sich eine unterschiedliche Verstimmung ergeben, die in einem dem Verstärker nachgeschalteten Detektor ausgewertet werden kann, d. h. es kann bedeuten, daß bei großer Verstimmung in einer Gewindebohrung kein Gewinde geschnitten ist, bei kleiner Verstimmung das Gewinde vorhanden ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Spule des Abtastelementes als Teil eines Oszillators ausgebildet sein, dessen Ausgangsfrequenz mit der Frequenz eines Referenzoszillators verglichen wird. Aus der Differenz der Frequenzen kann ein Unterschied in der Form oder Beschaffenheit des zu untersuchenden Werkstückes abgeleitet werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läßt sich die Spule mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis zusammenschalten, der ein Teil eines PLL-Systems (Phase Locked Loop) bildet. Das System besteht aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der über einen Pufferverstärker an den Schwingkreis angekoppelt ist. Die am Schwingkreis entstehende Spannung liegt an einem Eingang eines Phasendetektors, dessen zweiter Eingang an den spannungsgesteuerten Oszillator angeschlossen ist. Der Ausgang des Phasendetektors ist über einen Regelverstärker mit dem Steuereingang des VCO (Voltage Controlled Oszillator) verbunden. Beim Eintauchen der Spule, beispielsweise in Bohrungen mit unterschiedlicher Form und Beschaffenheit, wird die Spannung am Ausgang des Regelverstärkers unterschiedliche Werte annehmen. Diese unterschiedlichen Spannungswerte können zur Identifizierung unterschiedlicher Beschaffenheit von Bohrungen herangezogen werden, z. B. Gewinde vorhanden/nicht vorhanden, Keilnut vorhanden/nicht vorhanden.

Nachfolgend sind mehrere Ausführungen der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, mit einem als Innenteil ausgebildeten Abtastelement,

Fig. 2 eine andere Vorrichtung, mit einem als Außenteil ausgebildeten Abtastelement,

Fig. 3 eine erste Schaltungsanordnung für das Abtastelement, bestehend aus einer Induktivitätsbrücke,

Fig. 4 eine weitere Schaltungsanordnung mit einem Oszillator,

Fig. 5 eine dritte Schaltungsanordnung mit einem Schwingkreis.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein induktives Abtastelement 6, das aus einem zylindrischen Teil 7 und einem stiftartigen Teil 8 besteht. Der stiftartige Teil 8 enthält eine Spule 9 mit Ferritkern, die Bestandteil der elektrischen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3, 4 oder 5 für das Abtastelement ist. Die Spule wird für alle nachfolgenden Beispiele mit der gleichen Bezugsziffer 9 bezeichnet. Die übrige Schaltungsanordnung befindet sich in dem zylindrischen Teil 7. Das Abtastelement 6 kann in eine nicht dargestellte horizontale Vorschubeinrichtung oder, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, in ein Folgeschnittwerkzeug eingebaut und über die Leitung 10 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Auswertegerät verbunden werden. Mit der Vorschubeinrichtung läßt sich das Abtastelement 6 zum Messen mit seinem stiftartigen Teil 8 in das zu untersuchende Werkstück 11, im Ausführungsbeispiel in eine Gewindebohrung 12, eintauchen. Die Spule 9 ist in Längsrichtung in den stiftartigen Teil 8 eingebettet und erzeugt ein gleichmäßig um den stiftartigen Teil verteiltes elektromagnetisches Feld, welches mit der Mantelfläche der Gewindebohrung 12 in Wirkverbindung steht und je nach der Geometrie der zu untersuchenden Mantelfläche eine unterschiedliche Beeinflussung der Spulenparameter bewirkt. Da eine mit vertretbarem Aufwand durchführbare Auswertung der Beeinflussung der Spulenparameter durch das umgebende Metall nur im Nahbereich des Spulenfeldes möglich ist, sind für unterschiedliche Gewindebohrungen entsprechende, passende stiftartige Teile 8 vorzusehen. Dabei ist davon auszugehen, daß der stiftartige Teil 8 mit geringem Spiel in die Gewindebohrung 12 nach Art einer Spielpassung eintaucht, also gewissermaßen das Innenteil der Passung bildet, ohne die Mantelfläche der Gewindebohrung zu berühren. Zur Zeit können Abtastelemente 6 wirtschaftlich bis zu einem kleinsten Gewinde M 2,6 eingesetzt werden. Für noch kleinere Gewinde bzw. Bohrungen sind letzten Endes Fertigungsverfahren zur Herstellung entsprechend kleiner Spulen 9 sowie Justiermöglichkeiten zum berührungslosen Eintauchen in das Werkstück ausschlaggebend.

Das Abtastelement 6 eignet sich besonders zum Abtasten von Stanzstreifen mit Gewindebohrungen zum Herstellen von Stanzteilen mit Hilfe eines Folgeschnitt- oder Verbundwerkzeuges. Das Abtastelement 6 läßt sich beispielsweise im Werkzeug-Oberteil an einer Stelle einbauen, an der die Arbeitstufe "Gewindebohren" bereits erfolgt ist und bei der in einer nächsten Arbeitsstufe gleichzeitig der stiftartige Teil 8 in die Gewindebohrung 12 eintaucht. Auf diese Weise kann bereits unmittelbar nachdem der Stanzstreifen das Werkzeug verlassen hat, festgestellt werden, ob alle Gewinde ordnungsgemäß gebohrt sind oder ob ein oder mehrere Gewinde fehlerhaft bzw. nicht gebohrt sind. Das bedeutet in der Regel, daß entsprechende Gewindebohrer verschlissen oder abgebrochen ist. Das Werkzeug kann dann sofort stillgesetzt und repariert werden, ohne daß unnötig fehlerhafte Teile produziert werden.

Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein zylindrisches Abtastelement 13, das eine konzentrische Aufnahme 14 für das Werkstück, im Ausführungsbeispiel eine Schraube 15, aufweist. Um die Aufnahme herum ist die Spule 9 angeordnet, z. B. in die Wandung der Aufnahme 14 eingebettet. Ein Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht darin, daß das Abtastelement 13 als Außenteil einer mit dem Werkstück 15 zusammenwirkenden Passung ausgebildet ist. Im übrigen ist die Wirkungsweise gleich der Wirkungsweise der Ausführung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine Schaltungsanordnung für das Abtastelement 6, 13. Es handelt sich um eine Induktivitätsbrücke, die in einem ersten Zweig die Sensorspule 9 in Serie mit einer Referenzinduktivität 16 und im anderen Zweig eine Serienschaltung zweier Impedanzen, beispielsweise ohmsche Widerstände 17, 18 zur Erzeugung eines Bezugspotentials enthält, wobei beide Brückenzweige miteinander verbunden und an eine Wechselspannungsquelle 19 angeschlossen sind.

Die unterschiedliche Beeinflussung der Sensorspule 9 durch die Geometrie der Mantelflächen der Werkstücke 11, 15 wird als Verstimmung der Brücke durch den Detektor 20 erkannt, der an die Mittenpunkte der Brückenschaltung angeschlossen ist.

Die Fig. 4 der Zeichnung zeigt eine andere Schaltungsanordnung für das Abtastelement 6, 13, bestehend aus einem freischwingenden Oszillator 21, der als frequenzbestimmendes Element die Sensorspule 9 enthält. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators 21 wird mit einer stabilen Referenzfrequenz eines Referenzoszillators 22 in einer Vergleicherschaltung 23 verglichen. Die Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung 23 ist abhängig von der Differenz der Frequenzen am Eingang der Schaltung. Durch die unterschiedlichen Geometrien der zu untersuchenden Mantelflächen wird die Oszillatorspule 9 unterschiedlich beeinflußt, was unterschiedliche Frequenzen des Oszillators 21 zur Folge hat. Die Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung 23 ist also abhängig von den Geometrien der Mantelflächen.

Die Fig. 5 der Zeichnung zeigt eine weitere Schaltungsanordnung für das Abtastelement 6, 13, bestehend aus dem Schwingkreis 9, 24, dem Puffer 25 und einer PLL- Schaltung (Phase-Locked-Loop) 26, die aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 27, einem Phasendetektor 28 und einem Regelverstärker 29 besteht. Der Schwingkreis 9, 24 wird über den Puffer 25 mit der Frequenz des VCO 27 angeregt. Die Phasendifferenz der Schwingung des Schwingkreises 9, 24 erzeugt am Ausgang des Phasendetektors 28 eine Spannung, die über den Verstärker 29 den Steuereingang des VCO 27 beeinflußt. Die Schaltungsanordnung stellt einen Regelkreis dar, der einer festen vorgegebenen Phasendifferenz, z. B. 90 Grad zustrebt. Die Phasendifferenz zwischen der Schwingung des VCO 27 und der Schwingung des Schwingkreises 9, 24 ist abhängig von der Beeinflussung der Sensorspule 9 durch die unterschiedlichen Mantelflächen der zu untersuchenden Werkstücke 11, 15. Die unterschiedlichen Steuerspannungen am Steuereingang des VCO 27, die das System in die vorstehend genannte Endlage steuern, sind ein Maß für die Größe der Beeinflussung der Sensorspule 9 durch die Mantelflächen der Werkstücke 11, 15.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erkennen der Form und Beschaffenheit der Mantelfläche von zylindrischen metallischen Werkstücken wie Bohrungen, Bolzen oder Stiften mit Hilfe eines induktiven berührungslös wirkenden Abtastelementes, welches an der zu untersuchenden Mantelfläche entlanggeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (6, 13) und das Werkstück (11, 15) nach Art einer Passung mit Spiel zusammenwirken, wobei das Abtastelement (6, 13) als Innenteil oder Außenteil ausgebildet ist und konzentrisch zur Mantelfläche des Werkstückes geführt ist und wenigstens eine Spule (9) enthält, die ein um die Mantelfläche des Abtastelementes verteiltes elektromagnetisches Feld erzeugt, welches mit der Mantelfläche des Werkstückes in Wirkverbindung steht und eine Beeinflussung der Parameter der Spule (9) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) einen Zweig einer Induktivitätsbrücke bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) als Teil eines Oszillators (21) ausgebildet ist, dessen Ausgangsfrequenz mit der Frequenz eines Referenzoszillators (22) verglichen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) mit einem Kondensator (24) zu einem Schwingkreis zusammengeschaltet ist, der einen Teil eines Phase-Locked-Loop-Systems (PLL-System) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (9, 24) über einen Pufferverstärker (25) an einen spannungsgesteuerten Oszillator (27) (VCO) angekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (6) einen stiftartigen Teil (8) mit der Spule (9) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (13) eine Aufnahme (14) für das Werkstück (15) aufweist.