DE69005684T2

DE69005684T2 - Ultraschallüberwachungsfühler sowie dessen Anwendung zur Überwachung von Werkstücken, deren Konturen sich während der Fabrikation verändern.

Info

Publication number: DE69005684T2
Application number: DE69005684T
Authority: DE
Inventors: Michel Floret
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: FR2647904A2; ES2049937T3; DE69005684D1; EP0392881B1; US5067352A; EP0392881A1; CA2009112A1; FR2647904B2; CA2009112C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überwachungsfühler, der mit Ultraschallfühlern, die durch Reflexion funktionieren, ausgestattet ist und die Überwachung von Werkstücken ermöglicht, die irgendeine, im allgemeinen nicht einheitliche Form besitzen, wie etwa Platten aus Verbundmaterial.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf die Verwendung eines derartigen Überwachungsfühlers bei der Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Überwachungen an gut definierten Punkten dieser Werkstücke, deren Form sich im Verlauf der Herstellung ändert.
Die Verwendung von Werkstücken aus Verbundmaterial hat sich in den letzten Jahren beträchtlich entwickelt, insbesondere in der Luftfahrt-, Raumfahrt-, Fahrzeug-, Schiffahrts- und Eisenbahnindustrie. Diese Entwicklung erklärt sich hauptsächlich durch die beträchtliche Gewichtsersparnis von dadurch ermöglichten Strukturen und durch die Möglichkeit, mit diesen Materialien durch Formung komplexe Formen zu gewinnen.
Es ist festzustellen, daß Werkstücke aus Verbundmaterial meist hergestellt werden durch ein Flachstreckverfahren mehrerer übereinandergelagerter Bündel oder Fasern, die durch Harz-lmprägnierung jeder Faser gebildet werden. Erfindungsgemäß können die Fasern in gleicher Weise aus Kohlenstoff, Glas, Kevlar etc. sein. Das die Matrix des Verbundmaterials bildende Harz ist im allgemeinen ein wärmehärtbares Harz, das bei Temperaturerhöhung polymerisiert. Diese Polymerisation kann insbesondere während eines letzten Formschrittes, in dessen Verlauf man dem Werkstück seine endgültige Form gibt, erhalten werden.
Trotz der vorstehenden Vorteile können die hergestellten Werkstücke aus Verbundmaterial bestimmte Mängel besitzen, die sich aus der besonderen Struktur der Materialien ergeben. Diese Mängel beruhen auf der unzureichenden Haftung zwischen den Fasern, wodurch sich mehr oder weniger ausgedehnte Luft- oder Gastaschen ergeben. Sie übertragen sich auf die fertigen Werkstücke entweder durch eine bestimmte Porosität der Werkstücke, wenn die Taschen klein und im gesamten Volumen verteilt sind oder durch ein Delaminierung genanntes Phänomen, wenn sich die Lufttaschen größeren Ausmaßes zwischen benachbarten Schichten des Materials bilden.
Der Nachweis dieser Mängel in den fertigen Werkstücken ist ein notwendiger Arbeitsschritt zur Klassifizierung dieser Werkstücke.
Desweiteren ist es während der Herstellung vorteilhaft, die Entwicklung von Fehlern und der Dicke des Werkstückes in dem Maße überwachen zu können, in dem seine Form sich ändert. Tatsächlich kann man durch diese Überwachung die Formgebung ausgehend von einem flachgestreckten Werkstück optimieren.
Um die nicht zerstörende Überwachung von Werkstücken aus Verbundmaterial durchzuführen, mußten Originaltechniken entwikkelt werden, da die herkömmlichen Überwachungstechniken für metallische Werkstücke, wie die Techniken mit Foucault-Strömen nicht für derartige Werkstücke anwendbar waren. Diese Überwachungstechniken für Werkstücke aus Verbundmaterial beruhen auf der Verwendung von Ultraschallfühlern oder -wandlern, die gewöhnlich bei einer Frequenz zwischen 0,5 und 15 MHz funktionieren.
Insbesondere im Fall der Überwachung von Werkstücken mit komplizierter Form verwendet man ein Verfahren mit Reflexion, in dem der Ultraschallwandler gleichzeitig als Sender und Empfänger verwendet wird. Der Wandler wird gegenüber der aberfläche des Werkstückes angeordnet, er nimmt das von dieser Oberfläche und von der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes zurückgeworfene Echo wieder auf, wie etwa das sich durch eine etwaige Delaminierung ergebende Echo. So ist es möglich, die Dicke des Werkstückes punktuell zu überwachen und Delaminierungsfehler ebensowie den Ort und das Ausmaß dieser Fehler zu ermitteln. Darüberhinaus kann durch Messung der Abschwächung des von der gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes zurückgeworfenen Echos, das den Ultraschallwellen entspricht, die die Dicke dieses Werkstückes zweimal durchquert haben, die Porosität der Struktur ermittelt werden.
Wie alle Techniken zur Ultraschallüberwachung besitzt dieses Verfahren durch Reflexion den Nachteil, daß es ein punktuelles Verfahren ist, so daß die Überwachung einer großen Oberfläche mit Hilfe eines einzigen Wandlers einen langdauernden und beschwerlichen Arbeitsschritt darstellt. Die Reduzierung der Überwachungszeit durch Anordnung mehrerer Wandler wie bei der Überwachung eines ebenen oder gleichmäßig gekrümmten Werkstückes war bei Überwachung von Werkstücken mit einer nichteinheitlichen Form, wie es häufig der Fall ist bei Werkstücken aus Verbundmaterial, welches gerade den Vorteil hat, die Herstellung derartiger Werkstücke zu ermöglichen, bis jetzt nicht möglich.
Tatsächlich erfordert die Technik der Reflexionsüberwachung eine relativ genaue Anordnung von Wandlern senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes, so daß das von diesem letzteren zurückgeworfene Echo von dem Wandler gut aufgenommen wird. Wogegen diese Forderung relativ leicht für einen einzigen Wandler oder für eine Gruppe aus gegenüber einer ebenen oder gleichmäßig gekrümmten Oberfläche angeordneten Wandlern erfüllt werden kann, so stellt dies ein Problem dar, das bis jetzt nicht überwunden werden konnte, wenn man mehrere Wandler zur Überwachung von Werkstücken mit einer nicht gleichmäßigen Form umgruppieren wollte.
Eine noch größere Schwierigkeit hat die Überwachung eines Werkstückes, dessen Form sich im Verlauf seiner Herstellung ändert, mit Hilfe eines solchen Überwachungsfühlers mit mehreren Wandlern bis jetzt ebenso verhindert. Tatsächlich kommt in diesem Fall zur Notwendigkeit der Anpassung an die Formentwicklung des Werkstückes die Schwierigkeit hinzu, Überwachungen an Punkten durchzuführen, die bei modifizierter Form unverändert bleiben.
Diese Schwierigkeit ist insbesondere in der Druckschrift DE- A-2 926 182 dargestellt, wobei ein Ultraschallwandler mehrere zwischen einem Dämpfungsglied und einem Anpassungsglied angeordnete piezoelektrische Plättchen enthält. Der Aufbau hat die Form einer verformbaren Leiste aus einem elastischen Material.
Es ist daher genau Aufgabe der Erfindung, einen Überwachungsfühler mit neuer Bauart zur Verfügung zu stellen, wobei mehrere Ultraschallwandler so umgruppiert werden, daß sich jeder Wandler annähernd senkrecht zur Oberfläche des zu überwachenden Werkstückes befindet und Stellen überwacht, deren Abstand voneinander unverändert bleibt, unabhängig von der Form dieser Oberfläche und der zeit- und raumabhängigen Entwicklung dieser Form.
Diese Hauptaufgabe der Erfindung wird mit einem aschallüberwachungsfühler für Werkstücke jeder Form nach Anspruch 1 gelöst.
Vorzugsweise ist jeder Wandler lösbar an der Leiste mit abnehmbaren Befestigungsvorrichtungen angebracht, um zu vermeiden, die ganze Leiste auswechseln zu müssen, wenn einer der Wandler nicht mehr richtig funktioniert, wenn etwa die Zahl und/oder die Eigenschaften der Wandler modifiziert werden müssen.
Vorteilhafterweise umfassen diese abnehmbaren Befestigungsvorrichtungen Keilverbindungselemente wie Schrauben, die die Leiste durchlaufen und deren Enden in Löcher eindringen, die in den Seitenflächen eines Mantelgehäuses eines jeden Wandlers gebildet sind.
Zusätzlich zu den Keilverbindungselementen umfassen die Befestigungsvorrichtungen vorzugsweise für jeden Wandler ein Verbindungselement wie einen metallischen Draht, der die Enden der zwei Teile jedes Zahns der Leiste zwischen denen sich der Wandler befindet, verbindet.
Damit jeder Wandler in Bezug auf ein Bezugssystem, das mit einem den Überwachungsfühler haltenden Träger verbunden ist, vollständig geometrisch justiert werden kann, umfaßt der Überwachungsfühler außerdem ein Drehgelenksystem, das die verformbare Leiste trägt und zwei Drehachsen definiert, von denen ein Schnittpunkt auf einer Achse des mittleren Wandlers in der Nähe der Fläche des Werkstückes liegt, auf dem die Schuhe in Anlage sind.
Je nach Beschaffenheit des zu überwachenden Werkstückes können die von der Leiste getragenen Wandler identisch oder nicht identisch sein. In diesen zwei Fällen sind sie vorteilhafterweise mit Multiplex-Vorrichtungen verbunden, die die aufeinanderfolgende Überwachung jedes Bereichs des gegenüber jedem Wandler befindlichen Werkstücks ermöglichen. Durch Verwendung von in der Leiste derart angebrachten Wandlern, daß sie Ultraschallichtbündel aus senden, die sich gegenseitig berühren, kann man so durch Abtasten mit Hilfe eines einzigen Wandlers ein Werkstück großer Dimension und veränderlicher Form in einer stark verkürzten Zeit im Vergleich zur Überwachung derartiger Werkstücke überwachen.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Anwendung dieses Überwachungsfühlers zur Durchführung mehrerer aüfeinanderfolgender Kontrollen von Werkstücken, deren Form sich im Verlauf der Herstellung ändert, ausgehend von einem ursprünglichen, annähernd ebenen Zustand. Für diese Anwendung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das aus folgenden Schritten besteht:
- Bestimmung von in einem vorbestimmten Koordinatensystem verteilten Überwachungspunkten, des im ursprünglichen Zustand befindlichen werkstücks und
- Überwachung des Werkstückes in seinem ursprünglichen Zustand, dann zumindest einmal im Verlauf der Herstellung mit Hilfe eines einzigen erfindungsgemäßen Ultraschall- Überwachungsfühlers, durch Ausrichtung der Wandler-Achsen des Überwachungsfühlers mit den zu überwachenden Punkten.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand nicht einschränkender Beispiele und unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht ist, die einen erfindungsgemäßen Ultraschall-Überwachungsfühler zeigt, wobei die Ansicht eine Unteransicht ist, d.h. von der dem zu überwachenden Werkstück zugewandten Seite des Fühlers,
Fig.2 eine perspektivische Ansicht des Überwachungsfühlers von Fig. 1 in Draufsicht ist,
Fig.3 eine perspektivische Ansicht ist, die die verformbare Leiste in Kammform zeigt, auf der normalerweise die Ultraschall-Wandler des Überwachungsfühlers der Fig. 1 und 2 angeordnet sind;
Fig.4 eine Seitenansicht ist, die die Verwendung des erfindungsgemäßen Überwachungfühleres zur Überwachung einer Platte aus Verbundmaterial mit nicht einheitlicher Form schematisch zeigt.
Fig. 5A und 5B perspektivische Ansichten sind, die die Durchführung von aufeinanderfolgenden Kontrollen einer Platte aus Verbundmaterial jeweils in ihrem ursprünglichen ebenen Zustand und dann in einem anderen Herstellungszustand mit einer unterschiedlichen Form mit Hilfe des Überwachungsfühlers der Fig.1 schematisch zeigen, und
Fig.6 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die den mittleren Teil einer verformbaren Leiste zeigt, auf der die Wandler lösbar angebracht sind.
In den Fig. 1 bis 5 wird der erfindungsgemäße Überwachungsfühler allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dieser Überwachungsfühler 10 umfaßt im wesentlichen eine verformbare Leiste 12 und ein Drehgelenksystem 14, das die Leiste 12 trägt und dessen Änbringung an einem Träger, dessen Ende in der Fig. 4 mit 16 bezeichnet ist, ermöglicht.
Die verformbare Leiste 12, deren Struktur im folgenden detailliert beschrieben wird, trägt eine Reihe von Ultraschall- Wandlern 18, die in Längsrichtung der Leiste ausgerichtet sind. Jeder dieser Wandler 18 kann unabhängig von den anderen eine Reflexionsmessung mit Hilfe eines herkömmlichen (nicht gezeigten) elektronischen Kreises, der nicht im Erfindungsumfang enthalten ist, über ein (nicht gezeigtes) Multiplex-System ausführen, das es ermöglicht, daß jeder Wandler der Reihe nach die Überwachung des Bereiches des gegenüber diesem Wandler befindlichen Werkstückes durchführt.
Die Struktur der Wandler 18 ist nicht Teil der Erfindung. Es ist jedoch zu bemerken, daß jeder der Wandler ein Ultraschallwellen aussendendes piezoelektrisches Plättchen umfaßt, hinter dem ein Dämpfungsglied und vor dem ein Relais angeordnet ist. Ein so aufgebauter Ultraschallwandler besitzt im allgemeinen eine zylindrische Anordnung und seine Achse muß annähernd senkrecht zur Oberfläche des zu überwachenden Werkstückes ausgerichtet sein, damit das von dem piezoelektrischen Plättchen ausgesandte und von dem Werkstück reflektierte Ultraschallecho zu diesem Wandler zurückläuft.
Damit mit der Ausrichtung der in der Leiste 12 angebrachten Wandler 18 die Durchführung einer Abtastung des gesamten gegenüber dieser Leiste befindlichen Bereichs ermöglicht wird, sind diese Wandler vorzugsweise derart in der Leiste angebracht, daß sie Ultraschall-Lichtbündel aussenden, welche sich gegenseitig berühren. Zu diesem Zweck und wie Fig. 1 zeigt, sind in jedem Wandler ebene Seitenflächen 18a, die parallel zueinander sind, eingearbeitet und erstere sind in der Leiste 12 derartig angebracht, daß die dem zu überwachenden Werkstück zugewandten Enden der Wandler praktisch über diese Flächen 18a miteinander in Kontakt stehen.
Es ist festzustellen, daß die Wandler 18, je nach durchzuführender Überwachungsart identische Eigenschaften oder, im Gegensatz dazu, voneinander verschiedene Eigenschaften besitzen können.
Wie in Fig. 3 besser dargestellt, besitzt die Leiste 12, die die Wandler 18 trägt, annähernd die Form eines Kammes, der aus einem elastischen Material besteht. Die untere Fläche der Leiste, die dem zu überwachenden Werkstück zugewandt ist, und auf der die Endflächen jedes Wandlers 18 ausgerichet sind, besitzt in Ruhestellung eine bestimmte Krümmung oder Biegung, beispielsweise mit unendlichem Radius (d.h. eben). Diese untere Fläche ist auf dem Verbindungszweig des durch die Leiste gebildeten Kammes ausgebildet, während die Zähne dieses Kammes, die vom Verbindungszweig aus nach hinten vorstehen, jeweils einen der Wandler 18 tragen. Diese Anordnung erlaubt eine elastische Verformung der Leiste mit Ausnahme ihrer obigen Ruhestellung, wodurch der unteren Fläche der Leiste eine variable Krümmung mitgegeben werden kann, die sich der Krümmung des zu überwachenden Werkstückes anpassen kann, wie aus dem Nachstehenden ersichtlich ist. Diese Verformung kann in einem bestimmten Krümmungsbereich liegen, z.B. zwischen einer Ruhekrümmung mit unendlichem Radius und einer Maximal-Verfor mungskrümmung mit einem Radius von annähernd 300 mm, in konkaver Richtung.
In der Praxis wird das Material des Kammes 12 so ausgewählt, daß der Leiste die gewünschte Elastizität verliehen wird und gleichzeitig ein wirksamer Halt der Wandler durch Verkleben und eine zufriedenstellende Dichtigkeit der elektrischen Verbindungen zwischen den Wandlern und den elektrischen Anschlußdrähten 20 (Fig.2), durch die die Wandler mit dem angeschlossenen elektronischen Kreis verbunden sind, sichergestellt wird. Vorteilhafterweise verwendet man zu diesem Zweck ein Kunststoffmaterial, z. B. auf Silikon-Grundlage.
Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, ist die verformbare Leiste 12 mit Kontaktschuhen 22 und 24 ausgestattet, die in Längsrichtung auf dieser verteilt sind. Diese Schuhe 22, 24 sind zur Auflage auf der Oberfläche des zu überwachenden Werkstückes geeignet, so daß der Leiste eine mit der Krümmung dieser Oberfläche vergleichbare Krümmung verliehen wird, mit der Maßgabe, daß diese Krümmung in dem für die Leiste annehmbaren Krümmungsbereich liegt.
In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen diese Kontaktschuhe zwei Schuhe mit einem U-förmigen Ende 22, die an jedem Ende der Leiste 12 aufsteckbar angebracht sind. Darüberhinaus sind zwei seitliche Schuhe 24 mit kreissektorförmigem Querschnitt in der Mitte jeder Seite der Leiste 12 angebracht, wobei ihre zylindrischen Flächen der Außenseite zugewandt sind und deren Achsen senkrecht zur unteren Fläche der Leiste ausgerichtet sind. Die Schuhe 22 und 24 sind auf der Leiste 12 auswechselbar angebracht und stehen über die untere Fläche der letzteren mit gleicher Länge hinaus. Diese auf einige Millimeter begrenzte Länge ist einstellbar.
Mit der Maßgabe, daß die Kontaktschuhe 22 und 24 längs der Leiste 12 verteilt sind, wenn alle diese Schuhe auf der Oberfläche des zu überwachenden Werkstückes aufliegen, zeigt dies, daß die Krümmung der unteren Fläche der Leiste annähernd die gleiche ist wie die Krümmung des Bereichs des Werkstückes, das sich gegenüber dem Überwachungsfühler befindet. Man stellt somit praktisch sicher, daß die Achse jedes Wandlers 18 annähernd senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes ist, das sich gegenüber diesem Wandler befindet und daß der Abstand zwischen dem Ende jedes Wandlers und der gegenüberliegenden Oberfläche für jeden Wandler praktisch der gleiche ist. So sind die Betriebsbedingungen jedes Wandlers 18 von einem Ende der Leiste zum anderen identisch, selbst wenn sich die Krümmung des Werkstückes ändert. Folglich ermöglicht der erfindungsgemäße Überwachungsfühler die Durchführung von Messungen mit praktisch einheitlichen Bedingungen für jeden Wandler und auf jeder Oberfläche des Werkstückes.
Darüberhinaus befindet sich das Ende der Wandler nahe genug an der Oberfläche des Werkstückes, um anzunehmen, daß die Abstände, die die Schnittpunkte der Wandler-Achsen mit der Oberfläche des Werkstückes trennen, unabhängig von der Form des Werkstückes annähernd konstant oder unveränderlich sind. Diese Eigenschaft ist für die Verwendung der Erfindung, die nachstehend in Bezug auf Fig. 5A und 5B beschrieben wird, insbesondere nützlich.
Wie Fig. 1, 2 und 4 gut zeigen, umfaßt das Drehgelenksystem 14, mit dem die Leiste 12 am Ende des Trägers 16 angebracht ist, eine Halterung 26, die zur Befestigung am Ende des Trägers 16 vorgesehen ist, ein Zwischenstück 28 und einen Rahmen 30.
Die Halterung 26 wirkt mit dem Zwischenstück 28 durch zwei jeweils konkave und konvexe Drehflächen 26a und 28a (Fig. 2) zusammen, die dem Zwischenstück 28 einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich der Halterung 26 um eine Drehachse XX' senkrecht zur im allgemeinen vertikalen Achse ZZ' des Endes des Trägers 16 verleiht. Es ist festzustellen, daß diese Rotationsachse XX' in einer durch die Achsen jedes Wandlers 18 und durch die Achse ZZ' verlaufenden Ebene liegt.
An jeder Seite der Halterung 26 und des Zwischenstückes 28 stehen senkrecht zu den Achsen XX' und ZZ' Verankerungsstifte 26b, 28b vor, in die zwei Rückholfedern 32 eingesetzt sind, die die Wirkung haben, das Zwischenstück 28 normalerweise in einer mittleren Ruhestellung zu halten, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Das Zwischenstück 28 überlappt mit dem Rahmen 30 und wirkt mit diesem auf beiden Seiten des Rahmens durch jeweils konkave und konvexe komplementäre Drehflächen 28c und 30c zusammen. Diese Drehflächen 28c und 30c definieren eine zweite Drehachse YY', die orthogonal zu der Achse XX' ist und in Figur 2 erscheint.
Nach einem insbesondere interessanten Gesichtspunkt der beschriebenen Ausführungsform schneiden sich die Achsen XX', YY' und ZZ' im gleichen Punkt 0, der sich in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes befindet, an dem die Schuhe 22 und 24 in Auflage sind (Fig. 4). Genauer gesagt, befindet sich dieser Punkt 0 in der Mitte eines durch die Schnittpunkte der Achse des mittleren Wandlers mit der Oberfläche des Werkstückes, auf dem die Schuhe 22 und 24 in Auflage sind, gebildeten Segments, jeweils wenn die Leiste ihre Ruhekrümmung und ihre Maximalverformungskrümmung einnimmt.
Wenn die Ruhekrümmung der Leiste einem unendlichen Radius entspricht, die Maximalverformungskrümmung einem Radius von etwa 300 mm entspricht und wenn man einen Überwachungsfühler mit 15 Meßzellen verwendet, deren Achsabstand ungefähr 6,8 mm beträgt, so ist beispielsweise der maximale Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Achsen XX' und YY' bezüglich der Oberfläche des Werkstückes höchstens ungefähr 2 mm.
Mit dieser Eigenschaft lassen sich die Koordinaten verschiedener Punkte der Oberfläche während der Überwachung mit großer Genauigkeit und unabhängig von der besonderen Krümmung des überwachten Bereichs ermitteln, ohne daß es erforderlich ist, dem Überwachungsfühler eine Rechnereinheit mit komplexen Koordinaten hinzuzufügen.
Die Leiste 12 selbst ist im Rahmen 30 durch zwei Achsen 34 angebracht, die senkrecht zu den Achsen XX' und ZZ' angeordnet sind und die Enden der Leiste in unmittelbarer Nähe ihrer unteren Fläche durchlaufen. In seinem mittleren Teil besitzt der Rahmen 30 innere Einkerbungen 30a (Fig. 1) mit Kreissektorquerschnitt, die in einer Richtung senkrecht zu den Achsen 34 und zu der unteren Fläche der Leiste ausgerichtet sind und in die die seitlichen Schuhe 24 bei Verformung der Leiste hineingleiten.
Um die Rückkehr der Leiste 12 in ihre Ruhestellung trotz der Hysterese sicherzustellen, die in dem Material, aus dem diese besteht, vorhanden sein kann, werden Rückholfedern 36 zwischen dem Rahmen 30 und jedem Ende der Leiste 12 in einer Ebene eingesetzt, die bezüglich der unteren Fläche der Leiste nach hinten versetzt ist.
Wie die Fig. 4 sehr schematisch zeigt, ermöglicht es der erfindungsgemäße Überwachungsfühler 10, durch aufeinanderfolgendes Abtasten eine Platte P aus Verbundmaterial, wie etwa ein Teil eines Flugzeugflügels, dessen Krümmung sich fortlaufend ändert, zu überwachen, wobei eine beträchtliche Zeitersparnis in Bezug auf herkömmliche Überwachungstechniken ermöglicht wird.
Es ist festzustellen, daß zur Ultraschallüberwachung eine Kopplungsflüssigkeit wie Wasser zwischen jedem Wandler und der Oberfläche des zu überwachenden Werkstückes vorhanden sein muß. Zu diesem Zweck wird dieses vorteilhafterweise in ein Tauchbad gegeben. Wahlweise kann ein System zur Einspritzung der Kopplungsflüssigkeit dem Überwachungsfühler dennoch beigeordnet werden.
Zur Durchführung der eigentlichen Überwachung kann man den Überwachungsfühler vorteilhafterweise in Richtung YY' versetzen, nachdem jede Versetzung in Richtung XX' verhindert wurde. Man führt nun ein Ende jedes von der Leiste 12 getragenen Schuhs in Kontakt mit der Oberfläche der zu überwachenden Platte, indem man den Überwachungsfühler in Richtung ZZ' mit Hilfe des Trägers 16 herabführt. Wenn der Kontakt eingestellt ist, bedeutet dies, wie aus dem vorstehenden ersichtlich ist, daß jeder Wandler 18 bezüglich einer Oberfläche der Platte zufriedenstellend angeordnet ist.
Die eigentliche Überwachung, die eine einfache Überwachung der Dicke, eine Qualitätsüberwachung oder beide Überwachungen zusammen sein kann, kann dann auf der ganzen Breite des vom Überwachungsfühler abgetasteten Bereichs durchgeführt werden, indem man diesen fortlaufend in Richtung YY' bis zum anderen Ende der Platte verschiebt. Während des Verschiebens stellt eine vom Träger auf den Fühler 10 ausgeübte leichte Vorspannung die permanente Auflage der Schuhe auf der Oberfläche der Platte und folglich die Genauigkeit der Überwachung sicher.
Nach Überwachung eines ersten Bereiches der Platte verschiebt man den Überwachungsfühler in Richtung XX' in einem Abstand entsprechend der Breite des vom Fühler abgetasteten Bereichs. Ein zweiter Bereich der Platte kann so auf die gleiche vorstehende Weise überwacht werden. Man wiederholt den Vorgang, bis die zu überwachende Platte vollkommen abgetastet wurde.
In der Praxis kann die soeben kurz erklärte Arbeitsweise auf sehr einfache Weise durchgeführt werden, indem man den Träger 16 auf einem Aufbau anbringt, der zur Verschiebung, auf Schienen entlang der Platte mit Hilfe eines Wagens, der auf dem Aufbau bestimmte unterschiedliche Stellungen einnehmen kann, geeignet ist und indem man den Träger 16 mit einer Vorrichtung wie einem Stellglied ausstattet, das auf den Überwachungsfühler 10 eine moderate Kraft nach unten ausübt.
Die Fig. 5A und 5B zeigen sehr schematisch eine insbesondere vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Überwachungsfühlers, wobei mehrere aufeinanderfolgende Überwachungen eines Werkstückes aus Verbundmaterial während seiner Herstellung ausgeführt werden.
Während der Herstellung von bestimmten Werkstücken aus Verbundmaterial stellt man durch Streckung eine annähernd ebene Rohform her, bevor dem Werkstück seine endgültige Form, z.B. durch Formarbeit gegeben wird. Durch Verwendung des vorstehend beschriebenen Untersuchungsfühlers kann man zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der Herstellung des Werkstückes gleichzeitig die Entwicklung der Dicke des Werkstückes und die Entwicklung von Fehlern in diesem an genauen Punkten, die unabhängig von der Form des Werkstückes unverändert bleiben, beobachten.
Zu diesem Zweck trägt man nach Herstellung der annähernd ebenen Rohform des Werkstückes E, wie die Fig. 5A zeigt, auf der Oberfläche dieser Rohform ein Koordinatensystem auf, das durch zwei Reihen paralleler Linien L1 und L2, die zueinander orthogonal sind, und sich in Punkten A schneiden, gebildet wird. Diese Punkte A bestimmen die Punkte, an denen eine Überwachung durchgeführt werden soll. Der Abstand zwischen den benachbarten Linien L2 der einen Linienreihe wird mit Abstand d gewählt, der die dem Überwachungsfühler benachbarten Achsen der Wandler 18 trennt, wenn diese Achsen parallel sind.
Es ist festzustellen, daß dieser Abstand d entlang einer Geraden bei Auflage der Leiste auf einer ebenen Oberfläche und entlang einer Kurve, die der Form der Oberfläche entspricht (bei Aufliegen der Leiste auf eine geformte Oberfläche) gemessen wird. Dieser "Kurvenlinienabstand" ist jedoch in erster Näherung praktisch gleich einem linearen Abstand.
Wenn diese Auftragung beendet ist, wird eine erste Überwachung mit Hilfe des in Bezug auf Fig. 1 bis 3 vorstehend beschriebenen Überwachungsfühlers durchgeführt. Zu diesem Zweck führt man die Schuhe 22 und 24 in Kontakt mit dem Werkstück und ordnet den Fühler so an, daß die Achsen jedes Wandlers 18 eine der Linien L2 schneiden. Durch paralleles Verschieben des Fühlers entlang dieser Linien L2, führt man die Achsen der Wandler fortlaufend über jede der Fluchtlinien der zu überwachenden Punkte A, die auf den Linien L2 liegen, wobei jedesmal sämtliche, durch die Wandler ermöglichten Messungen durchgeführt werden.
Die Herstellung des Werkstückes P wird dann, ausgehend von der Rohform E, auf gewöhnliche Weise durchgeführt, wobei ihm in einem oder mehreren Arbeitsschritten die gewünschte Form gegeben wird. Wie die Fig. 5B zeigt, ermöglicht es der erfindungsgemäße Überwachungsfühler am Ende jedes Arbeitsschrittes die vorhergehenden Messungen praktisch am gleichen Ort, d. h. an der Stelle der Punkte A erneut durchzuführen. Tatsächlich ermöglicht es die Arbeitsweise der Wandler 18 auf dem Untersuchungsfühler, wie vorstehend beschrieben, den Abstand D, der die Schnittpunkte benachbarter Achsen der Wandler mit der Oberfläche des Werkstückes trennt, unabhängig von der Form, die dieser Oberfläche gegeben wird, annähernd konstant zu halten.
Die durch die Erfindung somit gebotene Möglichkeit, an wohlbestimmten Punkten des Werkstückes mehrere aufeinanderfolgende Überwachungen in verschiedenen Herstellungsabschnitten eines Werkstückes aus Verbundmaterial durchzuführen, ist insbesondere interessant. Die Entwicklung von Fehlern und der Dicke während der Herstellung kann tatsächlich bestimmte Fehler im Aufbau der Ausgangsstruktur, die aus der Rohform E besteht, offenlegen. Die Verfolgung dieser Entwicklung ermöglicht so die Optimierung des Aufbaus dieser Ausgangsstruktur und folglich die Verbesserung des gewonnenen Werkstückes.
Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante der Leiste, in der jeder Wandler lösbar angebracht ist.
So bezeichnet in der Fig. 6 das Bezugszeichen 112 in allgemeiner Form den mittleren Teil einer verformbaren Leiste aus einem elastischen Material. Diese Leiste 112 ist zur Anbringung an einem (nicht gezeigten) Drehgelenksystem, analog zu dem vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschriebenen, vorgesehen.
Die verformbare Leite 112 besitzt annähernd die Form eines Kammes, dessen untere, dem zu überwachenden Werkstück zugewandte Seite, auf einem Verbindungszweig 140 der Leiste ausgebildet ist. Dieser Verbindungszweig 140 trägt aus zwei Armen 142a und 142b gebildete Zähne, die senkrecht zum Verbindungszweig ausgerichtet und jeweils durch Schlitze 144a und 144b getrennt sind.
Der Verbindungszweig 140 stellt eine mittlere, annähernd rechtwinklige Öffnung dar, deren beide längs der Leiste ausgerichteten Seiten durch die Aneinanderlagerung von Oberflächen 146 gebildet werden, die im Querschnitt, parallel zur unteren Fläche des Verbindungszweiges die Form eines Kreissektors einnehmen. Jede dieser Oberflächen 146 entspricht einem Zahn der Leiste.
Die zwei Arme 142a und 142b der Zähne des durch die Leiste 112 gebildeten Kammes bilden innere ebene und parallele Flächen 148, deren Abstand größer ist als derjenige, der die Kreissektoroberflächen 146 trennt. Ein zur unteren Fläche der Leiste paralleler Absatz 156 verbindet die Oberflächen 146 mit den Flächen 148.
Wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind mehrere Wandler 118 nebeneinander in der Leiste 112 angebracht. Genauer ist ein Wandler 118 zwischen den zwei Armen 142a und 142b jedes Zahnes angebracht, wobei sein Ende in der mittleren Öffnung des Verbindungszweiges 140 aufgenommen wird, so daß seine Endfläche mit der unteren Fläche dieses Zweiges fluchtet.
Jeder der Wandler 118 besitzt die Form eines Zylinders mit einer Achse senkrecht zur unteren Fläche des Verbindungszweiges 140, auf dem parallele Flächen eingearbeitet sind, gegenüber denen die Wandler nebeneinander angeordnet sind. Darüberhinaus ist jeder Wandler 118 in einem dichten Mantelgehäuse 150, beispielsweise aus Harz eingebaut, mit Ausnahme seines dem zu überwachenden Werkstück zugewandten Endes, das zwischen den im Verbindungszweig 140 ausgebildeten kreissektorförmigen Oberflächen 146 aufgenommen wird. Das dichte Mantelgehäuse 150 besitzt eine Quaderform und wird zwischen den ebenen Flächen 148 gegenüber den Armen 142a und 142b der Zähne aufgenommen.
Um die etwaige Entnahme der durch jeden Wandler 118 und sein Mantelgehäuse 150 gebildeten Einheit zu ermöglichen, ist jede Einheit lösbar in der Leiste 112 mit Hilfe von abnehmbaren Befestigungsvorrichtungen angebracht.
In der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform umfassen diese abnehmbaren Befestigungsvorrichtungen Schrauben 152, die in den Gewindebohrungen 154, die jedes Teil 142 durchlaufen, unmittelbar oberhalb der die Flächen 148 von den Oberflächen 146 trennenden Absätze 156 eingeschraubt. Die Enden dieser Schrauben 152 dringen in die auf jeder Seitenfläche der Mantelgehäuse 150 gebildeten Löcher 158 ein.
Vorteilhafterweise umfassen die abnehmbaren Befestigungsvorrichtungen darüberhinaus Verbindungselemente, die aus Klammern 160 aus Metalldraht bestehen, die die beiden Arme 142a und 142b jedes Zahns an ihren Enden gegenüber des Verbindungszweiges 140 verbinden. Jede Klammer 160 besitzt annähernd die Form eines C, dessen Enden in hakenförmige Teile 162a und 162b, die das Ende jedes Armes 142a und 142b darstellen, eingehakt sind.
Jedes hakenförmige Teil 162a und 162b bildet eine Einkerbung 164a und 164b, in die ein elektrischer Leiter 120 eingepaßt werden kann, der durch die hintere Fläche jedes Mantelgehäuses 150 austritt.
Wenn ein Wandler 118 an seinem Platz eingesetzt wird, wird er zunächst in der Nähe der unteren Fläche der Leiste mit den Schrauben 152 positioniert und festgelegt. Die entsprechende Klammer 160 wird dann an ihrem Platz eingesetzt, wodurch die Festlegung der Arme 142a und 142b an den Seitenflächen des Mantelgehäuses 150 des Wandlers und die Halterung des elektrischen Leiters 120 bewirkt wird.
Aufgrund der soeben beschriebenen Vorgehensweise ist es möglich, einen defekten Wandler zu ersetzen, ohne die gesamte Leiste ersetzen zu müssen.
Darüberhinaus ist es möglich, verschiedene Überwachungen mit Hilfe derselben Leiste durchzuführen, indem man einen oder mehrere Wandler durch Wandler mit unterschiedlichen Eigenschaften oder sogar durch unechte Wandler ohne jede Überwachungsfunktion ersetzt.
Auf der anderen Seite ermöglicht diese Vorgehensweise die Wiedergewinnung der Wandler, wenn die Leiste beschädigt ist und ersetzt werden muß.
Es wird somit ein Überwachungsfühler bereitgestellt, dessen Teile verbrauchbar und austauschbar sind.
Wie die Fig. 6 zeigt, ist jeder der Kontaktschuhe 124, die auf beiden Seiten der Leiste 112 mittig angebracht sind, in einer Verstärkung 166, die drei benachbarte Zähne des Kammes überlappt, beispielsweise mittels zweier (nicht dargestellter) Schrauben befestigt, die in den mittleren Zahn eingeschraubt sind. Um zu vermeiden, daß diese Befestigung lediglich jede relative Verformung zwischen diesen drei Zähnen verhindert, enthält die der Leiste zugewandte Seite jedes Schuhs 124 einen vorstehenden Teil 168, der mit der Unterseite der Verstärkung 166 nur an dem Teil in Kontakt steht, der auf dem mittleren Zahn ausgebildet ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern beinhaltet sämtliche Ausgestaltungsformen von diesen.
So versteht sich ohne weiteres, daß ein erfindungsgemäßer Überwachungsfühler in gleicher Weise zur Überwachung von Werkstücken mit konvexer oder konkaver Form oder auch von Werkstücken, deren Form zwischen einer ebenen Form, einer leicht konvexen und einer leicht konkaven Form variiert, verwendet werden kann. In besonderen Fällen und insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen Überwachungsfühlers zur Überwachung des Inneren eines gekehlten Werkstückes, kann die Leiste, die die Wandler trägt, in dem oder den Bereich(en), in dem/denen sich die Krümmung des werkstückes verändert, nur aus einem verformbaren Teil bestehen. Andererseits können die Wandler, mit denen ein und dieselbe Leiste ausgerüstet ist, unterschiedlich sein und die Abstände, die die Achsen dieser Wandler trennen, können ebenso unterschiedlich sein. Da die Wandler austauschbar sind, können schließlich die Schrauben, die deren Festlegung sicherstellen, durch gleichartige Keilverbindungselemente ersetzt werden.

Claims

1. Ultraschallüberwachungsfühler für Werkstücke jeder Form mit einer verformbaren Leiste (12) aus einem elastischen Material, die eine Reihe von Ultraschall-Wandlern (18) mit koplanaren Achsen trägt und durch Reflexion funktioniert, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Leiste verteilte Kontaktschuhe (22,24) gleichzeitig in Anlage auf eine Fläche des zu überwachenden Werkstücks geführt werden können, so daß die Achsen aller Wandler annähernd senkrecht zu dieser Fläche stehen und letztere in durch annähernd konstante Abstände getrennte Punkten schneiden, unabhängig von den Konturen des Werkstücks, und daß die verformbare Leiste (12) in etwa die Form eines Kamms hat, mit einem Verbindungszweig von veränderlicher Krümmung, der zu dem Werkstück gedreht werden kann, und Zähnen, die annähernd senkrecht zum Verbindungszweig bleiben und in denen alle Wandler (18) angeordnet sind.

2. Überwachungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Rückstelleinrichtung (36) für die verformbare Leiste (12) in ihre Ruheposition aufweist.

3. Überwachungsfühler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Drehgelenksystem (14) aufweist, das die verformbare Leiste (12) trägt und zwei Drehachsen (XX', YY') definiert, von denen ein Schnittpunkt (0) auf einer Achse des mittleren Wandlers in der Nähe der Fläche des Werkstücks liegt, auf dem die Schuhe (22,24) in Anlage sind.

4. Überwachungsfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste (12) zwischen einer Ruhekrümmung und einer Maximalverformungs-Krümmung verformt werden kann, wobei der Schnittpunkt (0) der Drehachsen annähernd in der Mitte eines Abschnitts liegt, der von den Kreuzungen der Achse des mittleren Wandlers mit der Fläche eines Werkstücks, auf dem diese Schuhe in Anlage sind, gebildet wird, jeweils für die Ruhekrümmung und die Maximalverformungs-Krümmung der Leiste.

5. Überwachungsfühler nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehgelenksystem (14) ein Gestell (26) aufweist, das auf einem Träger (16) angebracht werden kann, ein Zwischenteil (28) und einen Rahmen (30), auf dem die Leiste (12) angebracht ist, wobei das Zwischenteil mit dem Gestell und dem Rahmen über komplementäre Drehungsflächen (26a,28a; 28c,30c) in Kontakt ist, die bezüglich den Drehachsen zentrisch sind.

6. Überwachungsfühler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiste (12) durch ihre beiden Enden mittels zweier zu einer (YY') der Drehachsen parallelen Achsen (34) auf dem Drehgelenksystem (14) angebracht ist.

7. Überwachungsfühler nach den Ansprüchen 5 und 6 in Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschuhe zwei an jedem Ende der Leiste (12) montierte U-formige Endschuhe (22) und zwei in der Mitte jeder Seite der Leiste angebrachte seitliche Schuhe (24) mit kreissektorförmigem Querschnitt umfassen, so daß sie entlang einer zur Achse des mittleren Wandlers parallelen Achse in im Rahmen gebildeten Nuten (30a) mit kreisbogenförmigem Querschnitt gleiten können.

8. Überwachungsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (18) in der Leiste (12) so angebracht sind, daß sie zueinander tangentiale Ultraschallstrahlen aussenden.

9. Überwachungsfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (18) aneinandergrenzende ebene Seitenflächen (18a) aufweisen.

10. Überwachungsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschuhe (22,24) auswechselbar sind.

11. Überwachungsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der lösbaren Wandler (118) auf der Leiste (112) durch eine abnehmbare Befestigungseinrichtung (152,160) angebracht ist.

12. Überwachungsfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abnehmbare Befestigungseinrichtung Keilverbindungselemente (152) aufweist, die die Leiste (112) durchlaufen, und deren Enden in Löcher (158) eindringen, die in den Seitenflächen eines Mantelgehäuses (150) eines jeden Wandlers (118) gebildet sind.

13. Überwachungsfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (150) ein dichtes parallelepipedisches Gehäuse ist, das den Großteil des Wandlers umgibt, außer dessen Ende, das der Oberfläche des Werkstücks gegenüberliegt, wobei die Löcher (158) in dem Mantelgehäuse nahe diesem Ende des Wandlers gebildet sind.

14. Überwachungsfühler nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilverbindungselemente Schrauben (152) sind.

15. Überwachungsfühler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn zwei Arme (142a, 142b) aufweist, zwischen denen einer der Wandler (118) angeordnet ist, und die abnehmbare Befestigungseinrichtung außerdem ein Verbindungselement (160) aufweist, das die dem Verbindungszweig (140) gegenüberliegenden Enden der beiden Arme jedes Zahns verbindet.

16. Überwachungsfühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungselement aus einer Klemme (160) aus Metalldraht besteht, die die Enden der beiden Arme jedes Zahnes umgibt, wobei diese Enden die Form von Haken (162a,162b) aufweisen.

17. Überwachungsfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende in Form eines Hakens eine Kerbe (164a,164b) aufweist, in der ein vom entsprechenden Wandler ausgehender elektrischer Leiter (120) normalerweise durch die Klemme (160) aus Metalldraht gehalten wird.

18. Verfahren zur Ultraschallüberwachung von Werkstücken, deren Konturen sich während der Fabrikation von einem annähernd ebenen Anfangszustand ausgehend verändern, dadurch gekennzeichnet, daß es daraus besteht,

- auf dem Werkstück, wenn es in seinem Anfangszustand ist, nach einer vorgegebenen Netzstruktur verteilte zu überwachende Punkte zu skizzieren und

- das Werkstück in seinem Anfangszustand zumindest ein weiteres Mal während der Herstellung mittels eines einzigen nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Ultraschallüberwachungsfühlers zu überwachen, indem man die Achsen der Wandler des Überwachungsfühlers mit den zu überwachenden Punkten ausrichtet.