DE69510658T2 - Elektromagnetisch-akustischer schallwandler zum messen von lasten und spannungen von bolzen - Google Patents

Elektromagnetisch-akustischer schallwandler zum messen von lasten und spannungen von bolzen

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Description

    Elektromagnetisch-akustischer Schallwandler zum Messen von Lasten und Spannungen von Bolzen Hintergrund der Erfindung 1. Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultraschallwandler und insbesondere ein Verfahren, das einen elektromagnetisch-akustischen Schallwandler zum Messen der Spannung eines Bolzens verwendet.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine gewünschte Vorspannung eines Bolzens wird üblicherweise während des Zusammenbaus eines Aufbaus erreicht, indem man an dem Bolzen ein bestimmtes Drehmoment ansetzt. Es wurde demonstriert, daß 90% des dem Bolzen vermittelten Drehmoments während des Zusammenbaus dazu verwendet werden, Reibungskräfte zu überwinden. Kleine Schwankungen innerhalb dieser Reibungskräfte bei einem vorgegebenen festen angebrachten Drehmoment führen zu großen Schwankungen in der Vorspannung des Bolzens. Bei einer Untersuchung der Bolzenvorspannung vs. des angebrachten Drehmoments für Bolzen, die bei der Konstruktion des Space Shuttle Orbiters verwendet wurden, wurde eine Veränderung der Bolzenvorspannung mit einem Faktor von mehr als zwei bei einem vorgegeben angebrachten Drehmoment festgestellt. Bolzen mit unpassenden Vorspannungen können zu einem katastrophalen Versagen kritischer Bauteile bei einem breiten Anwendungsbereich führen.
  • Entsprechend sind Ultraschallverfahren unter Verwendung von Schallwandlern entwickelt worden in dem Bemühen, verbessertes Messen der Bolzenspannung bereitzustellen. So wurde zum Beispiel, als entdeckt wurde, daß Bolzen, die im Innern von Reaktorbehältern in Atomkraftwerken verwendet wurden, wegen ungeeigneter Vorspannung versagten, ein Ultraschallverfahren für das Einstellen der Vorspannung unter Verwendung herkömmlicher Ultraschallwandler entwickelt. Dieses Verfahren wurde von da an bei der Ersetzung dieser kritischen Bolzen in den Einrichtungen zur Erzeugung von Atomstrom verwendet.
  • Gemäß diesem Verfahren wird die Bolzenvorspannung durch eine präzise Messung der Ultraschall-Flugzeit über die Länge des Bolzens vor und nach dem Anziehen eingestellt. Obwohl dieses Verfahren stark verbesserte Messungen der Bolzenvorspannung im Vergleich zu den Messungen des Drehmoments bereitstellt, werden signifikante Fehler eingeführt, wenn ein Schallwandler von dem Kopf des Bolzens entfernt und wieder angebracht wird.
  • Bei Verwendung herkömmlicher Ultraschallwandler werden Schallwellen von einem Kopplungsfluid übertragen und von dem Salzen empfangen. Da die Schallgeschwindigkeit in dem Kopplungsmittel sehr viel langsamer ist als in dem Stahl, welcher für den Bolzen verwendet wird, können kleine Veränderungen in der Länge des Kopplungsmittelverlaufs große Veränderungen bei der Übermittlungszeit des Ultraschallsignals verursachen. Die durch den Kopplungsmittelverlauf eingeführte Unsicherheit hat die meisten herkömmlichen Ultraschall- Bolzenspannungsmessungen auf das Messen des Zeitunterschieds der Ankunft zwischen aufeinanderfolgenden Echos beschränkt, was voraussetzt, daß die Durchlaufzeit durch den Kopplungsmittelverlauf für jedes Echo identisch ist. Es gäbe einige Vorteile, wenn man nur das erste Echo für Ultraschallmessungen der Bolzenvorspannung verwenden würde. Zunächst ist das erste Echo im allgemeinen das größte und wird im Vergleich zu späteren Echos weniger durch den Mangel an Parallelismus und Flachheit beeinträchtigt. Wenn zum Beispiel das Ende der Bolzenoberfläche in bezug auf den Kopf der Bolzenoberfläche einen kleinen Winkel hat, kommt das erste Echo an dem Kopf des Bolzens in einem Winkel von 2 an, während das zweite Echo in einem Winkel von 6 ankommt. Der Hauptnachteil dieser Verfahren ist, daß der vorrangige Einsatz von Kopplungsmittel und Schallwandler an dem Kopf des Bolzens die Automatisierung herkömmlicher Ultraschallmessungen der Bolzenvorspannung zu einer schwierigen Aufgabe macht.
  • Elektromagnetisch-akustische Schallwandler (EMAT's), als solche sind nach dem Stand der Technik bekannt, siehe zum Beispiel die Patentschriften US-A-4,522,071 oder US- A-5,172,591.
  • Eine Vorrichtung zum Messen einer Belastung eines Teils und ein damit zusammenhängendes Verfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 sind aus der Patentschrift US-A-4,846,001 bekannt. Bei diesem Patent wird der Ultraschall jedoch durch einen piezoelektronischen Ultraschallwandler erzeugt, welcher ständig oder teilweise an dem zu testenden Teil befestigt ist.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Belastung eines Teils, wie etwa eines Bolzens, und umfaßt eine Hülse mit Wänden, die einen Innenraum begrenzen, wobei die Hülse an den Bolzen angreift, um eine Belastung auf den Bolzen zu übertragen. Ein elektromagnetisch-akustischer Schallwandler mit einem Magnet und einer Spule befindet sich in dem Innenraum der Hülse nahe dem Bolzen. Die Spule induziert Wirbelströme, während der Magnet ein Magnetfeld bildet, so daß der Magnet und die Spule zusammen ein Ultraschallsignal direkt in den Bolzen hinein erzeugen. Es wird ein Fühler in dem Bolzen zum Fühlen und Messen einer Veränderung der Durchgangszeit des Ultraschallsignals verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt ebenso eine Methode zum Messen einer Belastung eines Teils, indem man eine Hülse bereitstellt und die Hülse so an dem Teil angreift, daß sich der Innenraum der Hülse zwischen der Hülse und dem Teil befindet. Ein Magnetfeld wird in dem Innenraum der Hülse erzeugt, und ein Strom wird so in dem Innenraum der Hülse vor gesehen, daß der Strom und das Magnetfeld ein Ultraschallsignal innerhalb des Teils erzeugen. Das Ultraschallsignal an dem Teil wird überwacht, und Veränderungen des Ultraschallsignals werden durch einen Fühler abgefühlt.
  • Die verschiedenen Merkmale, welche die Erfindung kennzeichnen, sind in den anhängenden Ansprüchen definiert, die einen Teil dieser Darstellung bilden. Für ein besseres Verständnis dieser Erfindung, ihrer bei Ihren Verwendungen erreichten Betriebsvorteile und bestimmten Ziele wird Bezug auf die anhängenden Zeichnungen und die Beschreibung genommen, in welchen die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung dargestellt werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen
  • ist Fig. 1 eine schematische Ansicht, die die vorliegende Erfindung darstellt,
  • ist Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die vorliegende in Verbindung mit einem Fühler und einem Monitor verwendete Erfindung darstellt,
  • ist Fig. 3 eine schematische Ansicht, die eine die vorliegende Erfindung benutzende Bolzenspannungstesteinrichtung darstellt, und
  • ist Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Veränderung der Übermittlungszeit gegen die Bolzenbelastung auswertet.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und eine Methode, bei der zum Spannungs- und Belastungsmessen eines Bolzens ein elektromagnetisch-akustischer Schallwandler verwendet wird. Die vorliegende Erfindung umfaßt einen elektromagnetisch-akustischen Wandler (EMAT), welcher Ultraschallwellen erzeugt und empfängt, ohne den Kontakt des Materials eines Teils zu benötigen, wie etwa eines Bolzens, in welchem die Ultraschallwellen wandern. Die Vorrichtung wird, wie in Fig. 1 gezeigt, gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Bolzen 2 und mit einer Hülse 15, die einen Innenraum 17 hat, verwendet. Die Hülse ergreift den Bolzen 2, um den Bolzen 2 zu spannen und eine Belastung daran zu plazieren. Der Innenraum 17 der Hülse 15 befindet sich zwischen den Bolzen 2 und der Hülse 15. Ein Hülsenantrieb 10 wird in Verbindung mit der Hülse 15 verwendet und der Hülsenantrieb 10 ergreift abnehmbar die Hülse 15, um die verschieden großen Hülsen für die Unterbringung der verschieden großen Bolzen zu verändern.
  • Eine elektromagnetische Schallwandlereinrichtung 20 befindet sich innerhalb des Innenraums 17 der Hülse 15 bei dem Bolzen 2. Die EMAT-Einrichtung 20 umfaßt ein Gehäuse 22 und eine Schleifplatte 24, welche den Bolzen 2 berührt. Innerhalb des Gehäuses 22 und der Schleifplatte 24 ist ein Permanentmagnet 28 zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine Spule zum Bereitstellen von Strom angeordnet. Die EMAT-Anordnung 20 ist durch Befestigungsbolzen 21 und Federn 23 mit dem Hülsenantrieb 10 verbunden. Ein Kabel 27 ist mit der Spule 26 verbunden, um der Spule Strom bereitzustellen. Das Kabel 27 verläuft durch ein Kabelverlaufsloch 12, welches sich innerhalb des Hülsenantriebs 10 befindet, zu der Spule 26. Das Kabel 27 ist mit dem Hülsenantrieb 10 durch eine Kontaktringanordnung 30, die um die Antriebshülse 10 herum eingreift, verbunden. Die 30 Kontaktringanordnung umfaßt Kontaktringbürsten 32.
  • Die elektromagnetische Schallwandlereinrichtung 20 wird als ein Generator von Ultraschallwellen verwendet, indem die Spule 26 so in einem durch den Permanentmagneten 28 erzeugten einheitlichen Magnetfeld angeordnet wird, daß die Ultraschallwellen in der Nähe der Oberfläche des Metallbolzens 2 gebildet werden. Durch die Inanspruchnahme des Wandlers wird ein Oberflächenstrom in den Metalbolzen 2 hinein geleitet. Dieser Oberflächenstrom erfährt bei Vorhandensein eines Magnetfeldes eine Lorentzkraft, welche oszillierende Oberflächenbelastungen erzeugt. Auf Empfang hin wird die Oberfläche des Metalls 2 in dem Magnetfeld in Schwingung versetzt, wodurch eine Stromspannung in der Spule 26 induziert wird. Der Schallwandlerprozeß findet in einer elektromagnetischen Eindringtiefe statt, welche für Materialien wie etwa Stahl oder Aluminium in Megahertzfrequenzen den Bruchteil eines Tausendstels beträgt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein höchst reproduzierbares kontaktloses System zum Erzeugen und Aufspüren von Ultraschall bereit. Weil der Strom der EMAT-Spule 26 direkt in der Oberfläche des Bolzens 2 Ultraschallwellen erzeugt, können die genauen Messungen der Verlaufszeit durch die Zeitmessung des Stromimpulses zu der ersten Reflexion vorgenommen werden, was viele Probleme beseitigt, die mit bekannten konventionellen Ultraschall- Messvorrichtungen verbunden sind.
  • Aufgrund der Entwicklung der vorliegenden Erfindung sind einige der Probleme, die mit vorherigen Bemühungen zur Messung der Bolzenbelastung durch Ultraschallmethoden verbunden waren, minimiert oder beseitigt worden. Die EMAT der vorliegenden Erfindung erzeugt und empfängt Ultraschallwellen, ohne das Material berühren zu müssen, in welchem die Wellen wandern. Das beseitigt das Erfordernis eines flüssigen Kupplers zwischen dem Schallwandler und dem zu untersuchenden Material, was die Quelle bedeutener Fehler und Probleme für die Automatisierung des Meßprozesses ist.
  • Bei Betrieb dreht sich der EMAT-Sensor 20 mit der Hülse 15 und dem Bolzen 2, Ultraschallsignale werden während des Testens der geschraubten Verbindung 2 durch Kontaktringe 32 übermittelt und empfangen. Alternativ dazu ist es dem Schallwandlerkabel 27 möglich, sich während des Festspannens des Bolzens zu verdrehen.
  • Fig. 2 zeigt ein EMAT-Instrumentarium und einen Computer 25 mit einer Anzeige 60 und einem entfernten Verstärker- und Anpassungsnetzwerk 29, welches die EMAT-Spule 26 und das Kabel 27 elektrisch auf das EMAT-Instrumentarium 25 abstimmt. Die Ermittlungseinrichtung 25 ist ein Computer, welcher Messungen an dem unbelasteten Bolzen 2 vornimmt, um eine Basislinie einzurichten, und dann die Bolzenbelastung während des Festspannens des Bolzen 2 mißt und das Ergebnis graphisch auswertet.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der EMAT-Sensor 20 durch Federn 23 vorgespannt, so daß der Sensor 20 sich automatisch auf das Kopfteil des Bolzens 2 setzt, sobald die Hülse 15 an dem Bolzenkopf 2 plaziert wird. Der EMAT-Sensor 20 ist auf eine solche Weise an der Antriebseinrichtung 10 befestigt, daß mehrere verschiedene Bolzengrößen beim Wechseln der Hülsen 15 untergebracht werden können. EMAT-Messungen werden wie folgt vorgenom men: Vor der Belastung, d. h. an einem unbelasteten Bolzen, fortdauernd während der Belastung des Bolzens und nach der Belastung des Bolzens. Wenn die gewünschte Belastung erreicht wurde, muß der Sensor 20 nicht entfernt werden. Dies beseitigt die in den vorher bekannten Schallwandlern aufgetreten Fehler, welche dadurch verursacht wurden, daß man für die zwei Tests, d. h. den Vorspannungstest und den Nachspannungstest, den Ultraschallwandler anbringen und entfernen mußte. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist sehr gut geeignet für das Automobil-Bolzenspannen zur Verwendung bei Produktionsstraßen und verschiedenen Roboteranwendungen.
  • Es ist bekannt, daß handelsübliche Ultraschallmeßvorrichtungen für die Bolzenbelastung gefunden wurden, um hochveränderliche Ergebnisse hauptsächlich wegen der Kopplervariabilität zu produzieren.
  • Zusätzlich ist die Wiederholbarkeit des EMAT-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für Messungen in regelmäßigen Abständen über eine gewisse Zeit sehr viel besser als die der handelsüblichen Ultraschallverfahren. Es kann wünschenswert sein, die Belastung auf einem Bolzen in Zeitabständen zu messen, um sicherzustellen, daß sie immer noch innerhalb der technischen Angaben liegt. Da die EMAT 20 ohne einen Koppler funktioniert, erzeugt die Wiederverwendung des Sensors 20 zur Vornahme von Messungen in regelmäßigen Abständen Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, falls die Belastung unverändert bleibt.
  • Eine vorbereitende Studie des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung der Verwendung eines EMAT's zum Messen der Bolzenbelastung ist zuerst unter Laborbedingungen durchgeführt worden. Fig. 3 zeigt einen während der vorbereitenden Studie verwendeten Versuchsaufbau. Ein Spannungs-Testaufbau 40 wurde in Verbindung mit einer Bolzenbelastungsspannvorrichtung 4 und 6 und einem 50.000 Pfund-Belastungsrahmen mit einer Belastungsvorrichtung 45 verwendet. Ein Musterbolzen 2 wurde in 5.000 Pfund-Schritten in dem Spannungstestaufbau 40 belastet, und Messungen der Ankunftszeit, der Belastungsflächenleistung von der Belastungsfläche 47, und der Bolzentemperatur wurden aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Meßzeiten des Übermittlungs-Stromimpulses zu dem ersten Widerhall sind für zwei aufeinanderfolgende Umläufe in Fig. 4 dargestellt.
  • Die Auswirkung der Genauigkeit der durch das Entfernen und Wiederanbringen des Schallwandlers verursachten Ablesungen wurde sechsmal durch das Entfernen und Wiederanbringen des Schallwandlers an dem Kopf des unbelasteten Bolzens getestet. Die maximale Veränderung der Flugzeit betrug 4 nS. oder ein Fehler, der in etwa 1,5% des empfohlenen Belastungswerts entspricht. Die Durchschnittsveränderung betrug nur 1,2 nS. oder weniger als 0,5% der aufgebrachten Belastung. Diese Ergebnisse waren unerwartet, da der Versuchsschallwandler nicht sehr empfindlich war und dies zeigt, daß der Schallwandler leicht entfernt und wieder angebracht werden kann, ohne bedeutende Fehler bei der Bolzenbelastungsmessung einzuführen. Die Fähigkeit, den Schallwandler zu entfernen und wieder anzubringen ohne bedeutende Fehler herbeizuführen, erlaubt die Wiederbelastung eines Bolzens in einer Einrichtung, in der die Belastung wechseln kann.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung einer Belastung eines Teils (2) mit
einer Einrichtung (15) zum Angriff an dem Teil, wobei die angreifende Einrichtung (15) einen Innenraum (17) hat und der Innenraum des angreifenden Teils (15) zwischen der angreifenden Einrichtung und dem Teil (2) liegt,
einer Antriebseinrichtung (10) zur Übertragung einer Belastung des Teils (2) über die angreifende Einrichtung (15), wobei diese Antriebseinrichtung lösbar an der angreifenden Einrichtung (15) angreifen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine in dem Innenraum (17) nahe dem Teil (2) für eine Einführung eines Wirbelstromes in dem Teil angeordnete Wicklung (26),
eine Einrichtung zur Lieferung von Strom an die Wicklung (26),
einen Magnet (28), der an die Wicklung (26) in dem Innenraum angreift und an der Antriebseinrichtung (10) befestigt ist, um ein Magnetfeld zu liefern, wobei der Magnet (28) und die Wicklung (26) ein Nichtkontakt-Ultraschallsignal in dem Teil erzeugen, und
eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Veränderung des dem Teil übermittelten Ultraschallsignal umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die angreifende Einrichtung (15) eine Hülse umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem Gehäuse (22), das in dem Innenraum (17) angeordnet ist, und einer Schleifplatte (24) für einen Kontakt des Teils (2), wobei die Wicklung (26) und der Magnet (28) mit dem Gehäuse (22) und einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Gehäuses mit der Antriebseinrichtung verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Verbindungseinrichtung einen Bolzen umfaßt, der mit dem Gehäuse (22) und der Antriebseinrichtung (10) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Verbindungseinrichtung weiterhin eine Feder (23) zwischen dem Gehäuse (22) und der Antriebseinrichtung (10) umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Kabel (27), das mit der Wicklung (26) und der Vermittlungseinrichtung verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Antriebseinrichtung (10) eine Öffnung zur Führung des Kabels (27) zu der Wicklung (26) enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die eine Rückhalteeinrichtung (30, 32) zur elektrischen Verbindung des Kabels (27) mit der Wicklung enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Rückhalteeinrichtung eine Schleifringanordnung (30, 32) umfaßt, die an der Antriebseinrichtung (10) angreift.
10. Verfahren zur Messung einer Belastung eines Teils (2) mit den Stufen, in denen man
eine Einrichtung (15) zum Angreifen an dem Teil (2) vorsieht, wobei die angreifende Einrichtung (15) einen Innenraum (17) begrenzende Wände hat,
an dem Teil (2) derart angreift, daß der Innenraum (17) zwischen der angreifenden Einrichtung (15) und dem Teil (2) vorgesehen ist,
eine Belastung auf das Teil (2) mit einer Antriebseinrichtung (10) über die angreifende Einrichtung (15) überträgt, wobei die Antriebseinrichtung (10) lösbar an der angreifenden Einrichtung (15) angreifen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß man bei dem Verfahren weiterhin einen Magnet (28) mit einer Wicklung (26) an der Antriebseinrichtung (10) derart befestigt, daß der Magnet (28) und die Wicklung (26) in dem Innenraum (7) der angreifenden Einrichtung (15) angeordnet sind,
ein Magnetfeld in dem Innenraum (17) der angreifenden Einrichtung (15) erzeugt,
einen Strom derart in dem Innenraum (17) einführt, daß der Strom und das Magnetfeld ein Nichtkontakt-Ultraschallsignal in dem Teil (2) erzeugen,
das Ultraschallsignal in dem Teil (2) überwacht und eine Veränderung in dem Ultraschallsignal feststellt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die angreifende Einrichtung eine Hülse (15) umfaßt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 unter Rotieren der Hülse (15) und des Teils (2).
DE69510658T 1994-02-15 1995-01-31 Elektromagnetisch-akustischer schallwandler zum messen von lasten und spannungen von bolzen Expired - Lifetime DE69510658T2 (de)

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