DE69921362T2 - Schatten-moire-oberflächentopologieprüfung mit eichproben - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächentopologieprüfung, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Prüfung der Oberflächen von strukturellen Bauteilen, die hohen Beanspruchungen unterworfen sind.
  • Bei strukturellen Bauteilen, die hohen Beanspruchungen unterworfen sind, beispielsweise bei metallischen oder faserverstärkten Plastikverbund-Tragflügeln, kann die Topologie der Oberfläche des Bauteils von lebenswichtiger Bedeutung sein. Bei metallischen verbolzten Bauteilen kann beispielsweise eine Kaltexpansion der Befestigungslöcher die Dauerfestigkeit des Bauteils um ein Vielfaches verlängern, indem die Erzeugung von Rissen verhindert wird, die von den Wänden der Löcher ausgehen. Ein Standardverfahren der Kaltexpansion derartiger Löcher besteht darin, einen Kern durch eine Spalthülse innerhalb des Loches zu ziehen und die Hülse auszudehnen, um eine Kompressionszone in dem Material zu erzeugen, das das Loch umgibt. Die Wirkung der Erzeugung dieser Zone der Kompression um das Loch besteht darin, vulkanartige Verzerrungen oder Eruptionen der Oberfläche, die das Loch umgibt, infolge des Poisson-Effektes zu verursachen. Diese Oberflächenverzerrungen oder Eruptionen können sich bis zu einem Radius vom Rand des Loches ausdehnen. Im Gegensatz zu der bisherigen Annahme hat es sich jetzt gezeigt, dass das Ausmaß der Poisson'schen Verzerrungen um das kalt expandierte Loch direkt bezogen ist auf die Materialeigenschaften des Bauteils und auf das Ausmaß der Expansion, die auf das Loch ausgeübt wird, wenigstens wenn eine solche Expansion in kontrollierter Weise, beispielsweise durch das obige Verfahren, durchgeführt wird, bei dem ein Kern durch eine gespaltene Hülse getrieben wird. Das Ausmaß der Expansion, beispielsweise 1%, 2%, 3%, 4% usw. bestimmt das Ausmaß der Verbesserung der Lebensdauer für das Loch. Es besteht jedoch nur ein sehr feiner Schritt zu einer Beschädigung des Bauteils, z. B. des Plattenmaterials, durch Überdehnung einerseits und der Schaffung eines unzureichenden Lebensdauerschutzes durch zu geringe Expansion auf der anderen Seite. Aus diesem Grunde ist es wichtig, in der Lage zu sein, nicht nur das Fehlen oder Vorhandensein einer Kaltexpansion der Löcher festzustellen, sondern es muss auch das Ausmaß der Kaltexpansion festgestellt werden, um die Integrität der strukturellen Bauteile, beispielsweise von modernen Flugzeugstrukturen, zu garantieren. In unserer US-Patentschrift 5,619,327 beschreiben wir ein Verfahren zur Feststellung der Kaltexpansion von Löchern bei einem derartigen strukturellen Bauteil, beispielsweise einem Flugzeugtragflügel. Leider ist dieses Verfahren zwar geeignet, die erste der beiden obigen Forderungen zu erfüllen, aber es ist kein Verfahren beschrieben, um die zweite Bedingung betriebssicher und wiederholbar zu erfüllen.
  • Außerdem kann bei hochbeanspruchten Verbundmaterialien das Ausmaß der Beschädigung, das durch einen auf der Oberfläche der Struktur auftreffenden Gegenstand verursacht wird, leicht durch das Phänomen der kaum sichtbaren Aufprallbeschädigung verborgen werden. Gemäß diesem Phänomen kann eine strukturelle Beschädigung sich tatsächlich mit dem Abstand von der Oberfläche erhöhen, auf der der Aufprall erfolgte. Die Möglichkeit der Feststellung des Ausmaßes einer solchen Beschädigung durch Prüfung der Topologie der beaufschlagten Oberfläche wäre außerordentlich wertvoll, weil eine Technik verfügbar ist, die einen Vergleich des beschädigten Bereichs der Oberfläche und Ultraschall-C-Abtastmessungen benutzt, um dies zu bestimmen.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, um die Topologie der Oberfläche eines strukturellen Bauteils zu prüfen, um das Ausmaß der Kaltverarbeitung von Metall, das unmittelbar in die Oberfläche eingebrachte Löcher umgibt und außerdem das Ausmaß der Beschädigung festzustellen, das beaufschlagte Verbundstrukturen aufweisen. Es gibt zwei unabhängige Ansprüche, nämlich Anspruch 1 und Anspruch 12, wodurch diese Aufgabe gelöst wird.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, mit dem die Topologie einer Oberfläche eines strukturellen Bauteils überprüft werden kann, um das Ausmaß zu bestimmen, mit dem eine bekannte Type einer Beanspruchung auf den Bauteil ausgeübt wurde, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es wird ein Bereich von kalibrierten Proben strukturell äquivalenter Bauteile genommen, wobei die Proben jeweils der bekannten Beanspruchungsart auf ein jeweils unterschiedliches Ausmaß beansprucht wurden; es wird ein Moiré-Gitter in einer Position im Abstand zu der zu prüfenden Oberfläche und diese voll bedeckend mit einem kleinen Winkel gegenüber der Oberfläche abgestützt; es wird eine Lichtquelle durch das Gitter geschickt, um die Oberfläche unter einem schrägen Winkel hierzu zu treffen; es wird die Oberfläche durch das Gitter in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche betrachtet, um Interferenzstreifen und Bereiche der Verzerrung dieser Streifen zu betrachten und das Ausmaß des Bereichs der Verzerrung zu messen und die Messungen mit äquivalenten Messungen zu vergleichen, die bei entsprechenden kalibrierten Sonden genommen wurden, um das Ausmaß der auf den Bauteil ausgeübten Beanspruchung zu bestimmen.
  • Unter dem Ausdruck "strukturell äquivalent" wird eine Probe verstanden, die die gleiche Art der Struktur besitzt und z. B. in gleicher Weise verstärkt wurde und die gleichen strukturell relevanten Dimensionen, z. B. Dicke der Probe, aufweist und aus dem gleichen Material besteht. Die Interferenzstreifen umfassen Schatten des auf die Oberfläche projizierten Gitters, kombiniert mit Linien des Gitters, die direkt durch den Beobachter betrachtet werden, und die Bereiche der Verzerrung der Interferenzstreifen entsprechen den Verzerrungen der Topologie der Oberfläche, verursacht durch die Anwendung der Beanspruchungen auf den Bauteil, die über den Poisson-Effekt wirken.
  • Der Schritt der Durchführung des Vergleichs zwischen der Messung und den äquivalenten Abständen, die bei den Kalibrierproben eines Bauteils des gleichen Typs mit relevanten Dimensionen (z. B. Dicke) und gleichem Material gemacht wurden, können die Bestimmung umfassen, welche Probe im Wesentlichen die gleiche gemessene Distanz wie der Bauteil aufweist, und es kann das Ausmaß der auf jene Probe ausgeübten Beanspruchung festgestellt werden, wobei dieses Ausmaß der Beanspruchung im Wesentlichen der Beanspruchung, z. B. dem Ausmaß der Kaltbearbeitung des Loches, entspricht, die auf den Bauteil ausgeübt wurde.
  • Das Verfahren kann den Schritt umfassen, den kleinen Winkel, beispielsweise unter Benutzung eines Mikrometers, einzustellen, um im Wesentlichen die gleiche Streifendichte wie bei äquivalenten Messungen zu erhalten, die bei den Kalibrierproben erhalten wurde. Auf diese Weise wird eine Konsistenz der Messung gewährleistet.
  • Die Linienabstände des Moiré-Gitters liegen vorzugsweise im Wesentlichen im Bereich von 1 bis 200 Linien pro mm. Bei einem Linienabstand von 1 Linie pro mm wäre die Vorrichtung in der Lage, eine Haupteinbeulung, beispielsweise in einer Oberfläche eines zu prüfenden Bauteils, festzustellen. Eine Vorrichtung mit einem Linienabstand im Wesentlichen im Bereich zwischen 5 bis 20 Linien pro mm ist zu bevorzugen, und am besten ist ein Linienabstand von 10 Linien pro mm, und dies gibt eine gute Auflösung und einen guten Anwendungsbereich.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt, die Lichtquelle einer allgemein parallelen Form zu benutzen, beispielsweise eine parallelisierte Quelle, um ein lineares Interferenzmuster zu erzeugen und so genaue Messungen durchzuführen, wenn das Auge des Beobachters die Oberfläche nicht ganz senkrecht dazu betrachtet.
  • Der Schritt der Anordnung der Lichtquelle kann zweckmäßigerweise das Vorsehen einer Punktlichtquelle, beispielsweise einer Leuchtdiode, umfassen. Vorausgesetzt, dass der Beobachter die Oberfläche im Wesentlichen senkrecht dazu betrachtet, ergibt sich nur ein geringer Verlust der Genauigkeit in der Messung, wenn eine solche Lichtquelle benutzt wird.
  • Der Schritt der Betrachtung der Oberfläche im Wesentlichen senkrecht hierzu kann dadurch gewährleistet werden, dass eine optische Hilfe vorgesehen wird, um dies dem Beobachter anzuzeigen. Die optische Hilfe kann aus einem Spiegel bestehen, dem der Beobachter mit dem Körper zugewandt ist, wobei der Spiegel einen Linienindikator aufweist, der in Richtung des Beobachters distanziert ist, so dass dann, wenn der Beobachter die Oberfläche im Wesentlichen normal hierzu betrachtet, keine Reflexion des Linienindikators im Spiegel beobachtbar ist.
  • Der Schritt der Messung des Ausmaßes des Bereichs der Verzerrung kann die größtmögliche Messung über dem Bereich im Wesentlichen in einer Richtung der unverzerrten Interferenzstreifen vom Beginn der Verzerrung einer Seite nach dem Ende der Verzerrung auf der anderen Seite hiervon umfassen.
  • Wenn die Beschädigung der Oberfläche einen Ringbereich umfasst, der ein Loch in der Oberfläche umgibt, dann kann der Schritt der Messung des Ausmaßes des Bereichs der Beschädigung den Schritt umfassen, eine Messung im Wesentlichen in einer Richtung der unverzerrten Streifen vom Umfang des Loches nach einer Stelle der Streifenverzerrung am weitesten weg von diesem Umfang vorzunehmen.
  • Der schräge Winkel beträgt zweckmäßigerweise entweder 45° oder 63,2°, um eine zweckmäßige Beziehung zwischen dem Gitterabstand und der zu erzeugenden Oberflächenversetzung zu ermöglichen. Die Winkel von 45° und 63,2° liefern besonders zweckmäßige Beziehungen zwischen der Streifenordnung, dem Gitterabstand und der Auflösung der Versetzung, da die vertikale Versetzung pro Streifen durch den Kehrwert des Gitterabstandes, dividiert durch die Tangente des eingeschlossenen Winkels, gegeben ist. So liefert tan 45° = 1 eine Auflösung von 1 pro Abstand und tan 63,2° annähernd eine Auflösung von 2, und dies liefert die doppelte Auflösung.
  • Das Verfahren kann den Schritt umfassen, eine Visieranordnung für den Beobachter, beispielsweise ein Raster, zu schaffen, das über einem Bereich der Beschädigung zentriert werden kann, d. h. über dem Zentrum eines Loches, von dem angenommen wurde, dass es kalt bearbeitet wurde, um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.
  • Der Beobachter kann die Oberfläche über das Medium einer Kamera betrachten, so dass die Bilder der Abmessungen aufgezeichnet werden können. Noch zweckmäßigerweise besteht die Kamera aus einer vorzugsweise digitalen Standbildkamera hoher Auflösung, um die bestmögliche Genauigkeit der Messung zu erhalten, wenn die Aufzeichnung erfolgt. Wenn eine digitale Kamera benutzt wird, können die aufgenommenen Messungen zweckmäßigerweise auf einen Computer, beispielsweise zur Bildbearbeitung oder für eine langzeitige Benutzung, übertragen werden. Ein solcher Computer kann derart programmiert werden, dass er die jeweiligen Formen einer Kurve sucht, die den Beginn oder die Beendigung der Verzerrungen der Streifen repräsentiert. Auf diese Weise wird eine Konsistenz der Messung zwischen den Kalibrierproben und dem zu prüfenden Bauteil noch besser erreicht.
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines strukturellen Bauteils, der von einem Loch durchsetzt ist, das kalt ausgedehnt wurde, wobei das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung fand;
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines strukturellen Bauteils mit Trägerstreifen, die über ein Moiré-Gitter betrachtet werden, das in einem Winkel gegenüber der Oberfläche des Bauteils angestellt ist;
  • 3 ist eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich einer Digitalkamera;
  • 4a ist eine Photographie der Interferenzstreifen, die im Bereich eines um 1,0% kalt ausgedehnten Loches durch eine Platte verzerrt sind, und zwar aufgenommen von der Austrittsseite, was eine Messung des Ausmaßes der Verzerrung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 4b ist eine Photographie der Interferenzstreifen, die im Bereich eines um 1,5% kalt ausgedehnten Loches durch die gleiche Platte verzerrt sind, und zwar aufgenommen von der Austrittsseite, was eine Messung des Ausmaßes der Verzerrung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 4c ist eine Photographie der Interferenzstreifen, die im Bereich eines um 2% kalt ausgedehnten Loches durch die gleiche Platte verzerrt sind, und zwar aufgenommen von der Austrittsseite, was eine Messung des Ausmaßes der Verzerrung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 4d ist eine Photographie der Interferenzstreifen, die im Bereich eines um 2,5% kalt ausgedehnten Loches durch die gleiche Platte verzerrt sind, und zwar aufgenommen von der Austrittsseite, was eine Messung des Ausmaßes der Verzerrung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 5a ist eine graphische Darstellung der Messung des Lochumfanges nach dem am weitesten ab liegenden verzerrten Streifens, aufgetragen über der prozentualen Expansion des Loches unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der Eintrittsseite;
  • 5b ist eine graphische Darstellung der Messung des Lochumfanges nach dem am weitesten ab liegenden verzerrten Streifens, aufgetragen über der prozentualen Expansion des Loches unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der Austrittsseite;
  • 6 ist eine Schnittansicht eines strukturellen Bauteils aus faserverstärktem Plastikverbundmaterial, wobei das Phänomen dargestellt ist, das als "kaum sichtbare Stoßbeschädigung" (BVID) bekannt ist;
  • 7 ist eine Grundrissansicht einer erfindungsgemäßen in der Hand gehaltenen Vorrichtung;
  • 8 ist eine unter Benutzung einer digitalen Standbildkamera hergestellte Photographie, die eine Aufprallbeschädigung einer aus Verbundmaterial bestehenden Platte zeigt, und zwar unter Benutzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 9 ist eine Grundrissansicht der Vorrichtung nach 7;
  • 10 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung ähnlich der in 7 dargestellten Vorrichtung.
  • In den 1, 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Benutzung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Ein struktureller Bauteil 1 besitzt eine obere Oberfläche 2 und eine untere Oberfläche 3, und dieser Bauteil ist von einer Ausnehmung 4 durchsetzt, die von einer kreiszylindrischen Wand 5 begrenzt ist (vergleiche 1 und 3). Die Ausnehmung 4 wird auf der oberen Oberfläche 2 von einem Poisson-Vulkan 6 umgeben und von einem Poisson-Vulkan 7 auf der untereren Oberfläche 3. Über dem Bauteil 1 und unter einem Winkel alpha gegenüber diesem Bauteil (1 und 2) befindet sich ein Moiré-Gitter 8 mit einem Gitterabstand von 10 Linien pro Millimeter. Die Gitterlinien 9 sind sowohl in Größe und Abstand aus Gründen der Klarheit in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt. In 2 ist eine Mikrometerschraube 10 dargestellt, um den Winkel alpha zwischen dem Moiré-Gitter 8 und der oberen Oberfläche 2 des Bauteils einstellen zu können. Die Richtung der Betrachtung eines Beobachters wird durch die angezeigten Pfeile angegeben. In jeder Figur ist die parallelisierte Lichtquelle 11 schematisch dargestellt.
  • In 3 ist eine digitale Standbildkamera 12 dargestellt, deren Objektiv 13 auf die obere Oberfläche 2 eines Bauteils gerichtet ist, über dem ein Moiré-Gitter 8 liegt.
  • In 1 sind die von den Linien 9 des Gitters entworfenen Schatten 14 dargestellt, die mit den dunklen Linien 9 des Gitters kombiniert sind, wenn ein Beobachter von oben darauf sieht, um kombinierte Interferenz- und Trägerstreifen 15 bis 24 zu bilden. In 2 erscheinen die Trägerstreifen 25 auf der Oberfläche, wie sie durch das Auge des Betrachters erscheinen.
  • Wenn man die 4a, 4b, 4c, 4d und 5a, 5b zusammennimmt, wird ersichtlich, dass bei einer gegebenen Type einer Metallplatte mit vielleicht 3 oder 4 Ausnehmungsdurchmessern ein relativ begrenztes Kalibrierprogramm benutzt werden kann, um das Ausmaß der Kaltbearbeitung (wenn überhaupt) festzustellen, die auf ein strukturelles Bauteil ausgeübt wurde, wobei eine Definition einer durchgehenden Öffnung aus bekanntem Material und bekannter Dicke und bekanntem Lochdurchmesser definiert ist. In den 4a bis 4d ist der strukturelle Bauteil eine Metallplatte und die vier Photographien gemäß 4 zeigen Interferenzträgerstreifen 25 mit Verzerrungen, gemessen um das Ausmaß der Kaltbearbeitung in jedem Falle festzustellen. In jedem Fall wird ein Abstand von einem Punkt 26 am Umfang des Loches 4 nach einer Stelle 27 gemessen, wo die Trägerinterferenzstreifen-Verzerrung zuerst auftritt. Der Abstand erhöht sich mit jeder Figur, da das Ausmaß der Expansion vergrößert ist. Der äußere Rand des Poisson'schen Vulkans, der durch die Stelle 27 in jeder Photographie der 4 angegeben ist, hat sich als sehr konsistent erwiesen, und wenn Messungen mit den Vergleichskalibrierproben vorgenommen werden, ergibt sich eine überraschende Genauigkeit der Messungen des Ausmaßes der Kaltexpansion.
  • Nunmehr wird auf die graphischen Darstellungen gemäß 5a und 5b Bezug genommen, die für die Kalibrierproben konstruiert wurden. Es ist ersichtlich, wie die Messungen vom Punkt 26 nach der Stelle 27 der geprüften Proben aus den graphischen Darstellungen ausgelesen werden können, um eine Anzeige der Kaltexpansion zu liefern, die auf das Loch in jedem Falle ausgeübt wurde.
  • Die 6 und 8 können zusammen betrachtet werden. 6 zeigt in einer Schnittansicht, wie eine Aufprallbeschädigung 28 sich von einer beaufschlagten Oberfläche 29 über die Dicke eines aus faserverstärktem Plastikverbundmaterial bestehenden Körpers 30 ausbreiten und virtuell die Integrität des Bauteils im Bereich der Beschädigung 28 zerstören kann. Dabei ist festzustellen, dass die Beschädigung nur auf der beaufschlagten Oberfläche 29 sichtbar ist und sie sich nach der rückwärtigen Seite 31 hin in ihren Ausmaßen dramatisch vergrößert.
  • 8 ist eine Draufsicht der beaufschlagten Oberfläche 29 eines tatsächlichen strukturellen Bauteils, und zwar photographisch aufgenommen. Die geraden Interferenzstreifen 32 sind über einen beträchtlichen Abstand, der sich nach außen von der beschädigten Stelle 33 der beaufschlagten Oberfläche 29 erstreckt, verzerrt. Der Bereich der verzerrten Interferenzstreifen 34 wäre, obgleich durch das Moiré-Gitter gemäß 8 sichtbar, dem unbedeckten Auge unsichtbar, das die beaufschlagte Oberfläche 29 überprüft. Jeder Interferenzstreifen repräsentiert 0,005 in der Oberflächenversetzung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren schafft daher betriebssichere Mittel zum Abschätzen der Beschädigung einer Verbundstruktur, indem einem nur auf einer Seite der Struktur sichtbaren Aufprall gefolgt wird. Es können Kalibrierkurven erzeugt werden, die sich auf Oberflächenbeschädigungsbereichen aus Ultraschall-C-Abtastungen ergeben, um die volumetrische Beschädigung zu berechnen, die über die Materialdicke induziert wurde, in dem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung fand. Der Beschädigungsbereich der Oberfläche würde durch Messung des Bereichs der Verzerrung der Interferenzstreifen 34 erkannt, die die beschädigte Stelle 33 umgeben.
  • Die 7, 9 und 10 zeigen eine in der Hand zu haltende Vorrichtung 36 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung weist einen Hohlkörper 37 aus Aluminium auf, der zwei Knöpfe 39, 40 und einen Handgriff 38 hat. Der Hohlkörper besitzt ein erstes rechteckiges hohles Rohr 41, durch das der Beobachter auf die Oberfläche blickt, die über das Moiré-Gitter 8 geprüft werden soll, das am unteren Ende 42 abgestützt ist. Das Moiré-Gitter ist zweckmäßigerweise an dem Körper 37 angelenkt und über eine Mikrometerschraube einstellbar, aber dieses Merkmal ist in den 7, 9 und 10 nicht dargestellt, sondern nur in 2. Wenn ein solches Merkmal bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 erscheinen würde, dann würde ein unterer rechteckiger Rahmen 43 flach auf der zu überprüfenden Oberfläche aufgelegt und der Winkel alpha, den das Gitter gegenüber der Oberfläche einschließt, würde mit Genauigkeit über die Mikrometereinstellschraube 10 eingestellt werden, wie diese in 2 dargestellt ist. Dieser Winkel alpha könnte dann genau eingestellt werden, um den gleichen Winkel alpha zur Verfügung zu haben, der für Kalibrierungszwecke benutzt wurde.
  • Kurz über dem Moiré-Gitter 8 befindet sich eine Visiervorrichtung 44, bestehend aus einer Nadel 45, die im Abstand zu dem Spiegel 46 getragen wird. Wenn die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils direkt senkrecht durch das Auge des Beobachters betrachtet wird, dann ist keine Reflexion der Nadel 45 durch den Beobachter im Spiegel 46 erkennbar. Auf diese Weise kann eine Konsistenz der Messung erreicht werden, um einen genauen Vergleich mit den Ergebnissen der Kalibrierproben zu erhalten.
  • Gemäß 9 ist ein oberer Abschnitt 47 des rechteckigen Rohres 41 verjüngt ausgebildet, um Extralicht vom Inneren der Vorrichtung so weit als möglich auszublenden. Dieses Merkmal ist extrem nützlich bei hell beleuchteten Produktionsstätten, wo es sonst schwierig wäre, genau die Interferenzstreifen zu detektieren, die durch das Moiré-Gitter betrachtet werden.
  • Die Vorrichtung weist außerdem ein zweites rechteckiges Rohr 48 auf, das in einem Winkel gegenüber dem ersten Rohr angestellt ist. Das zweite Rohr trägt zwei weiße 3,6 Volt Leuchtdioden-Lichtquellen 49, 50, die im Wesentlichen als Punktlichtquellen wirken. Die Knöpfe 39 und 40 werden individuell benutzt, um die Leuchtdioden 49 bzw. 50 anzuschalten. Die Leuchtdiode 49 ist so ausgebildet, dass sie unter einem Winkel von etwa 45° (alpha) gegenüber der zu betrachtenden Oberfläche scheint. Die Leuchtdiode 50 schließt einen Winkel von im Wesentlichen 63,2° gegenüber dieser Oberfläche ein. Das Rohr 48 trägt auch ein Batteriepack 51 aus drei 1,2 Volt Nickelkadmiumzellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist demgemäß vollständig selbständig und macht die Vorrichtung insbesondere geeignet zur Benutzung in einer Produktionsstätte, wenn beispielsweise strukturelle Bauteile in einem Flugzeugtragflügel betrachtet werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Löcher in strukturellen Tragflügelteilen im Hinblick auf eine Kaltexpansion überprüft und mit Kalibrierproben aus dem gleichen Material und gleicher Dicke verglichen werden, die bekannte Kaltbearbeitungsmerkmale aufweisen, die durch entsprechende Bearbeitung entstanden sind. Wenn beispielsweise ein Riss in der Oberfläche der Tragflügelstruktur aufgefunden wurde, kann mit hoher Genauigkeit das Ausmaß bestimmt werden, mit dem jedes Loch, von dem der Riss ausgeht, kalt bearbeitet wurde und insbesondere, ob eine Kaltbearbeitung in dem vorgeschriebenen Ausmaß stattgefunden hat. Durch eine Betrachtungsöffnung 52 in der Oberseite des verjüngten Abschnitts 47 des Rohres 41 kann ein Raster 53 und eine Ausnehmung 4 in der betrachteten Oberfläche erkannt werden. Das Raster ist auf der Ausnehmung zentriert. Unter Benutzung des Rasters können die Abstände zwischen den Punkten 26 und den Stellen 27 wie oben erwähnt genau ausgelesen werden.
  • Es ist demgemäß ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßige und betriebssichere Mittel schaffen, um genaue Messungen des Ausmaßes einer Kaltbearbeitung von Löchern in metallischen Strukturen und Messungen einer Aufprallbeschädigung in Verbundstrukturen festzustellen.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Prüfung der Topologie einer Oberfläche eines strukturellen Bauteils zur Bestimmung des Ausmaßes, mit welchem eine bekannte Beanspruchung auf den Bauteil ausgeübt wurde, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es wird eine Reihe von Kalibrierproben strukturell äquivalenter Körper geschaffen, wobei die Proben jeweils einer bekannten Beanspruchung in unterschiedlichem Ausmaß ausgesetzt wurden; es wird ein Moiré-Gitter im Abstand über die gesamte zu prüfende Oberfläche mit einem kleinen Anstellwinkel gegenüber der Oberfläche gelegt; es wird das Licht einer Lichtquelle durch das Gitter geschickt, um die Oberfläche unter einem schrägen Winkel hierzu zu treffen; es wird die Oberfläche durch das Gitter in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche betrachtet, um Interferenzstreifen und Bereiche der Verzerrung der Interferenzstreifen zu erkennen, und es wird das Ausmaß des Bereichs der Verzerrung gemessen, und es werden die Messungen mit äquivalenten Messungen verglichen, die bei den jeweiligen Kalibrierproben abgenommen wurden, um das Ausmaß der Beanspruchung zu bestimmen, die auf den Körper ausgeübt wurde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Durchführung des Vergleichs zwischen der Messung und äquivalenten Abständen, die bei Kalibrierproben eines Bauteils der gleichen Type bei relevanten Dimensionen und relevanten Materialien gemessen wurden, eine Bestimmung umfassen kann, welche Probe im Wesentlichen die gleiche gemessene Distanz wie bei dem Körper aufweist, und es wird das Ausmaß der Beanspruchung festgelegt, welches Ausmaß der Beanspruchung im Wesentlichen der Beanspruchung entspricht, die auf den Körper ausgeübt wurde.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, welches den Schritt umfasst, den kleinen eingeschlossenen Winkel einzustellen, um im Wesentlichen die gleiche Streifendichte zu erzielen, wie sie bei den äquivalenten Messungen benutzt wurde, die bei den Kalibrierproben angewandt wurde.
  4. Verfahren nach den Ansprüche 1, 2 oder 3 mit dem Schritt, eine allgemein parallele Lichtquelle vorzusehen.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 mit dem Schritt, eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle vorzusehen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schritt der Ausmessung des Ausmaßes des Bereichs der Verzerrung den Schritt umfasst, die größtmögliche Messung über dem Bereich im Wesentlichen ausgerichtet auf die unverzerrten Interferenzstreifen vom Beginn der Verzerrung auf einer Seite des Bereichs nach dem Ende der Verzerrung auf der anderen Seite des Bereichs vorzunehmen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verzerrung auf der Oberfläche einen ringförmigen Bereich aufweist, der ein Loch in der Oberfläche umschließt und der Schritt der Messung des Ausmaßes des Bereichs der Verzerrung den Schritt umfasst, mit welchem die Messung im Wesentlichen in einer Linie mit den unverzerrten Streifen vom Umfang des Loches nach einem Punkt der Streifenverzerrung am weitesten weg vom Umfang vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der schräge Winkel auf 45° oder 63,2° eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Schritt einer photographischen Aufnahme der Oberfläche, wie sie vom Beobachter betrachtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die photographische Aufnahme ein digitalisiertes Bild ist und das digitalisierte Bild einem Computer und einer Bildverarbeitungsstufe desselben zugeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Computer so programmiert wird, dass er bestimmte Formen der Kurve suchen kann, die wenigstens einen beginnenden oder endenden Bereich der Verzerrung der Interferenzstreifen repräsentiert.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Körper, der folgende Bestandteile trägt: ein Moiré-Gitter, das in einer Stellung distanziert von der zu prüfenden Oberfläche und sich über diese Oberfläche erstreckend unter einem kleinen Winkel gegenüber der Oberfläche angeordnet ist; eine Lichtquelle, die durch das Gitter gerichtet wird, um die Oberfläche unter einem schrägen Winkel hierzu zu treffen; eine Betrachtungsausnehmung zur Betrachtung der Oberfläche durch das Gitter und Mittel zur Messung des Ausmaßes des Bereichs der Verzerrung.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, welche eine Visieranordnung aufweist, die es dem Beobachter ermöglicht zu bestimmen, ob die Oberfläche im Wesentlichen senkrecht hierzu betrachtet wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Visieranordnung einen auf den Beobachter weisenden Spiegel aufweist und der Spiegel fest auf dem Körper sitzt und einen Linienindikator hat, der in einer Richtung auf den Beobachter zu distanziert ist, wodurch dann, wenn der Beobachter die Oberfläche im Wesentlichen senkrecht hierzu betrachtet, keine Reflexion des Linienindikators im Spiegel sichtbar ist.
  15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 oder 14, bei welcher die Lichtquelle aus einer Leuchtdiode besteht.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welcher die Kamera eine hochauflösende digitale Standbildkamera ist, um die Oberfläche zu photographieren.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, welche einen Computer aufweist, der so programmiert ist, dass er ein digitales Bild von der Kamera verarbeitet und nach speziellen Kurvenformen suchen kann, die wenigstens einen Anfangs- und einen Endbereich der Verzerrung der Interferenzstreifen repräsentieren.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welcher die Linienabstände des Moiré-Gitters im Wesentlichen in einem Bereich zwischen 1 und 200 Linien pro mm liegen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der Bereich im Wesentlichen 5 bis 20 Linien pro mm aufweist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher der Linienabstand im Wesentlichen 10 Linien pro mm beträgt.
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