WO2019034315A1 - Verfahren und vorrichtung zur magnetischen detektion von fehlstellen in einem ferromagnetischen bauteil - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur magnetischen detektion von fehlstellen in einem ferromagnetischen bauteil Download PDF

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WO2019034315A1
WO2019034315A1 PCT/EP2018/067212 EP2018067212W WO2019034315A1 WO 2019034315 A1 WO2019034315 A1 WO 2019034315A1 EP 2018067212 W EP2018067212 W EP 2018067212W WO 2019034315 A1 WO2019034315 A1 WO 2019034315A1
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WO
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component
magnetic
defect
field
alternating
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PCT/EP2018/067212
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French (fr)
Inventor
Stefan Haug
Marco Beier
Karsten Frank
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/83—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws by investigating stray magnetic fields
    • G01N27/87—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws by investigating stray magnetic fields using probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the magnetic detection of at least one defect in a ferromagnetic component, wherein a magnetic measuring adapter a magnetic
  • Alternating field ⁇ is introduced into the component whose modulated by the at least one defect alternating field ⁇ 'is evaluated with respect to information contained herein on dimension, nature and / or location of the defect. Furthermore, the invention relates to the preferred
  • Applications include a processing machine, in particular CNC processing machine, designed for component parts, as well as alternatively a strip / bar material processing machine, such as a cold forming plant, which are equipped with such a device.
  • WO 2003/060507 A discloses a method for evaluating inclusions in a steel material, which is present here as a semi-finished product in rod form. The detection of material foreign inclusions as defects is carried out by means of an ultrasonic probe in an ultrasonic transmission medium.
  • a technical solution disclosed in DE 10 2009 022 136 A1 is based on a magnetic measuring principle for the detection of inclusions, in contrast to the ultrasonic measuring principle of the prior art discussed above.
  • a transmitter coil arrangement is used to act on the component with periodic electromagnetic alternating fields, which is assigned to a receiver coil arrangement for detecting a periodic electrical signal comprising a carrier oscillation, their amplitude and / or phase by a defect is modulated in the component to be tested.
  • a downstream signal processing unit generates a useful signal from the receiver coil signal, from which one of these
  • downstream evaluation unit evaluates the useful signal for the purpose of detecting defects in the component.
  • This measuring method is based on the well-known eddy current method.
  • US Pat. No. 4,445,088 discloses another conventional measuring method for the non-destructive and non-contact detection of defects in a component, which is referred to as magnetic flux measurement or magnetic stray field measurement.
  • magnetic flux measurement By means of an induction coil with a magnetic yoke magnetization of the component is generated and thereby generated by the component magnetic leakage flux is measured by means of suitable sensors. Defects in the component are detected by their effects on the magnetic leakage flux.
  • the invention includes the technical teaching that the preferably present in the form of a semi-finished component during the magnetic measurement is moved relative to the measuring adapter, thereby causing a change in the flux path in the introduced magnetic alternating field ⁇ , so that the defect as a result of this caused position-dependent magnetic modulation of the modulated alternating field ⁇ 'is detected when the modulation signal in comparison to a reference signal in at least one parameter exceeds a threshold value.
  • an alternating magnetic field ⁇ of only one oscillation period is sufficient to produce a meaningful value
  • the magnetic characteristic of the variable magnetic field is recorded.
  • Defects in the ferromagnetic component are characterized by different magnetic behavior in the recorded alternating field ⁇ ', which would always have the same magnetic behavior without a defect.
  • a defect can be detected by subtraction, for example of the amplitude curve as a parameter, of at least two magnetic curves. For a component without a defect, the difference would be zero. If the difference exceeds a predetermined threshold, this is interpreted as a defect.
  • the solution according to the invention can thus be described as a measurement of magnetic "imbalances" on a ferromagnetic component, which reliably detects imperfections in the form of extraneous inclusions, even on small and complex components an analysis of the magnetic properties on the rotation angle or displacement of the component to the magnetic field, the geometrical dimensions of a defect, and their shape and size, or derive their location in the component.
  • the component should insofar be moved by suitable means for moving, preferably a stepping motor M, about an axis A rotating relative to the introduced alternating magnetic field ⁇ to cause a change in the flow path, so that a defect on the rotation angle-dependent magnetic modulation is detected. Because of the rotation of the component by preferably 360 ° and thus also the defect, the magnetic flux path is changed characteristically.
  • the magnetic modulation can preferably be determined on the basis of several effet ( ⁇ ) - ⁇ determined by measurement.
  • ⁇ several effet ( ⁇ ) - ⁇ determined by measurement.
  • the voltage of a secondary winding of the measuring adapter can be carried out by sensors, for example by means of a Hall sensor.
  • the magnetic flux ⁇ is proportional to
  • Flux density B which is dependent on the magnetic field strength H, wherein the magnetic field strength H is substantially proportional to the current I.
  • the measuring method according to the invention can be implemented with a device whose magnetic measuring adapter introduces the magnetic alternating field ⁇ into the component.
  • a magnetic comprises
  • Measuring adapter an excitation coil for generating the alternating magnetic field ⁇ from an electrical excitation signal of at least one period length, which cooperates with a yoke for forwarding the magnetic alternating field ⁇ to a test area of the device for receiving the component to be tested.
  • This audit area represents an omission in the
  • Envelope geometry course of the measuring yoke which is preferably rectangular.
  • the exciter coil opposite region of the preferably rectangular yoke in which then a recess is introduced to create the strig Kunststoff Kunststoffes.
  • test area on the measuring yoke In such a way that it is traversed by essentially curved field lines.
  • An edge region of the measuring yoke in which the field lines are deflected by 90 ° in the case of the rectangular measuring yoke is suitable for this purpose.
  • the excitation coil with a secondary coil for
  • ILess is the measured coil voltage
  • Rs P uie the coil resistance
  • Device can be implemented in a processing machine.
  • the processing machine is a CNC processing machine, which via an automatic
  • Tool changing device has to perform after tool change several processing steps on the component. As part of the
  • Tool change can also be an inventive measuring adapter for
  • test step can be selected.
  • the test step takes place on the semi-finished product, ie before the actual start of processing.
  • the device for detecting defects can be arranged, for example, on the part of a semi-finished product feed, that is to say on the input side of the processing machine.
  • the device according to the invention for the detection of defects is integrated in a processing machine, which carries out workpiece machining starting from a strip or rod material. Likewise, this could for example be a cold forming plant with upstream steel strip ring memory.
  • the test step can be preferably in the band or
  • Bar stock feed by the measuring adapter is positioned there to a band or rod material to be processed in terms
  • this region can advantageously be combined with a cutting unit for separating and separating defective components in the form of strip or rod sections.
  • a test step for defects in the component can be integrated into an automated production. A retrofit is possible in a simple manner.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for
  • FIG. 2 a shows the individual component of FIG. 1 during the measurement
  • FIG. 2b shows the individual component of FIG. 1 during the measurement
  • FIG. 2 c shows the individual component of FIG. 1 during the measurement at a
  • FIG. 3 a shows a graphical representation of a characteristic field of ⁇ ( ⁇ ) -
  • FIG. 3b shows a graph of a characteristic field ⁇ via the excitation current which results from the characteristic field according to FIG. 3a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further embodiment of a device for detecting oval to spherical inclusions as flaws in a single component
  • FIG. 5 is a schematic representation of a CNC
  • Processing machine with device integrated therein for the detection of defects in individual components (semi-finished products), and
  • FIG. 6 is a schematic representation of a rod material
  • Processing machine with device integrated therein for the detection of defects in bar stock (semifinished product).
  • a device for the magnetic detection of a strip-shaped defect 1 shown here by way of example consists in one
  • ferromagnetic component 2 essentially of a magnetic
  • Measuring adapter 3 which comprises a magnetic exciter coil 4 for generating an alternating magnetic field ⁇ .
  • the excitation coil 4 generates this alternating magnetic field ⁇ from an electrical excitation signal 5, which has the duration of at least one oscillation period.
  • This specific electrical exciter signal 5 is generated by an electrical power amplifier 6 which activates the exciter coil 4.
  • the exciter coil 4 is provided with an im
  • the test area 8 represents a recess in the envelope geometry of the measuring yoke 7 and is dimensioned so that the component to be tested 2 herein is insertable.
  • the alternating magnetic field ⁇ penetrates the component 2 and the defect 1 causes a modulation effect, so that the resulting modulated alternating field ⁇ 'contains information regarding the size, condition and position of the defect 1 in the component 2.
  • the excitation coil 4 is provided with a secondary coil 9, which serves the signal recording of the modulated alternating field ⁇ '.
  • a secondary coil 9 which serves the signal recording of the modulated alternating field ⁇ '.
  • test area 8 shown in detail is flowed through by the geometry of the measuring yoke 7 of substantially straight field lines 1 1 (by way of example). This makes it possible in particular
  • the strip-shaped defect 1 extending in the direction of the field lines generates a barely influenced position-dependent magnetic modulation at a position of 0 ° of the component 2 relative to the measuring yoke 7, as can be seen from the field line profile flowing past this.
  • the graph according to FIG. 3a shows a characteristic field of ⁇ ( ⁇ ), characteristic curves of the measurement according to the measuring setup described above by means of apparatus. In that regard, here is ever a characteristic for the Wnkel ein 0 °, 45 ° and 90 °.
  • the magnetic flux ⁇ is plotted against the electrical current I of the excitation signal.
  • Characteristic field indicates the presence of a defect.
  • FIG. 3b A clear visibility is obtained in the form of representation according to FIG. 3b, in which the difference between each of the abovementioned characteristic curves according to FIG. 3a at 0 ° is plotted as a reference over the exciting current intensity I.
  • the curvature of the inclusion is possible independently of the angular choice of the reference curve.
  • a measuring adapter 3 'of another embodiment essentially also consists of one of an output stage 6 with an electrical excitation signal 5 in the form of a periodic alternating current-excited exciter coil 4, to which a measuring yoke 7' is assigned.
  • an excitation coil 9 is provided, to which an electronic evaluation unit 10 is connected.
  • the measuring yoke 7 ' here has a recess arranged in the edge region for forming a test area 8' there.
  • the measuring adapter 3 ' is suitable for detecting oval to spherical defects 1' in a component 2 '.
  • the component 2 ' is moved in a stepwise rotation within the test area 8' by stepping motor M, and the measurement signal detection and evaluation takes place analogously to the exemplary embodiment described above.
  • Measuring adapter 3 integrated in a CNC processing machine 100 arranged. This integration takes place via a tool changing device 200 of the
  • the component 2 is checked as a workpiece in the material flow direction indicated by the arrow in the semifinished state, first by the measuring adapter 3 with regard to the presence of defects. If, as a result of this preliminary test step, a defect 1 in the component 2 has been detected, the component 2 subject to the defect is rejected. If not, a tool change to a machining tool, for example a milling cutter, takes place via the tool changing device 200. Subsequently, the workpiece 2 is machined so. If necessary, further test steps can be carried out by a repeated selection of a measuring adapter 3 by the tool changing device 200.
  • Solution according to the invention in contrast to the single-component machining described above also be made useful for strip or bar-shaped semifinished product as the starting material.
  • a processing machine 100 ' which constitutes a cold forming machine, is assigned a bar material feed 300 on the material input side.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur magnetischen Detektion mindestens einer Fehlstelle (1;1') in einem ferromagnetischen Bauteil (2; 2'), in welches über einen magnetischen Messadapter (3; 3') ein magnetisches Wechselfeld (Φ) in das Bauteil (2; 2') eingebracht wird, dessen durch die mindestens eine Fehlstelle (1; 1') moduliertes Wechselfeld (Φ`) hinsichtlich hierin enthaltener Informationen über Abmessung, Beschaffenheit und/oder Lage der Fehlstelle (1; Γ) ausgewertet wird, wobei das Bauteil (2; 2') während der Messung derart relativ zum Messadapter (3; 3') bewegt wird, dass hierdurch eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld (Φ) hervorgerufen wird, so dass die Fehlstelle (1; 1') in Folge des hierdurch hervorgerufenen lageabhängigen magnetischen Aussteuerung des modulierten Wechselfelds (Φ`) detektiert wird, wenn das Aussteuerungssignal im Vergleich zu einem Referenzsignal in zumindest einem Parameter einen Schwellwert übersteigt.

Description

Beschreibung Titel:
Verfahren und Vorrichtung zur magnetischen Detektion von Fehlstellen in einem ferromagnetischen Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur magnetischen Detektion mindestens einer Fehlstelle in einem ferromagnetischen Bauteil, wobei über einen magnetischen Messadapter ein magnetisches
Wechselfeld Φ in das Bauteil eingebracht wird, dessen durch die mindestens eine Fehlstelle moduliertes Wechselfeld Φ' hinsichtlich hierin enthaltener Informationen über Abmessung, Beschaffenheit und/oder Lage der Fehlstelle ausgewertet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung im Sinne bevorzugter
Anwendungen auch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere CNC- Bearbeitungsmaschine, für als Einzelteile ausgebildete Bauteile, sowie alternativ eine Band-/Stangenmaterial-Bearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Kaltumformanlage, welche mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet sind.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf
Metallbearbeitungsmaschinen und -anlagen. Zur Qualitätssicherung bei der Bearbeitung von ferromagnetischen Bauteilen, insbesondere Stählen, ist es oftmals erforderlich, Materialeinschlüsse im Halbzeug vor der Bearbeitung im Rahmen eines Prüfschritts zu erkennen, um diesbezüglich fehlerhafte Bauteile bereits im Halbzeugzustand auszusondern.
Aus der WO 2003/060507 A geht ein Verfahren zur Bewertung von Einschlüssen in einem Stahlmaterial hervor, das hier als Halbzeug in Stangenform vorliegt. Die Detektion von materialfremden Einschlüssen als Fehlstellen erfolgt mittels einer Ultraschallsonde in einem Ultraschall-Übertragungsmedium. Mit der
Ultraschalltechnik sind jedoch nur relativ große Einschlüsse als Fehlstellen im ferromagnetischen Bauteil zuverlässig detektierbar. Demgegenüber basiert eine in der DE 10 2009 022 136 A1 offenbarte technische Lösung im Gegensatz zum Ultraschall-Messprinzip des vorstehend diskutierten Standes der Technik auf einem magnetischen Messprinzip zur Detektion von Einschlüssen. Zur zerstörungs- und berührungsfreien Detektion der Einschlüsse in einem Bauteil wird eine Senderspulenanordnung zur Beaufschlagung des Bauteils mit periodischen elektromagnetischen Wechselfeldern verwendet, welcher eine Empfängerspulenanordnung zum Erfassen eines periodisch elektrischen Signals zugeordnet ist, das eine Trägerschwingung umfasst, deren Amplitude und/oder Phase durch eine Fehlstelle im zu prüfenden Bauteil moduliert wird. Eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit erzeugt ein Nutzsignal aus dem Empfängerspulensignal, woraus eine dieser
nachgeschalteten Auswerteeinheit das Nutzsignal zwecks Erkennung von Fehlstellen im Bauteil auswertet. Dieses Messverfahren basiert auf dem allgemein bekannten Wirbelstromverfahren.
Aus der US 4,445,088 geht ein anderes übliches Messverfahren zur zerstörungs- und berührungsfreien Erfassung von Fehlstellen in einem Bauteil hervor, welches als Magnetstreuflussmessung oder Magnetstreufeldmessung bezeichnet wird. Mittels einer Induktionsspule mit magnetischem Joch wird eine Magnetisierung des Bauteils erzeugt und der dabei von dem Bauteil erzeugte magnetische Streufluss wird mittels geeigneter Sensorik gemessen. Fehlstellen im Bauteil werden anhand ihrer Auswirkungen auf den magnetischen Streufluss detektiert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zur magnetischen Detektion mindestens einer Fehlstelle in einem ferromagnetischen Bauteil zu schaffen, welche mit einem geringen
messtechnischen Aufwand eine präzise Erkennung selbst relativ kleiner
Fehlstellen im Bauteil ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf eine diesbezügliche geeignete Vorrichtung wird auf Anspruch 5 verwiesen.
Spezielle Bearbeitungsmaschinen, in denen eine solche Vorrichtung integriert angeordnet sind, werden in den Ansprüchen 12 und 14 angegeben. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das vorzugsweise in Form eines Halbzeugs vorliegende Bauteil während der magnetischen Messung derart relativ zum Messadapter bewegt wird, dass hierdurch eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld Φ hervorgerufen wird, so dass die Fehlstelle in Folge der hierdurch hervorgerufenen lageabhängigen magnetischen Aussteuerung des modulierten Wechselfelds Φ' detektiert wird, wenn das Aussteuerungssignal im Vergleich zu einem Referenzsignal in zumindest einem Parameter einen Schwellwert übersteigt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein magnetisches Wechselfeld Φ von nur einer Schwingungsperiode ausreichend, um einen aussagekräftigen
magnetischen Aussteuerungsverlauf zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird die magnetische Charakteristik des veränderlichen Magnetfeldes aufgezeichnet. Fehlstellen im ferromagnetischen Bauteil zeichnen sich durch unterschiedliches magnetisches Verhalten im aufgezeichneten Wechselfeld Φ' ab, welches ohne eine Fehlstelle immer dasselbe magnetische Verhalten hätte. Eine Fehlstelle lässt sich durch Differenzbildung, beispielsweise des Amplitudenverlaufs als Parameter, von mindestens zwei magnetischen Kurven detektieren. Bei einem Bauteil ohne Fehlstelle wäre die Differenz null. Überschreitet die Differenz eine vorgegebene Schwelle, wird dies als Fehlstelle interpretiert. Mit anderen Worten lässt sich die erfindungsgemäße Lösung also als ein Vermessen magnetischer „Unwuchten" an einem ferromagnetischen Bauteil beschreiben. Hiermit lassen sich auch an kleinen und komplexen Bauteilen zuverlässig Fehlstellen in Form von materialfremden Einschlüssen erkennen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich aus einer Analyse der magnetischen Eigenschaften über den Drehwinkel oder Verschiebung des Bauteils zum magnetischen Feld die geometrischen Abmaße einer Fehlstelle, auch deren Form und Größe, oder deren Lage im Bauteil ableiten lassen.
Vorzugsweise sollte das Bauteil insoweit durch geeignete Mittel zum Bewegen, vorzugsweise einem Schrittmotor M, um eine Achse A rotierend relativ zum eingebrachten magnetischen Wechselfeld Φ bewegt werden, um eine Änderung des Flussweges hervorzurufen, so dass eine Fehlstelle über die drehwinkelabhängige magnetische Aussteuerung detektiert wird. Denn durch das Rotieren des Bauteils um vorzugsweise 360° und damit auch der Fehlstelle wird der magnetische Flussweg charakteristisch verändert.
Die magnetische Aussteuerung lässt sich vorzugsweise anhand mehrerer durch Messung ermittelter Ψ(Ι)-ΚβηηΝηίβη bestimmen. Dabei werden die
Hauptunterschiede bei verschiedenen Winkelstellungen des Bauteils
hauptsächlich im mittleren
Figure imgf000006_0001
an der Amplitude sichtbar, weil in diesem Bereich die größten Änderungen vorliegen. Beispielsweise kann für verschiedene Winkelstellungen, wie 22,5°, 45°, 67° und 90° des Bauteils je eine Ψ(Ι)-ΚβηηΝηίβ eingemessen werden. Falls keine Fehlstelle im Bauteil vorhanden ist, würde sich immer dieselbe Kurve abbilden. Die Messung nach einer Ψ(Ι)- Kennlinie erfolgt gemäß der Formel:
Figure imgf000006_0002
Hierbei ist Und die Spannung einer Sekundärwicklung des Messadapters. Die Messung kann sensortechnisch, beispielsweise mittels Hallsensor, durchgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, die magnetische Aussteuerung anhand einer B(H)-Kennlinie zu bestimmen, welche durch Umrechnung aus einer Ψ(Ι)- Kennlinie ermittelbar ist. Der magnetische Fluss Ψ ist proportional zur
Flussdichte B, welche von der magnetischen Feldstärke H abhängig ist, wobei die magnetischen Feldstärke H im Wesentlichen proportional zum Strom I ist.
Das erfindungsgemäße Messverfahren kann mit einer Vorrichtung umgesetzt werden, dessen magnetischer Messadapter das magnetische Wechselfeld Φ in das Bauteil einbringt. Vorzugsweise umfasst ein solcher magnetischer
Messadapter eine Erregerspule zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes Φ aus einem elektrischen Erregersignal von mindestens einer Periodenlänge, welche mit einem Messjoch zur Weiterleitung des magnetischen Wechselfeldes Φ zu einem Prüfbereich der Vorrichtung für die Aufnahme des zu prüfenden Bauteils zusammenwirkt. Dieser Prüfbereich stellt eine Auslassung im
Hüllgeometrie-Verlauf des Messjochs dar, welcher vorzugsweise rechteckig ausgebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Erkennung streifenförmiger Fehlstellen im Bauteil wird vorgeschlagen, den Prüfbereich derart am Messjoch auszubilden, dass dieser von im Wesentlichen gerade verlaufenden Feldlinien durchflössen wird. Hierfür eignet sich beispielsweise der der Erregerspule gegenüberliegende Bereich des vorzugsweise rechteckigen Messjochs, im welchem dann eine Ausnehmung zur Schaffung des Prüfbereiches eingebracht ist.
Zur Erkennung ovaler bis kugelförmiger Fehlstellen im Bauteil wird dagegen vorgeschlagen, den Prüfbereich derart am Messjoch zu positionieren, dass dieser von im Wesentlichen gekrümmt verlaufenden Feldlinien durchflössen ist. Hierzu eignet sich insoweit ein Kantenbereich des Messjochs, in welchem die Feldlinien beim rechteckigen Messjoch um 90° umgelenkt werden.
Vorzugsweise sollte die Erregerspule mit einer Sekundärspule zur
Signalaufnahme des modulierten Wechselfeldes Φ' kombiniert werden. Es ist jedoch auch denkbar, eine solche Sekundärspule wegzulassen, um das modulierte Wechselfeld Φ' direkt mit der Erregerspule zu messen. Es gilt:
Hierbei ist ILess die gemessene Spulenspannung, RsPuie der Spulenwiderstand und Imess der gemessene Spulenstrom.
Im Hinblick auf eine erste bevorzugte Anwendungsform kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Bearbeitungsmaschine implementiert werden. Vorzugsweise ist die Bearbeitungsmaschine eine CNC- Bearbeitungsmaschine, welche über eine automatische
Werkzeugwechselvorrichtung verfügt, um nach Werkzeugwechsel mehrere Bearbeitungsschritte am Bauteil durchzuführen. Im Rahmen des
Werkzeugwechsels kann auch ein erfindungsgemäßer Messadapter zur
Durchführung des erfindungsgegenständlichen Prüfschritts ausgewählt werden. Vorzugsweise erfolgt der Prüfschritt am Halbzeug, also vor dem eigentlichen Bearbeitungsbeginn. Die Vorrichtung zur Detektion von Fehlstellen kann insoweit beispielsweise seitens einer Halbzeugzuführung, also eingangsseitig der Bearbeitungsmaschine, angeordnet werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Anwendungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Fehlstellen in eine Bearbeitungsmaschine integriert, welche ausgehend von einem Band- oder Stangenmaterial eine Werkstückbearbeitung vornimmt. Ebenso könnte dies beispielsweise eine Kaltumformanlage mit vorgeschaltetem Stahlband-Ringspeicher sein. Der Prüfschritt lässt sich vorzugsweise im Bereich der Band- oder
Stangenmaterialzuführung durchführen, indem der Messadapter dort positioniert ist, um ein zu bearbeitendes Band- oder Stangenmaterial hinsichtlich
eingeschlossener Fehlstellen zu prüfen, ehe dies der weiteren Bearbeitung zugeführt wird. Wird in einem Band- oder Stangenabschnitt eine signifikante Fehlstelle detektiert, so lässt sich dieser Bereich vorteilhafter Weise mit einer Ablängeinheit zum Abtrennen und Aussondern von fehlerhaften Bauteilen in Form von Band- oder Stangenabschnitten kombinieren. Hierdurch kann ein Prüfschritt auf Fehlstellen im Bauteil in eine automatisierte Produktion integriert werden. Auch eine Nachrüstung ist in einfacher Weise möglich.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
magnetischen Detektion von streifenförmigen Einlagerungen als Fehlstellen in einem Einzelbauteil,
Figur 2a das Einzelbauteil von Figur 1 während der Messung bei
Winkelstellung der Fehlstelle von 0°,
Figur 2b das Einzelbauteil von Figur 1 während der Messung bei
Winkelstellung der Fehlstelle von 45°, Figur 2c das Einzelbauteil von Figur 1 während der Messung bei einer
Winkelstellung der Fehlstelle von 90°,
Figur 3a eine graphische Darstellung eines Kennlinienfeldes von Ψ(Ι)-
Kennlinien bei unterschiedlichen Wnkelstellungen über den Erregerstrom I,
Figur 3b eine graphische Darstellung eines Kennlinienfeldes Δ Ψ über den Erregerstrom, welches aus den Kennlinienfeld gemäß Figur 3a resultiert,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Detektion von ovalen bis kugelförmigen Einlagerungen als Fehlstellen in einem Einzelbauteil,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer CNC-
Bearbeitungsmaschine mit hierin integrierter Vorrichtung zur Detektion von Fehlstellen in Einzelbauteilen (Halbzeug), und
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Stangenmaterial-
Bearbeitungsmaschine mit hierin integrierter Vorrichtung zur Detektion von Fehlstellen in Stangenmaterial (Halbzeug).
Gemäß Figur 1 besteht eine Vorrichtung zur magnetischen Detektion einer hier exemplarisch dargestellten streifenförmigen Fehlstelle 1 in einem
ferromagnetischen Bauteil 2 im Wesentlichen aus einem magnetischen
Messadapter 3, der eine magnetische Erregerspule 4 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds Φ umfasst. Die Erregerspule 4 erzeugt dieses magnetische Wechselfeld Φ aus einem elektrischen Erregersignal 5, welches die Dauer mindestens einer Schwingungsperiode aufweist. Dieses spezifische elektrische Erregersignal 5 wird von einer die Erregerspule 4 ansteuernden elektrischen Endstufe 6 generiert. Die Erregerspule 4 ist mit einem im
Längsschnitt der Hüllgeometrie nach rechteckförmigen Messjoch 7 ausgestattet, welches das erzeugte magnetische Wechselfeld Φ zu einem Prüfbereich 8 weiterleitet. Der Prüfbereich 8 stellt eine Ausnehmung in der Hüllgeometrie des Messjochs 7 dar und ist so dimensioniert, dass das zu prüfende Bauteil 2 hierin einführbar ist. Hierdurch durchdringt das magnetische Wechselfeld Φ das Bauteil 2 und die Fehlstelle 1 verursacht einen Modulationseffekt, so dass das hieraus resultierende modulierte Wechselfeld Φ' Informationen hinsichtlich der Größe, Beschaffenheit und Lage der Fehlstelle 1 im Bauteil 2 enthält.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Erregerspule 4 mit einer Sekundärspule 9 versehen, welche der Signalaufnahme des modulierten Wechselfelds Φ' dient. Für die Messung ist es erforderlich, dass sich das Bauteil 2 während dessen relativ zum Messadapter 3 derart bewegt, dass durch eine Fehlstelle 1 eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld Φ hervorgerufen wird. Diese Bewegung wird in Form einer rotierenden
Winkelverstellung des Bauteils 2 mittels des Schrittmotors M erzeugt. Über die lageabhängige magnetische Aussteuerung ermittelt die der Sekundärspule 9 nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit 10 die Größe, Beschaffenheit und Lage der Fehlstelle 1.
Nach Figur 2a ist der ausschnittsweise dargestellte Prüfbereich 8 wegen der Geometrie des Messjochs 7 von im Wesentlichen gerade verlaufenden Feldlinien 1 1 (exemplarisch) durchflössen. Hierdurch lassen sich insbesondere
streifenförmige Fehlstellen 1 detektieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die in Richtung der Feldlinien verlaufende streifenförmige Fehlstelle 1 bei einer Wnkelstellung von 0° des Bauteils 2 relativ zum Messjoch 7 eine kaum beeinflusste lageabhängige magnetische Aussteuerung, wie anhand des hieran vorbeifließenden Feldlinienverlaufs zu erkennen ist.
Wrd die Wnkelstellung des Bauteils 2 gemäß Figur 2b auf 45° verändert, so bewirkt dies eine größere Schrägstellung der streifenförmigen Fehlstelle 1 relativ zu den Feldlinien 11. Dies führt zu einem längeren Flussweg. Die lageabhängige magnetische Aussteuerung verringert sich entsprechend.
Bei einer Wnkelstellung von 90° gemäß Figur 2c ist eine weitere Abnahme der lageabhängigen magnetischen Aussteuerung zu beobachten, welche bei diesem Ausführungsbeispiel ihr Maximum erreicht. Ein Teil des Magnetfeldes, hier durch eine Strichlinie angedeutet, verläuft weiterhin durch die Fehlstelle 1 hindurch. Der dargestellte Verlauf der Feldlinien 11 resultiert daraus, dass die Fehlstelle 1 mit schlechten magnetischen Eigenschaften zu einem verstärkten Fluss um die Fehlstelle 1 herum führt. Im Umkehrschluss würde eine Fehlstelle 1 mit einer gegenüber der Umgebung besseren magnetischen Eigenschaft zu einem verstärkten Fluss durch die Fehlstelle 1 hindurch führen.
Je nach Winkelstellung 0°, 45° und 90° entsteht eine Art Drosselklappeneffekt hinsichtlich der magnetischen Feldlinien, die sich signalverarbeitungstechnisch eindeutig auswerten lässt.
Die graphische Darstellung nach Figur 3a zeigt ein Kennlinienfeld von Ψ(Ι), Kennlinien der Messung gemäß des vorstehend apparativ beschriebenen Messaufbaus. Insoweit ist hier je eine Kennlinie für die Wnkelstellung 0°, 45° und 90° darstellt. Bei dieser graphischen Darstellung ist der magnetische Fluss Ψ über die elektrische Stromstärke I des Erregersignals aufgetragen.
Mit anderen Worten wird also für jede der drei Winkelstellung 0°, 45° und 90° des Bauteils relativ zum Messadapter je eine dieser Kennlinien eingemessen, indem jeweils eine Erregersignalperiode auf den Messadapter gegeben wird. Im Idealfall, also ohne Fehlstelle, würden alle drei Kennlinien übereinanderliegen. Der hier erkennbare Abstand untereinander im Mittelbereich des
Kennlinienfeldes deutet auf das Vorhandensein einer Fehlstelle hin.
Eine deutliche Sichtbarkeit ergibt sich in der Darstellungsform nach Figur 3b, worin die Differenz jeder der vorstehend angegebenen Kennlinie nach Figur 3a zu 0° als Referenz über die Erregerstromstärke I aufgetragen ist. Je stärker die Störstelle ins Magnetfeld eingedreht wird, desto größer wird die Differenz zur 0°- Messung. Aus der Analyse der Differenzkurven ist die Wnkellage des Einschlusses übrigens unabhängig von der Winkelwahl der Referenzkurve möglich.
Gemäß Figur 4 besteht ein Messadapter 3' einer anderen Ausführungsform im Wesentlichen ebenfalls aus einer von einer Endstufe 6 mit einem elektrischen Erregersignal 5 in Form eines periodischen wechselstrombeaufschlagten Erregerspule 4, welcher ein Messjoch 7' zugeordnet ist. Zur Signalaufnahme ist hier ebenfalls eine Erregerspule 9 vorgesehen, an welche eine elektronische Auswerteeinheit 10 angeschlossen ist. lm Gegensatz zu dem eingangs detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt das Messjoch 7' hier eine im Kantenbereich angeordnete Ausnehmung zur Bildung eines dortigen Prüfbereichs 8'. An dieser Stelle verlaufen die
Feldlinien 1 1 ' gekrümmt. Damit eignet sich der Messadapter 3' zur Erkennung ovaler bis kugelförmiger Fehlstellen 1 ' in einem Bauteil 2'. Auch hier wird das Bauteil 2' per Schrittmotor M stufenweise drehend innerhalb des Prüfbereichs 8' bewegt und die Messsignalerfassung sowie -auswertung erfolgt in analoger Weise zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Bei dem schematisch in Figur 5 dargestellten Anwendungsfall ist der
Messadapter 3 in einer CNC-Bearbeitungsmaschine 100 integriert angeordnet. Diese Integration erfolgt über eine Werkzeugwechselvorrichtung 200 der
Bearbeitungsmaschine 100. Das Bauteil 2 wird als Werkstück in der durch Pfeil angedeuteten Materialflussrichtung im Halbzeugzustand zunächst durch den Messadapter 3 hinsichtlich des Vorhandenseins von Fehlstellen geprüft. Ist im Ergebnis dieses vorausgehenden Prüfschritts eine Fehlstelle 1 im Bauteil 2 festgestellt worden, so wird das fehlerbehaftete Bauteil 2 ausgesondert. Falls nicht, so erfolgt über die Werkzeugwechselvorrichtung 200 ein Werkzeugwechsel zu einem Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise einem Fräser. Anschließend wird das Werkstück 2 damit spanend bearbeitet. Es können gegebenenfalls weitere Prüfschritte durch eine wiederholte Auswahl eines Messadapters 3 durch die Werkzeugwechselvorrichtung 200 erfolgen.
Bei dem in Figur 6 schematisch illustrierten Anwendungsfall kann die
erfindungsgemäße Lösung im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Einzelbauteil-Bearbeitung auch für band- oder stangenförmiges Halbzeug als Ausgangsmaterial nutzbar gemacht werden.
Hierzu ist einer Bearbeitungsmaschine 100', welche eine Kaltumformmaschine darstellt, materialeingangsseitig eine Stangenmaterialzuführung 300 zugeordnet. Das im Halbzeugzustand als Stangenmaterial ausgebildete Bauteil 2' durchläuft zunächst eine Prüfung hinsichtlich Fehlstellen, ehe es in einem
Bearbeitungsraum 400 der Bearbeitungsmaschine 100' gelangt. Wrd im stangenförmigen Bauteil 2' durch den Messadapter 3 eine Fehlstelle 1 detektiert, so trennt eine Ablängeinheit 500 den betreffenden Stangenbereich ab, um diesen auszusondern. Nicht fehlerstellenbehaftete Stangenabschnitte des Bauteils 2' werden der umformtechnischen Bearbeitung innerhalb des Bearbeitungsraums 400 zugeführt.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht allein beschränkt auf die beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten Beispiele. So kann auch eine Anwendung außerhalb von Bearbeitungsmaschinen und -anlagen erfolgen, bei denen in einem Prüfschritt ferromagnetische Bauteile unterschiedlicher Art auf Fehlstellen, also Fremdmaterialeinschlüsse, Gasblasen und dergleichen, untersucht werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur magnetischen Detektion mindestens einer Fehlstelle (1 ; 1 ') in einem ferromagnetischen Bauteil (2; 2'), in welches über einen magnetischen Messadapter (3; 3') ein magnetisches Wechselfeld (Φ) in das Bauteil (2; 2') eingebracht wird, dessen durch die mindestens eine Fehlstelle (1 ; 1 ') moduliertes Wechselfeld (Φ') hinsichtlich hierin enthaltener Informationen über Abmessung, Beschaffenheit und/oder Lage der Fehlstelle (1 ; 1 ') ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2; 2') während der Messung derart relativ zum Messadapter (3; 3') bewegt wird, dass hierdurch eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld (Φ) hervorgerufen wird, so dass die Fehlstelle (1 ; 1 ') in Folge der hierdurch hervorgerufenen lageabhängigen magnetischen Aussteuerung des modulierten Wechselfelds (Φ') detektiert wird, wenn ein Aussteuerungssignal im Vergleich zu einem
Referenzsignal in zumindest einem Parameter einen Schwellwert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2; 2') um eine Achse (A) rotierend bewegt wird, um eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld (Φ) hervorzurufen, so dass die Fehlstelle (1 ; 1 ') über die
drehwinkelabhängige magnetische Aussteuerung des modulierten Wechselfelds (Φ') detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Aussteuerung sensortechnisch anhand mehrerer durch Messung ermittelter Ψ(Ι)-ΚβηηΝηίβη bestimmt wird, welche bei je verschiedenen Lagen des Bauteils (2; 2') relativ zum Messadapter (3, 3') ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Aussteuerung anhand mehrerer durch Umrechnung aus einer jeweiligen Ψ(Ι)-ΚβηηΝηίβ resultierenden B(H)-Kennlinie bestimmt wird.
5. Vorrichtung zur magnetischen Detektion mindestens einer Fehlstelle (1 ; 1 ') in einem ferromagnetischen Bauteil (2; 2'), in welches ein magnetischer Messadapter (3; 3') ein magnetisches Wechselfeld (Φ) in das Bauteil (2; 2') einbringt, wobei eine Auswerteeinheit (10) das durch die mindestens eine Fehlstelle (1 ; 1 ') modulierte Wechselfeld (Φ') hinsichtlich hierin enthaltener Informationen über Abmessung, Beschaffenheit und/oder Lage der Fehlstelle (1 ; 1 ') auswertet,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Bewegen des Bauteils (2; 2') während der Messung relativ zum Messadapter (3; 3') vorgesehen sind, die infolge der Bewegung des Bauteils (2; 2') eine Änderung des Flussweges im eingebrachten magnetischen Wechselfeld (Φ) hervorrufen, wobei die
nachgeschaltete Auswerteeinheit (10) die Fehlstelle (1 ; 1 ') durch die hierdurch hervorgerufene lageabhängige magnetische Aussteuerung des modulierten Wechselfelds (Φ') detektiert, indem hierin enthaltene Vergleichsmittel ermitteln, ob das Aussteuerungssignal im Vergleich zu einem Referenzsignal in zumindest einem Parameter einen Schwellwert übersteigt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Messadapter (3; 3') eine Erregerspule (4) zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes (Φ) aus einem elektrischen Erregersignal (5) mit der Dauer zumindest einer Periodenlänge umfasst, wobei die Erregerspule (4) mit einem Messjoch (7; T) zur Weiterleitung des magnetischen Wechselfeldes (Φ) zu einem Prüfbereich (8; 8') für die Aufnahme des zu prüfenden Bauteils (2; 2') zusammenwirkt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das elektrischen Erregersignal (5) des magnetischen Wechselfeldes (Φ) die Dauer einer einzigen Periodenlänge aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfbereich (8) zur Erkennung
streifenförmiger Fehlstellen (1 ) in einem Abschnitt des Messjochs (7) ausgebildet ist, der von im Wesentlichen gerade verlaufenden Feldlinien (1 1 ) durchflössen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ++
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfbereich (8') zur Erkennung ovaler bis kugelförmiger Fehlstellen (1 ') in einem Abschnitt des Messjochs (7) ausgebildet ist, der von im Wesentlichen gekrümmt verlaufenden Feldlinien (11) durchflössen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (4) einer Sekundärspule (9) zugeordnet ist, die das Signal des modulierten Wechselfelds (Φ') aufnimmt.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bewegen des Bauteils (2; 2') einen elektrischen Schrittmotor (M) umfassen.
12. Bearbeitungsmaschine (100) mit einer Werkzeugwechselvorrichtung (200), die eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 1 1 als austauschbare Messeinheit aufnimmt, welche ein zu bearbeitendes
Halbzeugeinzelteil als Bauteil (2) hinsichtlich eingeschlossener Fehlstellen (1) detektiert.
13. Bearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messadapter (3; 3') eingangsseitig der Bearbeitungsmaschine (100) angeordnet ist.
14. Bearbeitungsmaschine (100') mit einer Band- oder
Stangenmaterialzuführung (300) und einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 1 1 als Messeinheit, welche ein zu bearbeitendes band- oder stangenförmiges Halbzeug als Bauteil (2') hinsichtlich
eingeschlossener Fehlstellen (1') detektiert.
15. Bearbeitungsmaschine (100') nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messadapter (3; 3') im Bereich einer Bandoder Stangenmaterialzuführung (300) der Bearbeitungsmaschine (100') angeordnet ist.
16. Bearbeitungsmaschine (100') nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Stangenmaterialzuführung (300) eine Ablängeinheit (500) zum Abtrennen und Aussondern fehlerhafter Bauteile (2') zugeordnet ist.
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