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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überwachten, räumlich-aufgelösten Prüfung eines dreidimensionalen Objektes mit einem manuell handhabbaren, relativ zur Oberfläche des Objektes frei positionierbaren, zerstörungsfrei arbeitenden Prüfsensor.
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Stand der Technik
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Zerstörungsfreie Prüf-Techniken, kurz ZFP-Techniken, spielen eine zentrale Rolle in der Qualitätssicherung sowie -Überprüfung und werden sowohl während als auch nach der Herstellung von Bauteilen und Konstruktionen eingesetzt. Möglicherweise innerhalb von Bauteilen eintretende oder vorhandene Qualitätsmängel, in Form von Materialungänzen, Rissen oder sonstigen Materialdegradationserscheinungen können mit Hilfe von ZFP-Techniken detektiert werden, ohne dabei die Verwendbarkeit des Bauteils selbst zu beeinträchtigen.
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Gängige ZFP-Techniken nutzen akustische und/oder elektromagnetische Wellen zur Durchdringung und Untersuchung dreidimensionaler, zum Teile sehr komplex gestalteter Objekte. Zu Inspektionszwecken wird hierzu wenigstens ein über einen Ultraschallwandler, Wirbelstromsensor oder Magnetfeldsensor verfügender Prüfkopf in kontaktierender Weise längs der Objektoberfläche geführt. Vor allem in Fällen von schwer zugänglichen Objekten oder Objekten mit einer komplex gestalteten Objektoberfläche gilt es auf handgeführte, zerstörungsfrei arbeitende Prüfkopfanordnungen zurückzugreifen, auf die sich die weiteren Ausführungen im Wesentlichen richten.
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Beispielsweise im Falle der zerstörungsfreien Untersuchung eines dreidimensionalen Objektes mit einem handgeführten Ultraschallprüfkopf gilt es für die den Prüfvorgang durchführende Person darauf zu achten, den zerstörungsfrei arbeitenden Prüfkopf, im weiteren kurz ZFP genannt, möglichst flächendeckend über die gesamte zu prüfende Projektoberfläche zu führen und dies in einer bestimmten Haltung, in der der ZFP möglichst orthogonal zur Objektoberfläche orientiert ist, um belastbare Messdaten während der Durchführung der Objektprüfung zu erhalten. Zweifelsohne stellt dies für die jeweilige Prüfperson eine anspruchsvolle Aufgabe dar, zumal bei großflächigen Prüfobjekten mit komplex gestalteter Oberfläche eine vollständige messtechnische Erfassung des Objektvolumens zum einen viel Zeit in Anspruch nimmt und zum anderen eine hohe Konzentration von der Prüfperson abverlangt, die den Prüfkopf mit einer möglichst exakten räumlichen Ausrichtung bzw. Lage relativ zur Objektoberfläche anzuordnen hat. Lageabweichungen von einer Toleranz belegten, idealen Messkonstellation zwischen Prüfkopf und Objektoberfläche führen unweigerlich zu fehlerhaften und somit nicht belastbaren Messsignalen.
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Neben den Anforderungen an die Konzentration der mit der Prüfung befassten Person besteht darüber hinaus die Forderung nach einer räumlich aufgelösten Messsignalerfassung, das heißt, es gilt die räumliche Position des ZFPs während der Prüfung des Objektes exakt zu erfassen, um so die mit Hilfe des ZFP gewonnenen Messsignale gemeinsam mit der die jeweilige Messposition beschreibenden Rauminformation, beispielsweise in Format kartesischer Raumkoordinaten, abzuspeichern. Auf diese Weise kann eine räumlich aufgelöste Datenauswertung der am zu prüfenden Objekt gewonnenen Messdaten durchgeführt werden.
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Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2008 007 949 U1 geht hierzu eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mit Hilfe eines Ultraschallsensorkopfes hervor, der zu Zwecken einer exakten räumlichen Positionsbestimmung an einem Abschlusssegment eines manuell führbaren Mehrfachachsen-Gelenkroboters angebracht ist. Zur Positionsbestimmung werden sämtliche Robotergelenkinformationen verwendet, die eine räumliche Auslenkungsänderung des Gelenkroboters charakterisieren.
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Ein Messsystem sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Rohrleitungssegmentes mit Hilfe einer manuell geführten Ultraschallmesseinrichtung ist in der Druckschrift
DE 10 2013 009 127 A1 beschrieben. Zu Zwecken einer räumlichen Positionserfassung sind an der handgeführten Ultraschallmesseinrichtung optische Marker angebracht, die mit Hilfe eines optischen 3D-Tracking-Systems erfasst werden. Die auf diese Weise erfassten Raumkoordinaten des Ultraschallmesskopfes sowie die mit diesen am Rohrleitungssegment gemessenen Messwertdaten werden zu einem kombinierten Datensatz zusammengefasst und entsprechend zur Verfügung gestellt.
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Die Druckschrift US 2015 / 0 039 245 A1 offenbart eine zerstörungsfreie Prüfung an einem Objekt mittels eines Ultraschallsensors, der zu Zwecken einer lagekorrekten Ausrichtung des Sensors relativ zur Objektoberfläche mit einer an die Oberfläche angepasste Umhausung umgeben ist. Das in dieser Druckschrift beschriebene röhrenförmige Objekt weist ausschließlich Regelgeometrieoberflächen auf, an die der Prüfsensor aufgesetzt wird.
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Die Druckschrift
US 5 161 413 A offenbart ein zerstörungsfreies Prüfverfahren an Objekten mit Regelgeometrien, auf deren Oberfläche ein Prüfsensorsystem aufgesetzt wird, das über ein an die Oberflächenkontur angepasstes Gehäuse verfügt.
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Die Druckschrift US 2014 / 0 292 316 A1 beschreibt ein Prüfverfahren unter Verwendung eines Wirbelstromsensors an einem Objekt mit metallischer Oberfläche, bei dem der Wirbelstromsensor ortsaufgelöst Messsignale zu erzeugen in der Lage ist. Mögliche innerhalb des Objektes identifizierte Defekte können mit geeigneter Messsignalauswertetechnik erkannt und dargestellt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 202 279 A1 beschreibt ein System zur Sicherstellung einer Prüfabdeckung bei einer manuellen Inspektion eines Objektes mittels eines Prüfwerkzeuges, beispielsweise mittels eines Ultraschallprüfkopfes, bei dem die Position und Geschwindigkeit, mit der das Prüfwerkzeug über die Oberfläche eines untersuchenden Objektes bewegt wird, erfasst und abgespeichert werden. Zusätzlich vermag die in diesem Zusammenhang zum Einsatz kommende Erfassungseinrichtung auch die Art und Lage des Prüfwerkzeuges zu erfassen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum räumlich aufgelösten Prüfen eines dreidimensionalen Objektes mit einem manuell handhabbaren, relativ zur Oberfläche des Objektes positionierbaren, zerstörungsfrei arbeitenden Prüfsensor derart weiterbilden, so dass die Prüfqualität und Prüfeffizienz sowie auch die Belastbarkeit der im Rahmen der Prüfung gewonnenen, räumlich aufgelösten Prüfsignale verbessert werden sollen. Im gleichen Masse gilt es dafür Sorge zu tragen, die mit der Prüfung befasste Person insbesondere im Hinblick auf das für eine präzise Prüfung erforderliche Konzentrationsvermögen zu entlasten. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sollen keine die Handhabung des Prüfsensors behindernden Einschränkungen zur Folge haben. In besonders vorteilhafter Weise soll das lösungsgemäße Verfahren an Objekten anwendbar sein, die über komplexe Oberflächen verfügen und/oder an schwer zugänglichen Orten verortet sind, bspw. die ausschließlich im Wege von Feldmessungen überprüfbar sind.
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Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruches 1. Die den Lösungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
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Das lösungsgemäße Verfahren zur räumlich-aufgelösten Prüfung eines dreidimensionalen Objektes mit einem manuell handhabbaren, relativ zur Oberfläche des Objektes frei positionierbaren, zerstörungsfrei arbeitenden Prüfsensors, kurz ZFPS, umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
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Zunächst wird der ZFPS an einer Messposition relativ zur Oberfläche des Objektes manuell positioniert. Im darauffolgenden Verfahrensschritt wird wenigstens eine die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierende Information erfasst, die neben der räumlichen Positionsinformation des ZFPSs die Erfassung eines zwischen dem ZFPS und der Objektoberfläche bestehenden Oberflächenkontaktes betrifft. Diese Kontaktinformation, d.h. herrscht zwischen dem positionierten ZFPS ein körperlicher Oberflächenkontakt zur Objektoberfläche oder nicht, lässt sich in bestimmten Fällen aus einem Teil des mit dem ZFPS generierbaren Prüfsignal ableiten, kann jedoch auf alle Fälle mittels wenigstens einer optional am ZFPS vorzusehenden Kontakt-Sensoranordnung gewonnen werden.
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Im nächsten Schritt wird die Messung an der Messposition durchgeführt, wodurch ein Prüfsignal generiert wird.
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Alternativ ist es möglich, die Durchführung der wenigstens einen Messung an der Messposition und der damit verbundenen Generierung des Prüfsignals auch zeitlich vor dem vorstehend erläuterten Verfahrensschritt des Erfassens der wenigstens einen die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierenden Information durchzuführen. Dies bietet sich insbesondere in jenen Fällen an, in denen zur Bestimmung des Oberflächenkontaktes zwischen dem ZFPS und der Objektoberfläche ausschließlich das Prüfsignal herangezogen werden kann. Dies trifft beispielsweise im Falle eines zur Ultraschallmessung ausgebildeten ZFPSs zu. Ein Ultraschallprüfkopf vermag Prüfsignale zu generieren, die zeitaufgelöste Reflexionsereignisse widerspiegeln und als so genannte A-Scans aufgezeichnet werden. Treten im Rahmen derartiger A-Scans neben dem die Ultraschallwellenreflektion an der Objektoberfläche repräsentierenden Laufzeitsignal weitere charakteristische Laufzeitsignale auf, die auf Reflexionsereignisse innerhalb des Objektes hindeuten, so kann mit einem ausreichenden Grad an Sicherheit davon ausgegangen werden, dass der Kontakt zwischen ZFPS und Objektoberfläche hergestellt ist. Beruht die zerstörungsfreie Prüfung hingegen auf der Erzeugung und Nutzung elektromagnetischer Wellen, beispielsweise im Falle einer Wirbelstromprüfung, so gilt es zusätzlich zum ZFPS einen Oberflächenkontaktsensor vorzusehen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird die wenigstens eine die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierende Information einer Bewertung unter Zugrundlegung wenigstens eines Bewertungskriteriums unterzogen, wobei festgestellt wird, ob der ZFPS korrekt (10) oder nicht korrekt (NIO) für die Durchführung der wenigstens einen Messung an der Messposition positioniert ist.
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Beispielsweise wird anhand der die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierenden Information überprüft, ob der ZFPS die Objektoberfläche kontaktiert oder nicht. Im Falle einer Kontaktierung wird die Messung als „IO“, d.h. in Ordnung, bewertet, im Falle einer fehlenden Kontaktierung als „NIO“, d.h. nicht in Ordnung, bewertet.
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Die mit der Prüfung befasste Person wird in einem letzten Verfahrensschritt über das Bewertungsresultat unverzüglich informiert. Hierzu wird wenigstens ein visuell, akustisch und/oder haptisch wahrnehmbares und von der Person unterscheidbares Bewertungssignal generiert, das der Person vermittelt, ob der ZFPS korrekt oder nicht korrekt an der Messposition positioniert ist. Im Falle einer nicht korrekten Handhabung des ZFPSs gilt es den ZFPS räumlich solange manuell nachzujustieren bis das Bewertungssignal den Messvorgang als korrekt, d.h. als „IO“, identifiziert.
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In einer alternativen Verfahrensweise kann es sich anbieten die Verfahrensschritte des manuellen Positionieren des ZFPSs, des Erfassens wenigstens einer die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierenden Information, des Bewertens der wenigstens einen die Positionierung charakterisierende Information sowie des Generierens wenigstens eines unterscheidbaren visuell, akustisch und/oder haptisch wahrnehmbaren Bewertungssignals, vor der Durchführung der wenigstens einen Messung an der Messposition vorzunehmen. Eine derartige Vorgehensweise ist in jenen Fällen vorteilhaft, in denen die Messungen mit Prüfsignalen verbunden sind, die einen sehr großen Datenumfang besitzen. Da die Messung erst nach der Überprüfung und Bewertung von der Positionierung des ZFPSs durchgeführt wird, werden nur Prüfsignale gewonnen und entsprechend prozessiert, für die vorab eine IO-Bewertung der wenigstens einen die Positionierung charakterisierenden Information vorliegt.
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Auch kann es zusätzlich vorteilhaft sein, jeweils nach den Verfahrensschritten des Erfassens der wenigstens einen die Positionierung des ZFPSs an der Messposition charakterisierenden Information sowie des Durchführens der wenigstens einen Messung an der Messposition, und Generieren wenigstens eines Prüfsignals jeweils die Bewertung der wenigstens einen Information unter Zugrundlegung wenigstens eines Bewertungskriteriums vorzunehmen, ob der ZFPS korrekt (10) oder nicht korrekt (NIO) für die Durchführung der wenigstens einen Messung an der Messposition positioniert wurde.
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Das lösungsgemäße Verfahren erleichtert der mit der Prüfung befassten Person die Handhabung des ZFPSs erheblich, zumal jede einzelne Messung am Objekt insitu zumindest in Bezug auf eine korrekte Handhabung des ZFPSs aktiv überwacht wird. Fehlmessungen, die durch einen fehlenden Kontakt zwischen dem ZFPS und der Objektoberfläche herrühren, können mit Hilfe der lösungsgemäßen Onlineüberwachung ausgeschlossen werden.
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Neben der vorstehend erwähnten messtechnischen Erfassung, ob der ZFPS für eine fehlerfreie Messdurchführung kontaktierend auf der Objektoberfläche aufgesetzt ist oder nicht, wird zusätzlich die räumliche Lage des ZFPSs relativ zur Oberfläche des Objektes an der Messposition erfasst.
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Im Idealfall gilt es den ZFPS in einer möglichst orthogonalen räumlichen Ausrichtung relativ zur Objektoberfläche zu positionieren. Die räumliche Lage des ZFPs wird quantitativ durch die Neigung einer dem ZFPS zuordenbaren Raumachse relativ zur Oberflächennormalen der Objektoberfläche an der Messposition erfasst. Zur messtechnischen Erfassung der Neigung respektive der räumlichen Ausrichtung des ZFPSs relativ zur Objektoberfläche dienen an sich bekannte Trackingsysteme. An sich bekannte Trackingsysteme sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und nutzen wenigstens eines der nachfolgenden Ortungsverfahren: optisches Erfassen des ZFPSs, beispielsweise unter Verwendung eines ortsauflösenden Kamerasystems; räumliches Erfassen von am ZFPS angebrachten Funksendern oder -empfänger oder IR-Sender oder -empfänger oder Erfassen von Bewegungen und Ortsveränderungen des ZFPSs mittels wenigstens eines der nachfolgenden, am ZFPS angebrachten Sensoren: Magnetfeldsensor, Gyroskop, Beschleunigungssensor, mechanisch arbeitende Wegmesssensoren.
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Ferner wird zur Ermittlung der Neigung des ZFPSs relativ zur Flächennormalen der Oberfläche des Objektes an der Messposition neben der messtechnisch ermittelten räumlichen Lage des ZFPSs auf einen die Oberflächenform des Objektes beschreibenden binären bzw. digitalen Datensatz zurückgegriffen. Der binäre Datensatz liegt vorzugsweise als CAD-Datensatz vor oder wird im Wege eines Scan- oder Bilderfassungsprozesses gewonnen. Auch ist es möglich, die dreidimensionale Oberflächengestalt des Objektes vor der tatsächlichen Durchführung der zerstörungsfreien Prüfung mit Hilfe einer zumindest punktuellen Abtastung der Objektoberfläche mit dem ZFPS durchzuführen, dessen räumliche Position ortsaufgelöst mit Hilfe des Trackingsystems erfassbar ist. Auf der Grundlage der Vielzahl der erfassten räumlich aufgelösten Oberflächenpunkte kann zumindest eine das Objekt beschreibende geometrische Grundform ermittelt werden.
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Auf der Grundlage der mit Hilfe des Trackingsystems erfassten räumlichen Lage des ZFPSs sowie der bekannten Oberflächenform des Objektes wird die räumliche Lage des ZFPs relativ zur Oberfläche des Objektes an der Messposition ermittelt. Hierfür bedarf es einer softwaregestützten Zusammenführung der die Objektoberfläche beschreibenden binären Daten und die messtechnisch erfassten Lageinformationen des ZFPSs in einem gemeinsamen räumlichen Bezugsystem. Für den Fall, dass eine tolerable Maximalneigung des ZFPSs an einer Messposition überschritten wird, wird die Messung als fehlerhaft, das heißt als „NIO“ bewertet. Dies wird der mit der Prüfung befassten Person optisch, akustisch und/oder haptisch wahrnehmbar mitgeteilt. Im einfachsten Fall kann dies durch ein optisch wahrnehmbares, farbcodiertes Bewertungssignal erfolgen, das beispielsweise als rotes Lichtsignal auf die Oberfläche des Objektes mit Hilfe einer geeigneten Projektionsvorrichtung projiziert wird. Auch ist es denkbar derartige optisch wahrnehmbare Signale mit Hilfe unmittelbar am ZFPS angebrachten Leuchtmitteln zur Anzeige zu bringen. In einem derartigen Fall, d.h. „NIO“, ist die mit der Prüfung befasste Person aufgefordert, eine entsprechende Lagekorrektur unter Beibehaltung des Oberflächenkontaktes vorzunehmen, bis ein Bewertungssignal für die Person wahrnehmbar dargestellt wird, anhand dem die Person eine korrekte Messkonfiguration entnehmen kann, d.h. ,,IO“.
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Die optische, akustische oder haptisch wahrnehmbare Darstellung des Bewertungssignals kann vielgestaltig erfolgen, bspw. nur in Form einer IO- oder NIO-Information. Gleichfalls können auch numerische oder analoge, die aktuellen Messwerte darstellende oder beinhaltende Informationen oder von diesen abgeleitete Werte in entsprechend wahrnehmbarer Weise dargestellt werden. Wesentlich ist bei der Darstellung des wenigstens einen Bewertungssignals, dass der mit der Prüfung befassten Person während der Durchführung der Prüfung mitgeteilt wird, dass die Durchführung der Messung korrekt oder nicht korrekt ist und im Falle einer nicht korrekten Messkonstellation den unmittelbaren Hinweis für eine intuitiv durchführbare Korrektur erhält.
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Wie bereits ausgeführt besteht eine bevorzugte Realisierungsform für die optische Darstellung des Bewertungssignals in der Projektion des wenigstens einen Bewertungssignals auf die Objektoberfläche. Die Projektion wird vorzugsweise mit Hilfe eines geeignet platzierten Projektors vorgenommen. Neben der visuellen Darstellung des Bewertungssignals für eine korrekte (IO) oder nicht korrekte Prüfung (NIO) bietet es sich in vorteilhafter Weise zudem an, weitere für die Durchführung der Prüfung relevante Information auf die Objektoberfläche visuell wahrnehmbar zu projizieren. Beispielsweise können all jene bereits geprüften Oberflächenbereiche optisch in einer unterscheidbaren Darstellungsform beleuchtet werden, im Unterschied zu den noch nicht geprüften Oberflächenbereichen des Objektes. So könnten beispielsweise die bereits geprüften Oberflächenbereiche grün und die noch nicht geprüften Oberflächenbereiche rot beleuchtet werden. Neben farbcodierten, visuell wahrnehmbaren Unterscheidungsformen bieten sich auch helligkeitsdifferenzierte Unterscheidungsmuster zur informellen Darstellung von prüfungsrelevanten Informationen an.
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Ferner ist es denkbar mit Hilfe eines optischen Projektors wenigstens eine weitere Messposition oder eine Messtrajektorie, längs der der ZFPS als nächstes zu positionieren oder zu führen ist, auf die Objektoberfläche zu projizieren, so dass die Person den ZFPS nach einem definiert vorgegebenen Prüfmuster längs der Objektoberfläche verfahren kann. Dies ist insbesondere bei der Prüfung von einer Vielzahl gleichförmiger Objekte vorteilhaft, die allesamt nach einem einheitlich vorgegebenen Prüfmuster zu prüfen sind.
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Die optische Darstellung relevanter Informationen auf der Objektoberfläche des zu prüfenden Objektes kann mit vorteilhaft ausgewählten weiteren Informationsdarstellungen ergänzt werden. Bei der optischen Darstellung des Bewertungssignals mit konventionellen Displays bzw. Monitore ist es bevorzugt, die Menge von gemessenen und/oder abgeleiteten Werten, die den IO Zuständen entsprechen, in einer 3D-Darstellung oder bildgebend (Projektion/Fläche/Querschnitt) zu visualisieren. All jene optischen Darstellungsmöglichkeiten erlauben unterscheidbare Informationsdarstellungen in unterschiedlicher Farbe, Helligkeit und Musterung.
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Im Wesentlichen soll bei der optischen, akustischen und/oder haptischen Darstellung für die mit der Prüfung befasste Person die Grundlage geschaffen werden, dass die Prüfung exakter, effizienter und schneller durchgeführt werden kann. Durch die Unmittelbarkeit mit der die Person die die Messqualität repräsentierenden Informationen vermittelt bekommt, können Fehlmessungen am Objekt ausgeschlossen werden.
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Zur Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens wird eine Anordnung zur überwachten, räumlich-aufgelösten Prüfung eines dreidimensionalen Objektes mit einem manuell handhabbaren, relativ zur Oberfläche des Objektes positionierbaren, zerstörungsfrei arbeitenden Prüfsensors vorgeschlagen, die zumindest die folgenden Komponenten aufweist.
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Zunächst ist ein manuell handhabbarer, relativ zur Oberfläche des Objektes frei positionierbarer, zerstörungsfrei arbeitender Prüfsensor zur Erzeugung von Objektspezifischen Prüfsignalen vorgesehen. Hierzu geeignete Sensoren weisen zumindest einen Ultraschallsensor, Wirbelstromsensor, Barkhausen-Sensor, Magnetfeldsensor und/oder einen Thermosensor auf.
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Des Weiteren umfasst die Anordnung ein die räumliche Lage und Position des manuell geführten Prüfsensors erfassendes Trackingmodul. Bevorzugte Trackingmodule ermitteln die räumliche Lage und Position des manuell geführten ZFPSs rein optisch, beispielsweise mit Hilfe eines ortsauflösenden Kamerasystems. Nicht notwendigerweise aber in bevorzugter Form können am ZFPS optisch erfassbare Marker angebracht sein, die im Rahmen einer geeigneten Bildauswertung zumindest die Raumlageerfassung des ZFPSs erleichtern. Ferner sind auch Trackingsysteme geeignet, die zu Ortungszwecken Funksender oder Ultraschallwellensender nutzen.
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Sowohl die mit Hilfe des Prüfsensors erfassbaren Prüfsignale sowie auch die von Seiten des Trackingmoduls gelieferten Informationen, die die räumliche Lage und Position des ZFPSs charakterisieren, werden kabel- oder kabellos einer Auswerte- und Steuereinheit zugeführt, in der die zugeführten Informationen unter Zugrundlegung wenigstens eines Bewertungskriteriums bewertbar sind.
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Schließlich dient eine geeignete gewählte Ausgabeeinheit zur akustischen, visuellen und/oder haptischen Darstellung wenigstens eines bewerteten Prüfsignals, einer hiervon abgeleiteten Information oder einer der Auswerteeinheit anderweitig zugeführten Information, bspw. von einem am ZFPS angebrachten Kontaktsensors. Vorzugsweise ist die Ausgabeeinheit als optischer Projektor ausgebildet, der die bewerteten Prüfsignale oder die hiervon abgeleitete Information auf die Oberfläche des Objektes visuell wahrnehmbar projiziert. Alternativ oder in Kombination können die bewerteten Informationen auch akustisch mit Hilfe eines geeigneten Lautsprechersystems umgesetzt werden. Denkbar wäre auch ein innerhalb des ZFPSs integrierter Vibrationsmechanismus, der der mit der Prüfung befassten Person durch Vibrationsalarm die vorstehend beschriebenen Informationen unterscheidbar zuführt.
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Um eine unabhängige vom Prüfsignal belastbare Information für den Nachweis zu erhalten, ob der ZFPS die Objektoberfläche kontaktiert oder nicht, sieht der ZFPS in einer Ausführungsvariante einen Kontaktsensor vor, der den Oberflächenkontakt zwischen dem ZFPS und der Oberfläche des Objektes detektiert und dabei ein Sensorsignal generiert, das der Auswerte- und Steuereinheit zuführbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerte- und Steuereinheit zudem eine manuelle und/oder sprachgesteuerte Eingabeeinheit auf, über die nutzerspezifische Informationen der Auswerteinheit zugeführt werden können.
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In bevorzugter Weise eignen sich die lösungsgemäß ausgebildete Anordnung sowie das mit der Anordnung durchführbare Verfahren zur Überprüfung einer Schweißnaht an einem Objekt. Hierbei verfügt der ZFPS über einen geeignet ausgebildeten Ultraschallprüfkopf, mit dem das Objekt zur Untersuchung auf Materialungänzen zu durchschallen vermag.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- 1 Komponentendarstellung für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur überwachten, räumlich-aufgelösten Prüfung eines dreidimensionalen Objektes,
- 2a, b Prüfsignaldarstellung für einen Ultraschall-Prüfsensor (a) sowie für ein Wirbelstromsensor (b),
- 3 Darstellung möglicher Varianten zur Erzeugung eines die dreidimensionale Raumform eines zu prüfenden Objektes repräsentierenden Datensatzes,
- 4a, b Prüfsensor mit individuell an die Oberflächenkontur des zu prüfenden Objektes angepasster Kontaktschablone,
- 5 Illustration zur Unterscheidung zwischen einer korrekten bzw. tolerablen Prüfsensorneigung und einer nicht korrekten Prüfkonstellation an einer Messposition, sowie
- 6 Illustration zur Prüfung einer Schweißnaht innerhalb eines Objektes.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 illustriert eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur überwachten, räumlich-aufgelösten Prüfung eines dreidimensionalen Objektes 1 mit einer manuell handhabbaren, relativ zur Oberfläche des Objektes 1 frei positionierbaren, zerstörungsfrei arbeitenden Prüfsensors, ZFPSs. Als ZFPS eignen sich ein Ultraschall-, Wirbelstrom-, Barkhausen-Rauschen-, oder Thermosensor-Prüfkopf.
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Bei Verwendung eines Ultraschallwellen-Prüfkopfs als ZFPS werden die in 2a schematisiert illustrierten Prüfsignale PS erhalten. Befindet sich der ZFPS nahe der Oberfläche des Objektes 1ohne diese zu kontaktieren, so zeichnet der ZFPS lediglich an der Objektoberfläche reflektierte Ultraschallwellen auf, die sich im Prüfsignal als ein einziges Oberflächenreflexionssignal widerspiegeln (siehe oberes Prüfsignal in 2a. Sobald der ZFPS die Objektoberfläche berührt, tritt zusätzlich zum Oberflächenreflexionsereignis wenigstens ein weiteres Reflexionsereignis an der der Oberfläche gegenüberliegenden Objektunterseite hinzu (siehe unteres Prüfsignal gemäß 2a). Somit ist es möglich als Entscheidungskriterium für eine Oberflächenkontaktierung des ZFPSs am Objekt 1 ausschließlich das Prüfsignal PS selbst zu verwenden. Handelt es sich jedoch bei dem ZFPS um einen Wirbelstromsensor, so kann aus diesem Prüfsignal, siehe 2b, kein diesbezügliches Unterscheidungskriterium abgeleitet werden. In beiden Fällen, das heißt mit und ohne Kontakt stellt sich ähnlich in Erscheinung tretendes Prüfsignal PS, siehe 2b oben und unten, ein. In einem derartigen Fall gilt es zusätzlich am ZFPS einen taktil oder berührungsfrei arbeitenden Kontaktsensor 2 vorzusehen, der den Oberflächenkontakt zwischen dem ZFPS und der Oberfläche des Objektes 1 erfasst und ein Sensorsignal KS generiert, das gemeinsam mit dem von Seiten des ZFPSs herrührenden Prüfsignal PS an die Auswerte- und Steuereinheit 3 übertragen wird. Aber auch bei der Verwendung von Ultraschallprüfköpfen ist das Vorsehen zusätzlicher Kontaktsensoren vorteilhaft. So können auf diese Weise zusätzlich die Bereiche mit fehlenden Kopplungsmedium detektiert werden. Bei der elektromagnetischen Ultraschallprüfung (EMUS) wird ein Kontaktsensor in der bevorzugten Konfiguration empfohlen, weil die EMUS-Sensoren in einem Intervall der Abhebung zur Oberfläche die Ultraschalwellen generieren. Das beste Signalrauschverhältnis wird in einem direkten Kontakt (IO Zustand) erreicht und kann im Sensorsignal KS des Kontaktsensors eindeutig identifiziert werden. Die Signalübertragung erfolgt vorzugsweise kabellos, um die Handhabbarkeit des ZFPSs nicht zu beeinträchtigen.
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Ein Trackingmodul 4, ermöglicht die exakte Positionsbestimmung sowie auch die Lageerfassung des ZFPSs. Das Trackingmodul 4 vermag vorzugsweise den ZFPS ausschließlich optisch erfassen, bspw. mittels einer ortsauflösenden Kameraanordnung. Alternativ können am ZFPS Funk- oder Ultraschallsender angebracht sein, deren Ortung im Wege der Triangulation erfolgt.
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Schließlich ist eine Ausgabeeinheit 5 erforderlich, durch die optische, akustische und/oder haptisch wahrnehmbare Signale für eine mit der Prüfung des Objektes 1 befasste Person wahrnehmbar darstellbar sind. Die Ausgabeeinheit 5 befindet sich in bidirektionalem Informationsaustausch mit der Auswerte- und Steuereinheit 3, die ihrerseits in entsprechendem Informationsaustausch sowohl mit dem ZFPS als auch mit dem Trackingmodul 4 steht.
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In der Praxis setzt eine mit der zerstörungsfreien Prüfung des Objektes 1 befasste Person den ZFPS auf die Oberfläche des Objektes 1 auf, wodurch der ZFPS an der gewählten Messposition automatisch eine Messung durchführt und wenigstens ein Prüfsignal PS generiert, das von Seiten des ZFPSs der Auswerte- und Steuereinheit 3 zugeleitet wird. Wird der Oberflächenkontakt zwischen dem ZFPS und dem Objekt 1 entweder durch eine Prüfsignalauswertung oder durch den gegebenenfalls zusätzlich vorgesehene Kontaktsensor 2 bestätigt, so generiert die Auswerte- und Steuereinheit 3 ein für die mit der Prüfung befassten Person wahrnehmbares Bewertungssignal BS, das den Messvorgang als IO, das heißt in Ordnung, bestätigt. Sollte sich bei der Bewertung des Prüfsignals PS bzw. des Kontaktsignals KS innerhalb der Auswerte- und Steuereinheit 3 ein negatives Ergebnis einstellen, so wird ein entsprechendes Signal durch die Ausgabeeinheit 5 darstellt, anhand der die Person feststellt, dass sie den ZFPS nachzujustieren hat
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sieht die Anordnung ein so genanntes Geometriemodul 6 vor, das gleichsam wie der ZFPS oder auch das Trackingmodul 4 in einem bidirektionalen Informationsaustausch zur Auswerte- und Steuereinheit 3 steht und eine die äußere Gestalt des Objektes 1 beschreibende binäre Datei bereitstellt bzw. diese selbständig generiert und anschließend bereitstellt. In 3 sind unterschiedliche Ausgestaltungsmöglichkeiten des Geometriemoduls 6 im Einzelnen angegeben. Zum einen kann die dreidimensionale Raumform des Objektes 1 im Wege einer CAD-Datei bereitgestellt werden, die im Vorfeld im Rahmen eines softwaregestützten Konstruktionsprogrammes gewonnen wird.
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Alternativ ist es möglich die dreidimensionale Raumform im Wege eines 3D-Scans als binäre Datendatei zu erhalten. Hierzu sind an sich bekannte optische Scanverfahren verfügbar, die über eine für die Prüfung ausreichende räumliche Auflösung verfügen.
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Ebenso ist es alternativ möglich, die dreidimensionale Raumform des Objektes mittels der vorhandenen Systemressourcen zu ermitteln. So ermöglicht das vorstehend erläuterte Trackingmodul 4 eine räumliche Positions- und Lageerfassung des ZFPSs. Durch eine Vielfachabtastung der Oberfläche des Objektes 1 mit Hilfe des ZFPs lässt sich die Vielzahl unterschiedlicher Kontaktpunkte an der Oberfläche des Objektes 1 erfassen, aus der die Oberflächenform des Objektes ermittelbar ist.
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In einem weiteren, alternativen Spezialfalls, in dem das Objekt größtenteils über eine durch eine Regelgeometrie beschreibbare Objektoberfläche verfügt, beispielsweise über eine plane, sphärische oder zylindrische Objektoberfläche, kann der ZFPS mit einer geeignet ausgebildeten Kontaktschablone 7 versehen, die eine fehlerhafte Neigung des ZFPSs relativ zur Objektoberfläche am Ort einer Messposition auszuschließen vermag. Dieser Fall ist insbesondere auch in den 5a, b illustriert. Im Falle von 4a sei angenommen, dass das Objekt 1 über eine ebene Oberfläche verfügt, wobei der ZFPS von einer Kontaktschablone 7 derart umfasst ist, so dass eine korrekte Kontaktierung zwischen ZFPS und der Oberfläche des Objektes 1 gewährleistet ist. Dies ist in den beiden Sequenzdarstellungen gemäß der 4a illustriert. In der oberen Darstellung gemäß 4a ist der ZFPS beabstandet zur Oberfläche des Objektes 1 dargestellt, wohingegen in der unteren Darstellung gemäß 4a der ZFPS bedingt durch die zusätzliche Kontaktschablone 7 in einer exakt vorgegebenen Lage auf der Oberfläche aufsitzt. Im Falle 4b handelt es sich um ein zylindrisches Objekt 1, zu dessen kreisrunde Mantelfläche die Kontaktschablone 7 entsprechend gegenkonturiert ausgebildet ist, so dass sichergestellt ist, dass im Falle der Kontaktierung (siehe 4b untere Darstellung) der ZFPS korrekt an der Oberfläche aufsitzt. In beiden dargestellten Fällen gilt es den ZFPS in einer geeigneten Ausrichtung relativ zur Normalen der Objektoberfläche am Ort der Messposition aufzulegen.
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Gilt es jedoch Objekte zu untersuchen, deren Oberflächen größtenteils Freiformflächen aufweisen, so ist der ZFPS auch ebenso möglichst orthogonal zur Objektoberfläche an der Messposition auszurichten. Um die Neigung des ZFPSs relativ zur Objektoberfläche bestimmen zu können, bedarf es der Kenntnis der dreidimensionalen Objektform, die sich aus der vorstehend bezeichneten binären Datei entnehmen lässt. Im Rahmen des Geometriemoduls 6 wird in Kenntnis der mit Hilfe des Trackingmoduls 4 erfassten Messposition M an einem Oberflächenort des Objektes 1 die zugehörige Oberflächengeometrie bestimmt sowie die räumliche Lage der an der Messposition verorteten Oberflächennormalen. Auf der Grundlage der bekannten Oberflächennormalen ON sowie der bekannten räumlichen Lage BL des ZFPSs wird eine eventuell vorhandene Neigung N des ZFPSs relativ zur Oberflächennormalen bestimmt. In 5 sei dies anhand einer Grafik erläutert. Im Idealfall ist der ZFPS parallel zur Oberflächennormalen ON am Ort der Messposition M kontaktierend auf dem Objekt 1 ausgerichtet, wie dies in 5 illustriert ist. Abweichend zur Oberflächennormalen ON können korrekte Prüfsignale mit dem ZFPS erhalten werden, so lange die Neigung des ZFPS relativ zur Oberflächennormalen innerhalb eines vom Messposition M ausgehenden kegelförmigen Toleranzbereiches T liegt. Kontaktiert der ZFPS zu Prüfzwecken die Oberfläche des Objektes 1 an einer vorgegebenen Messposition M und ist darüber hinaus die Neigung des ZFPs innerhalb des kegelförmigen Toleranzbereiches T, so wird die Messkonstellation als „IO“, das heißt in Ordnung, bewertet. Wird jedoch der ZFPS durch die mit der Prüfung befassten Person kontaktierend auf die Oberfläche des Objektes 1 aufgesetzt, dies jedoch mit einer größeren Neigung als der durch den Toleranzbereich T vorgegebenen tolerablen Neigung, so wird mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit 3 ein Bewertungssignal „NIO“ generiert, das mit Hilfe der Anzeigeeinheit 5 in geeigneter Weise dargestellt wird. Die Person ist damit aufgefordert, den ZFPS entsprechend nachzujustieren.
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Die Darstellung des entsprechenden Bewertungssignals BS mit Hilfe der Anzeigeeinheit 5, die vorzugsweise als optischer Projektor bzw. Beamer ausgebildet ist, kann in unterschiedlichster Weise ausgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe geeigneter Farb- oder Helligkeitscodierungen oder der Darstellung numerischer Werte, die dem Prüfsignal PS oder von dem Prüfsignal abgeleitete Werte darstellen und von der Person in geeigneter Weise zu interpretieren sind. Vorzugsweise erfolgt die Projektion der Informationen direkt auf die Oberfläche des Objektes 1.
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In 6 ist eine Prüfsituation illustriert, bei der die Prüfung eines Objektes 1 durchgeführt wird, das eine Schweißnaht 8 enthält. In diesem Fall wird der ZFPS seitlich zur Schweißnaht 8 auf die Oberfläche des Objektes 1 aufgesetzt. Der in diesem Fall mit einer Kontaktschablone 7 ausgestattet ZFPS vermag Ultraschallwellen in das Objekt 1 einzukoppeln, die sich im Wege von Mehrfachreflexionen in Richtung der Schweißnaht 8 ausbreiten und an dieser zumindest teilweise reflektiert werden. Die reflektierten Ultraschallwellensignale werden vom ZFPS empfangen und entsprechend ausgewertet.
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Die lösungsgemäße Anordnung sowie das damit verbundene lösungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes ermöglicht eine fehlerfrei Onlineüberwachung eines manuell geführten ZFPSs längs der Oberfläche eines zu überprüfenden Objektes, zumal Fehlmessungen bedingt durch eine inkorrekte Handhabung des ZFPSs erkannt und ausgeschlossen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Kontaktsensor
- 3
- Auswerte- und Steuereinheit
- 4
- Trackingmodul
- 5
- Ausgabeeinheit
- 6
- Geometriemodul
- 7
- Kontaktschablone
- 8
- Schweißnaht
- ZFPS
- Prüfsensor
- KS
- Kontaktsignal
- PS
- Prüfsignal
- ON
- Oberflächennormale
- BL
- Bekannte Lage
- M
- Messposition
- N
- Neigung