DE3306194A1

DE3306194A1 - Verfahren zur pruefung von schraubenoberflaechen auf fehler und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE3306194A1
Application number: DE19833306194
Authority: DE
Inventors: Souji Yamatokohriyama Nara Ishimoto; Mitsuhiko Amagasaki Hyogo Kamei; Shin Toyonaka Osaka Nemoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1982-02-25
Filing date: 1983-02-23
Publication date: 1983-09-08
Also published as: GB8305360D0; GB2115924A; US4598998A; FR2522149A1; GB2115924B; DE3306194C2; FR2522149B1

Description

VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Sumitomo Kinzoku Kogyo

Dr.-Ing. K. Schonwald, Köln

Kabushiki Gaisha Dr.-Ing. K. W. Bshold, Bod Soden

15, Kitahama 5-Chome, Dr. J. F. Fues, Köln

Higashi-Ku, Osaka, Japan E^ip!-"?^em· ^^lek ,^{von 1}^⁵If', ^Költt

^J Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

w^ τ. · ι. · ^ ι · Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln

Mitsubishi Denkl Dr. H.-K. Werner, Köln

Kabushiki Kaisha
No. 2-3, Marunouchi 2-Chome,
Chiyoda-Ku, Tokyo 100,

Japan deichmannhaus am hauptbahnhof

D-5000 KÖLN T Sg-fz

22. Februar 1983

Verfahren zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Prüfverfahren auf Oberflächenfehler von Schraubengewinden während der maschinellen Herstellung der Schrauben sowie eine Vorrichtung zur praktischen dieses Prüfverfahrens.

Zur Gütekontrolle is es unerläßlich, die Schraubengewinde-Elemente wie Steigung, Ganghöhe und Höhe zu messen und den Schraubenkopf auf Fehler der Oberfläche zu überprüfen. Bisher wird die Messung mit Hilfe von Kontaktinstrumenten vie verschiedenartigen Lehren durchgeführt, und es wurden verschiedene Versuche unternommen, diese Messungen zu automatisieren. Die Prüfung der Schraubenoberflächen auf Fehler hängt jedoch fast ausschließlich von der visuellen überwachung ab, und infolgedessen gibt es bisher in der Praxis kein automatisches Prüfverfahren bzw. eine Apparatur für einen solchen Zweck. Dementsprechend zielt die vorliegende Er-

findung auf ein Verfahren und eine Apparatur zur automatischen Prüfung von Schrauben auf Fehler ihrer Oberfläche.

Der Stand der Technik eines solchen Prüfapparatur ist in der JP-Patentanmeldung Nr. 54-150163 offenbart.

Hierzu wird zunächst eine Erläuterung anhand der Fig. gegeben. Eine Schraube 10, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, wird mit schräg zu der Schraube 10 sowie nicht-senkrecht zu ihrer Achse 11 oder der Hüllflache 12 einfallendem Licht bestrahlt, so daß die eine Flanke

13 vollständig im Schatten liegt und die andere Flanke

14 teilweise abgeschattet wird, wodurch ein Bild der Schraube 10 senkrecht zu der Achse 11 oder der Hüllfläche 12 aufgenommen wird und eine optische Information erhältlich ist, die die Verteilung des reflektierten Lichts zeigt, dessen Helligkeit bei den abgeschatteten Teilen einen niedrigen Wert besitzt. In dem Fall, in dem keine Fehler auf der Oberfläche des Schraubengewindes vorhanden sind, stellt die optische Information auch ein regelmäßiges, zwischen hell und dunkel alternierendes Muster dar, wie es die Fig. 2 zeigt. Wenn demgegenüber beispielsweise ein Fehler an dem unbearbeiteten Kern vorliegt, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, wird die bestrahlte Flanke 14 über ihre gesamte Fläche bis zum Fuß hin bestrahlt, jedoch ist die Helligkeit des reflektierten Lichts, die von Bildempfangsgerät registriert wird, an der Kante zwischen der Flanke 14 und dem flachen Kern 16 gering, so daß eine Helligkeitsverteilung des reflektierten Lichts entsteht, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist; erhalten wird also nicht das regelmäßige Hell-Dunkel-Muster wie in Fig. 2, sondern ein unregelmäßiges Hell-Dunkel-Muster wie in Fig. 4. Obwohl ein derartiges Muster den

Nachweis verschiedener Oberflächenfehler ermöglicht, vermag das Prüfgerät gemäß dem Stand der Technik, soweit dem erwähnten Meßprinzip zu entnehmen, nur große Fehler in den Schraubenelementen wie unangemessene Höhe und Steigung nachzuweisen. Es ist jedoch bisher voll-, ständig unmöglich, eine kleine Oberflächenfehler des Schraubengewindes zu überwachen, so daß eine solche überwachung bisher üblicherweise unvermeidlich auf einer visuellen Prüfung beruht. Diese Situation bildete den Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Prüfverfahren und ein Gerät für dieses anzugeben, das befähigt ist, automatisch mit hoher Geschwindigkeit und mit Genauigkeit winzige Oberflächenfehler an einer Schraube, die als Kerben oder Einschnitte bezeichnet werden, Werkzeugspuren und dergleichen nachzuweisen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist außerdem, ein Prüfverfahren und ein Gerät für dieses anzugeben, das befähigt ist, jeden winzigen Fehler auf der Gesamt-Oberfläche des Schraubengewindes, d.h. aus der Gewindespitze dem Gewindefuß und den Flanke, nachzuweisen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, ein Prüfverfahren auf Fehler der Oberfläche von Schrauben und ein Gerät für dieses anzugeben, das nur mit einem photoelektrischen Umsetzer für- di« Aufnahme des von der Schraubenoberfläche reflektierten Lichts ausgerüstet zu werden braucht, wodurch die Signalverarbeitungsschaltung für das von dem photoelektrischen Umsetzer aufgenommene Signal vereinfacht wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, ein Prüfverfahren auf Fehler der Oberfläche von Schrauben und ein Gerät für dieses anzugeben, das befähigt ist, die Stelle des Fehlers-an Gewindespitze, Kern oder Flanke zu orten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, ein Prüfgerät anzugeben, das zum Nachweis einer durch den Fehler verursachten Anomalie des Signals vom Ausgang des photoelektrischen Umsetzers imstande ist, und zwar unabhängig von den verschiedenen Arten solcher Fehler, wodurch eine exakte Fehler-Prüfung ermöglicht wird, und das eine Schaltung einfacher Bauart enthält.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, ein Prüfgerät für die Oberfläche von Schraubengewinden auf Fehler anzugeben, das zu einer automatischen überwachung der gesamten peripheren Oberfläche der Schraube befähigt ist.

Diese und weitere Ziele werden näher erläutert in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den folgenden Beispielen. Zur Erläuterung dienen auch die beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der Prüfung gemäß dem Stand

der Technik,

Fig. 2 das Helligkeitsmuster des reflektierten Lichts, das der Fig. 1 entspricht,

- y-

Fig. 3 das Auftreten o.inos Fehlers auf der

Schraubenoberfläche, wie er gemäß dem Stand der Technik festgestellt wird,

Fig. 4 die Helligkeit des reflektierten Lichts, gemäß Fig. 3,

Fig. 5 das Prinzip einer Ausführungsform des

Prüfverfahrens nach der Erfindung,

Fig. 6 ein Beispiel von Lichtflecken unter

Reflexionsbedingungen.

Fig. 7 eine graphische Darstellung der

Wellenform eines photoelektrisch umgeformten Signals des reflektierten Lichts,

Fig. 8 bis 13 Wellenformen von photoelektrischen Umformungssignalen, die jeweils be

stimmten Fehlerkonfigurationen entsprechen,

Fig. 14 und 15 Darstellungen zur Erläuterung der

Lichtflecken-Projektionsrichtung zusammen mit dem Querschnitt des

Schraubengewindes,

Fig. 16 und 17 den Aufbau des optischen Systems bei

einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 18 eine Signalverarbeitungsschaltung der

Vorrichtung,

Fig. 19 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des

Betriebs der in der Fig. 18 dargestellten Vorrichtung,

Fig, 20 ein Schaltungsdiagramm einer Signal-Verarbeitungsschaltung einer

modifizierten Ausführungsform des Apparats und

Fig. 21 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 20 dargestellten Vorrichtung.

Das Verfahren zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtfleck auf die Oberfläche einer Schraube projiziert und axial abgestatet wird, um das von der Projektionsflache reflektierte Licht auszuwerten, wodurch Fehler auf der Schraubenoberfläche aufgrund vor Information der zeitlichen Änderung der Intensität des reflektierten Lichts nachgewiesen werden.

Zunächst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Profil einer Schraube 10 ist in der Fig. 5 dargestellt. Der auf die Achse 11 der Schraube 10, und zwar senkrecht zur Achse 11 oder zur Hüllfläche der Schraube 10, gerichtete Lichtstrahl wird auf die Oberfläche der Schraube 10 projiziert und bildet dort einen Lichtfleck 22. Dann wird der Lichtstrahl bewegt, beispielsweise parallel zu der Achse 11, um mittels des Lichtflecks 22 ein Abtasten durchzuführen. Während des Abtastens nimmt ein photoelektrischer Umsetzer das reflektierte Licht 23 von der Schraubenoberfläche auf, wodurch ein photoelektrisches Umformungssignal erhalten wird.

Außerdem kann der photoelektrische Meßumformer zusammen mit dem Abtasten des Lichtflecks 22 bewegt werden, oder er kann eine ausreichende Länge besitzen, um das
reflektierte Licht aus dem Abtastbereich aufzunehmen.

Die Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Profils
der Schraube 10, worin der auf die Spitze 15 des
Schraubengewindes projizierte Lichtfleck 22 an dem
Spitzenteil in Richtung des projizierenden Lichtstrahls 21 reflektiert wird, da die Spitze 15 als ein konvexer

Spiegel wirkt, jedoch die Reflexion des Lichtflecks 22
der Streuung unterliegt, je mehr sich dieser einer
Flanke 13 oder 14 nähert. Andererseits wird der auf den Kern 16 des Schraubengev/indes projizierte Lichtfleck 22 vom Kern 16 in Richtung des projizierenden Lichtstrahls 21 reflektiert, da der Kern 16 wie ein Konkavspiegel
wirkt, jedoch wird das reflektierte Licht des
Lichtflecks 22 in der Nähe der Flanken 13 oder 14
gebündelt und dann außerhalb der Schraube 10 zerstreut. Das von den Flanken 13 und 14 reflektierte Licht

erleidet Mehrfachreflexion zwischen diesen und wird

dementsprechend breit gestreut. Infolgedessen verlaufen die zeitlichen Änderungen des Wertes der Intensität des reflektierten Lichts, das von dem photoelektrischen
Umsetzer aufgenommen wird, oder eines von dem Umsetzer

abgegebenen elektrischen Signals in der Weise, daß sie
bei der Projektion der Lichtflecke 22 auf den Spitzen
15 und den Kern 16 der Schraube 10 Maximalwerte zeigen
und daß sie bei der Projektion auf die Flanken 13 oder 14, niedrige Werte annehmenwie dies aus der graphischen Darstellung der Wellenform der Fig. 7 zu ersehen ist.

- r-•41·

Wenn Strahlung rechtwinklig auf die Schraube 10 gerichtet ist, erhält man das die genannten Veränderungen zeigende und regelmäßig alternierende Signal, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist. Wenn jedoch auf der Schraubenoberfläche irgendwelche Fehler auftreten, weicht das Reflexionsbild des Fehlers von dem des normalen Teils ab, so daß das Signal sich in seinem Wiederholungsmuster von dem oben beschriebenen unterscheidet.

Das Prüfverfahren richtet sich auf die Prüfung des Vorkommens von Fehler aufgrund des Nachweises solcher Signal-Anomalien. Zunächst wird das Muster des Ausgangssignals des photoelektrischen Meßumformers dargestellt, das einen typischen Fehler eines Verschraubungselements betrifft, wie er an den Enden eines Rohres einer Ölbohrung auftritt.

Die Fig. 8a ist eine Wellenform, die den als Kerbe oder Einschnitt (nick or gouge) bezeichneten Oberflächenfehler anzeigt, der durch einen Schlag gegen einen Fremdkörper während des Transports oder der Handhabung verursacht wird und und wie eine örtliche Einkerbung oder Abplattung an der Oberfläche der Spitze des Schraubengewindes aussieht, Die Wellenform des durch einen solchen Fehler hervorgerufenen Signals zeigt eine extrem starke Zunahme des der fehlerhaften Spitze entsprechenden Spitzenwertes, wie dies in der Fig. 8b dargestellt ist, oder aber eine extrem ver- ringerte Intensität der Reflexion von der betreffenden Spitze, wie dies in der Fig. 8c dargestellt ist.

Die Fig. 9c zeigt den als Werkzeugspur bezeichneten Fehler, der durch ein schlechtes Werkzeug oder anomale Schwingungen während des Gewindeschneidens verursacht

wird und sich durch eine auf der Oberfläche der Schraube in deren Längs- oder Umfangsrichtung erstreckende leichte Rauhigkeit zu erkennen gibt. Wie in der Fig. 9b dargestellt ist, erniedrigt ein solcher Fehler die Intensität des betreffenden Schraubenteils, so daß eine scharfe Vibration des niedrigen Wertes in denjenigen Teilen auftritt, die der Spitze und der Flanke entsprechen.

Fig. 10 zeigt den als rauhe Oberfläche bezeichneten Fehler, der durch eine ungeeignete Kombination aus Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs einer Gewindeschneidevorrichtung oder aber dadurch verursacht wird, daß Späne zwischen das Schneidwerkzeug und die Schraube gelangen. Die Schraubenoberflache ist in Umfangsrichtung zerkratzt und wird unregelmäßig rauh, so daß die Wellenform des Signals gemäß Fig. 10b in dem der Spitze entsprechenden Teil verkleinert ist und sanfte Schwingungen an den der Spitze und der Flanke entsprechenden Teilen aufweist.

Die Fig. 11 zeigt den als Rost bezeichneten Oberflächenfehler, bei dem es sich um einen Rest von Eisenoxid auf der Oberfläche handelt, der während des Gewindeschneidens nicht entfernt wurde, so daß der den Rost aufweisende Teil fast schwarz wird, so daß er das Licht nicht reflektiert, während die anderen Teile wie ein Spiegel poliert sind. Hierdurch entsteht das in der Fig. 11b dargestellte flache Signal auf niedrigem Niveau, das dem Rost entspricht.

Die Fig. 12 zeigt den als Naht bezeichneten Oberflächenfehler, der bei Schraubengewinden mit Trapezform gefunden wird und verursacht wird durch Faltung, Krat-

zer oder Leerstellen des Materials während des Schneidens oder durch einen winzigen Riß in einem Schneidwerkzeug. Dieser Fehler zeigt sich in Form einer Naht, die sich in Achsen- oder Umfangsrichtung auf der Oberseite der flachen Spitze bzw. auf dem Boden des Kerns erstreckt. Dementsprechend umfaßt das Signal, wie es in der Fig. 12 dargestellt ist, in den Gebieten flacher und hoher Niveaus der Ausgangssignale, die der Spitze oder dem Kern entsprechen, Stellen eines plötzliehen Abfallens.

Fig. 13a zeigt den als Span bezeichneten Oberflächenfehler, der verursacht wird durch eine Berührung mit dem Futter oder einen Schlag gegen das Futter der Gewindeschneidemaschine, so daß in dem trapezförmigen Schraubengewinde der ebene Teil an der Spitze örtlich so gebrochen wird, daß er rauh und nicht-reflektierend wird. Dementsprechend zeigt das Signal, wie dies in der Fig. 13b dargestellt ist, einen niedrigen Wert nur in dem Teil, wo der Splitter auftritt.

Der Nachweis der anomalen Signal-Komponenten, die im Vorstehenden beschrieben wurden, wird durch die unten zu diskutierende Signalverarbeitungsschaltung durchgeführt .

Es folgt eine Erläuterung der Projektionsrichtung des Lichtstrahls 21 zur Bildung des Lichtflecks 22. In bezug auf die axiale Richtung ist zunächst in der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Projektionswinkel (der als der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normalen zu der Achse 11 oder der Arbeitsfläche 12 definiert ist) des Lichtstrahls oder Lichtflecks bezüglich der Achse 11 oder Hüllfläche 12

-A -

in der Ausführungsform der Fig. 5 Null Grad, jedoch muß der Projektionswinkel Null nicht über die gesamte Strecke des Abtastbereichs eingehalten werden. Mit anderen Worten, es wird vorausgesetzt, daß ein Projektionswinkel θ bezüglich der Achse 11 oder der Hüllfläche 12, wie er durch die strichpunktierten Linien bezeichnet wird, in einem Bereich einbezogen wird, in dem dieser Winkel kleiner ist als der Komplementärwinkel (90° - α) zu einem Winkel _a zwischen der Hüllfläche 12 und der Flanke 13 oder 14. Unter diesen Bedingungen wirft die Spitze 15 des Schraubengewindes keinen Schatten, so daß der Lichtfleck 22 über den Gesamtbereich der Spitze.15, des Kerns 16 und der Flanken 13 und 14 hinweg projiziert werden kann und damit eine überprüfung der gesamten Fläche ermöglicht wird. Außerdem ist es auch möglich, daß das Abtasten durch den Lichtfleck 22 nicht nur mittels einer Parallelbewegung erfolgt, sondern auch mittels einer Schv/ingungsbewegung der Lichtquelle, wodurch die Flexibilität der Herstellung des optischen Systems erhöht wird.

Andererseits ist in bezug auf die radiale Richtung in der Ausführungsform der Fig. 5 die Führung des Licht-Strahls 21 so angepaßt, daß dieser auf die Achse der Schraube 10 gerichtet werden kann. In Fig. 14 sind die Art der Projektion und Reflexion des Lichtflecks zusammen mit dem Querschnitt der Schraube dargestellt, wobei der Projektionswinkel bezüglich der Tangente zu der Schraubenoberfläche so gewählt ist, daß er 0° beträgt (der Projektions· winkel ist wie im Vorstehenden als der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normalen zu der Schraubenoberfläche definiert). Wenn die Projektion und Reflexion solchermaßen durchgeführt werden, wandert das reflektierte Licht 23,

das sich radial bewegt, in der Projektionsrichtung. Aus diesem Grund braucht der vorgenannte Projektionswinkel nicht streng Null zu sein, und ein Winkel innerhalb eines Bereichs, der dem Durchmesser des Lichtflecks oder der Lichterapfängerflache des photoelektrischen Umsetzers entspricht, ist zugelassen, wobei der Projektionswinkel dafür ausreicht, daß das reflektierte Licht des Lichtflecks mittels eines photoelektrischen Umsetzers aufgenommen werden kann.

Fig. 15 zeigt ein anderes Projektionsverfahren, bei dem der Projektionswinkel bezüglich der Tangente 17 an die Schraubenoberfläche nicht 0° ist. Infolgedessen sind bei dieser Durchführung der Projektion des Lichtstrahls die Projektionswinkel bezüglich der Tangenten 17a, 17b und 17c, bei denen der Lichtfleck 22 sich auf der Spitze 15, den Flanken 13 oder 14 oder dem Kern 16 befindet, verschieden und betragen ßa, ßb und ßc, was verschiedene Richtungen des reflektierten Lichts 23a, 23b und 23c zur Folge hat. Dementsprechend werden bei einer solchen Art der Projektion des Lichtstrahls die photoelektrischen Umsetzer an verschiedenen Orten relativ zum Umfang angeordnet, so daß sie die reflektierten Lichtstrahlen 23a, 23b und 23c getrennt empfangen und somit die Ausgangssignale jedes der photoelektrischen Umsetzers als Signale für die überprüfung auf Oberflächenfehler dienen. Kurz gesagt, hierdurch kann der Ort, an dem der Oberflächenfehler auftritt, für die Spitze 15, die Flanken 13 oder 14, und den Kern 16, getrennt bestimmt werden. Hinsichtlich des Projektionswinkeis kann der photoelektrische Umsetzer zur Aufnahme des reflektierten Lichts 23b von der Flanke auch als derjenige zur Aufnahme des reflektierten Lichts von der Spitze 15 oder von dem Kern 16 eingesetzt werden.

Im Folgenden v/ird ein Apparat für die praktische Durchführung des Prüfverfahrens beschrieben. Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems dieses Apparats, in dem die Schraube 10 senkrecht in einem Drehfutter 31 gehaltert ist und um ihre Achse 11 drehbar ist.

Ein Laserstrahl-Oszillator 32 ist getrennt in einem geeigneten Abstand von der Schraube 10 angebracht, und ein von dem Laserstrahl-Oszillator 32 herkommender Laserstrahl 21 wird durch eine Kondensorlinse 36 auf einen polygonalen Abtast-Drehspiegel 33 mit waagerechter Drehachse geführt, von diesem Spiegel 33 reflektiert und auf die Oberfläche der Schraube 10 projiziert, wodurch der Lichtfleck 22 erzeugt wird. Der Laserstrahl-Oszillator und der Drehspiegel 33 sind dabei so angeordnet, daß der Lichtfleck 22 durch Drehung des Drehspiegels 33 mit hoher Geschwindigkeit die Schraube 10 axial abtastet. Im übrigen ist die Lichtquelle nicht auf einen Laserstrahl-Oszillator beschränkt, sondern sie muß nur die Bildung eines Lichtflecks eines geeigneten Durchmessers ermöglichen. Auch die Abtastvorrichtung für den Lichtfleck 22 ist nicht auf einen Drehspiegel beschränkt, sondern sie muß das Abtasten des Lichtflecks 22 über eine vorher festgelegte Strecke ermöglichen; beispielsweise können auch ein galvanometrischer Abtaster oder eine Ultraschallablenkung eingesetzt werden. Die Projektionswinkel des Laserstrahls 21 auf die Schraube 10 sind in deren oberen und unteren Teilen unterschiedlich, jedoch wird für den Drehspiegel 33 ein solcher Abstand von der Schraube 10 festgelegt, daß die im Vorstehenden angegebene Bedingung erfüllt wird. In dieser Ausführungsform sind der Laserstrahl-Oszillator 32, der Drehspiegel 33

und die Schraube 10 so zueinander angeordnet, daß der Laserstrahl sich in der gleichen Weise auf die Achse zubewegt, wie dies in der Fig. 14 dargestellt ist.

In den Strahlengang des Laserstrahls 21 ist ein Strahlenteiler 34 zwischen dem Drehspiegel 33 und der Schraube 10 eingesetzt, der so angoerdnet ist, daß er den Lichtweg des reflektierten Lichtes 23 gegenüber dem des projizierten Lichts verschiebt, so daß das reflektierte Licht 23 einem photoelektrischen Umsetzer 35 zugeleitet wird.

Der photoelektrische Umsetzer 35 umfaßt ein Element, das in seiner senkrechten Länge etwa gleich groß ist wie der Abtastbereich des Lichtflecks 22 und nur eine geringe Breite besitzt und nur ein Spannungssignal abzugeben braucht, dessen Wert der Intensität des empfangenen Lichts entspricht; beispielsweise einsetzbar hierfür ist eine Pin-Photodiode PIN-L9, hergestellt von United Detector Technology. Ein vor dem photoelektrischen Umformer angeordnetes Filter sorgt dafür, dieser nicht von anderem Licht als demjenigen des Laserstrahls beeinflußt wird.

In dem oben beschriebenen Apparat wird der Laserstrahl-Oszillator 32 im Schwingungszustand gehalten, der Drehspiegel 33 rotiert mit hoher Geschwindigkeit, und das Drehfutter 31 dreht sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wodurch der Lichtfleck 22 dazu gebracht wird, die Schraube 10 in der Hauptrichtung ihrer Achse und in der Nebenrichtung ihres Umfangs abzutasten und der photoelektrische Umsetzer 35 das von dem abgetasteten Bereich reflektierte Licht empfängt.

Weiterhin kann der photoeloktrische Umsetzer in bezug auf seine senkrechte Länge auch verkleinert werden, wenn eine Kondensorlinse oder ein optisches Faserbündel zwischen den Strahlenteiler 34 und den photoelektrisehen Meßumformer gebracht werden. In dem Fall, in dem der Abtastbereich des Lichtflecks, zwecks Erfüllung der Bedingung für den Projektionswinkel in bezug auf die axiale Richtung der Schraube 10, kleiner ist als die gesamt Länge der Schraube in Richtung ihrer Achse, wird ein Drehfutter mit einer Hebevorrichtung eingesetzt, um die überprüfung in Übereinstimmung mit den vorgenannten Bedingungen durchzuführen. Die Abtastvorrichtung für den Lichtfleck in bezug auf die Umfangsrichtung der Schraube ist nicht auf die oben beschriebene Konstruktion beschränkt, sondern es kann auch eine Abtastvorrichtung eingesetzt werden, bei der die Lichtquelle um die Schraube gedreht wird.

Fig. 17 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems des Apparats wie er bei dem Verfahren eingesetzt wird, bei dem nicht mit dem Projektionswinkel Null gearbeitet wird, wie dies in der Fig. 15 dargestellt ist. Hierbei wird die Schraube 10 senkrecht durch ein Drehfutter 31 gehaltert, so daß sie um ihre Achse 11 drehbar ist.

Ein Laserstrahl-Oszillator 32 ist getrennt in einem geeigneten Abstand von der Schraube 10 angebracht, so daß der von dem Laserstrahl-Oszillator 32 herkommende Laserstrahl 21 durch eine Kondensorlinse 36 auf einen polygonalen Abtast-Drehspiegel 33 mit waagerechter Drehachse projiziert, von diesem Spiegel 33 reflektiert und so auf die Oberfläche der Schraube 10 projiziert wird, daß der Projektionswinkel in bezug auf die axiale

Richtung nicht Null sondern ß wird, wodurch der Lichtfleck 22 gebildet wird. Hierbei sind der Laserstrahl-Oszillator 32 und der Drehspiegel 33 so angeordnet, daß sie ein axiales Abtasten der Schraube 10 durch den Lichtfleck 22 vermittels der Drehbewegung des Drehspiegels 33 mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Im übrigen werden für den Projektionswinkel des Laserstrahls 21 bezüglich der Axialrichtung der Schraube 10 die gleichen Bedingungen wie in der in der Fig. 16 dargestellten Ausführungsform eingehalten.

Die Reflexionswinkel des Lichts von der Spitze 15, den Flanken 13 und 14 und dem Kern 16 sind voneinander verschieden, so daß die drei photoelektrischen Umsetzer 35a, 35b und 35c nebeneinander angeordnet sind, um die Aufnahme des jeweils reflektierten Lichts zu ermöglichen. Dabei sind die photoelektrischen Umsetzer 35a, 35b und 35c die gleichen wie der oben beschriebene photoelektrische Meßumformer 35. Die Streuung des von den Flanken 13 und 14 reflektierten Lichts in axialer Richtung der Schraube 10 wird, wie oben beschrieben wurde, als solche zur Unterscheidung von dem Licht der Spitze 15 oder des Kerns 16 genutzt, jedoch führt die Streuung in Umfangs- oder Radius-Richtung lediglich zu einer Verteilung der Fehlerinformation; aus diesem Grund ist eine Kondensor-Linse 37 vor dem photoelektrischen Umsetzer 37 zur Fokussierung des Lichts auf diesen anzubringen.

Im Folgenden wird eine Schaltung zur Verarbeitung eines Ausgangssignals eines photoelektrischen Umsetzers und zur Anzeige eines auftretenden Fehlers erläutert. Eine solche Schaltung ist in Fig. 18 dargestellt. Beispiels-

. 10 ·

weise wird ein Ausgangs?jgnal / Fig. 19(1)_/ des photoelektriüchen Meßumformers 35a auf die Digitalisierer und 41 gegeben, in denen Schwellenwerte V, bzw. V„ (V- > V₁ festgelegt wurden. Die Digitalisierer 40 und 41 vergleichen die eingehenden Signale mit den Werten V₁ und V„, und wenn die Eingangssignale höhere Werte als V, und V„ besitzen, geben sie Signale mit Hochwerten ab. Wie in der Fig. 19-(1) dargestellt ist, wird der Schwellen wert V₁ so gewählt, daß er wenig unterhalb des Maximalwertes in dem Wiederholungsmuster liegt, und V„ wird so gewählt, daß er wenig oberhalb des Maximalwertes liegt.

Es sei angenommen, daß ein Fehler oben an der Spitze auftritt. Dann tritt eine Änderung des Signals auf, wie sie in den Fig. 8 bis 13 dargestellt ist. Solche Signaländerungen lassen sich wie folgt einteilen:

eine Änderung, wie sie in (1) in der Fig. 19(1) dargestellt ist, wobei ein momentaner Abfall des Gipfelwertes unter den Wert von V₁ stattfindet;

eine Änderung, wie sie in (2) in der Fig. 19(1) dargestellt ist, wobei ein momentaner Anstieg des Gipfelwertes über den Wert von V„ stattfindet; und

eine Änderung, wie sie in (3) in der Fig. 19(1) dargestellt ist, wobei der Gipfelwert unter den Wert von V₁ fällt.

Die Ausgangssignale b und c der Digitalisierer 40 und 41 beim Auftreten solcher Änderungen (1), (2) und (3) der Eingangssignale sind in den Fig. 19(2) und 19(4) dargestellt; das Ausgangssignal b wird mittels eines

Inverters 44 der Phasenumkehr unterworfen; das in der Fig. 19(3) dargestellte Umkehrsignal b wird dann auf ein NAND-Tor 45 gegeben, und das Ausgangssignal c wird auf ein NAND-Tor46 gegeben.

In Fig. 18 bezeichnet die Bezugszahl 43 einen Zeittaktsignal-Generator, dem synchron mit dem Beginn des Abtastens des Lichtflecks 22 ein Synchonisiersignal d l_ Fig. 19(5)_7 und ein von einem Oszillator erzeugtes Taktsignal e ^~Fig. 19(6)_7 eingegeben werden; auf der Basis dieser Signale d und e wird durch Frequenzteilung ein Zeittaktsignal f _/~Fig. 19-(7)_7 mit Hoch-Niveau während einer geeigneten Zeitspanne abgegeben, die vor dem Signalgipfel beginnt, diesen einschließt und nach diesem endet, mit anderen Worten, während der Zeitspanne, während der der Spitzenteil der Schraube abgetastet wird. Dieses Zeittaktsignal f wird auf andere Eingänge der NAND-Tore 45 bzw. 46 und ebenfalls auf einen Rückstellsignal-Generator 49 gegeben. Der Rückstellsignal-Generator 49 liefert einen Nadelimpuls k an der Abschlußkante des dem Rückstellsignal-Generator 49 eingegebenen Zeittaktsignals f, wie dieses in der Fig. 19(12) dargestellt ist, wobei der Rückstellimpuls k auf die Rückstellanschlüsse der R-S-Flipflops 47 bzw. 48 gegeben wird. Die Ausgangssignale g und h werden auf die Stellanschlüsse der R-S-Flipflops 47 bzw. 48 gegeben, wobei die Flip-Flops 47 bzw. 48 über diese Stellanschlüsse durch Eingangssignale gesetzt werden. Die Ausgangssignale i und j [_ Fig. 19(10) und Fig. 19(11)_7 werden in ein ODER-Glied 50 eingegeben, wobei dessen Ausgangssignal 1 /~Fig. 19(13)_7 im Falle eines Hoch-Wertes ein Fehlernachweis-Warngerät 51 in Betrieb setzt.

-MT-

Bei Auftreten einer solchen Signaländerung, wie sie dem unter (1) dargestellten Fehler entspricht, besteht das Ausgangssignal b des Digitalisierers 40 aus einer fortlaufenden regelmäßigen Wiederholung hoher und niedriger Werte und fällt dann augenblicklich in dem Gebiet des hohen Wertes auf den Wert ab, worauf das Ausgangssignal g des NAND-Tores 45 momentan auf Tief fällt, wodurch der R-S-Flipflop gesetzt wird. Dessen Setz-Ausgangssignal i hat Hoch-Wert, bis es durch den Rückstellimpuls k rückgesetzt wird, und das Ausgangssignal 1 des ODER-Tores 50 hat ebenfalls Hoch-Wert, so daß auf diese Weise der Fehler nachgewiesen wird.

Bei Auftreten einer solchen Signaländerung, wie sie dem unter (2) dargestellten Fehler entspricht, besitzt das Ausgangssignal c des Digitalisierers 41 kurzzeitig Hoch-Wert, wodurch der R-S-Flipflop gesetzt wird.

Dessen Setz-Ausgangssignal j behält einen hohen Wert, bis es durch den Rückstellimpuls k zurückgestellt wird, und dadurch besitzt das Ausgangssignal 1 des ODER-Tores 50 ebenfalls Hoch-Wert, so daß auf diese Weise der Fehler nachgewiesen wird.

Bei Auftreten einer solchen Signaländerung, wie sie dem unter (3) dargestellten Fehler entspricht, sind das Ausgangssignal b des Digitalisierers 40 oder das Ausgangssignal b des Inverters 44 durch das Fehlen eines Impulses gekennzeichnet, so daß beide Eingangssignale in das NAND-Tor 45 in dem Zeittakt des fehlenden Impulses hohe Werte besitzen, wodurch der Flipflop 47 gesetzt wird. Aufgrunddessen besitzt das Ausgangssignal 1 des ODER-Tores 50 Hoch-Wert, so daß auf diese Weise der Fehler nachgewiesen wird.

M Λ Α « ·

Wie aus dem Vorstehenden zu entnehmen ist, sind die NAND-Tore nur dann offen, wenn das Zeittaktsignal f erzeugt wird, so daß ein Rauschen, selbst wenn es mit dem Zeittakt für das Abtasten des Lichtflecks an anderen Teilen (in dieser Äusführungsform alle nicht an der Spitze liegenden Teile) aufgenommen worden ist, eliminiert werden kann, wodurch falsche Fehleranzeigen vermieden werden.

Da außerdem die R-S-Flipflops 47 und 48 durch die auf die Setz-Anschlüsse geleiteten Eingangssignale mit Tief-Werten auf den Tief-Zustand Werte eingestellt und eine Weile in diesem Zustand gehalten werden, kann auch ein winziger Fehler entdeckt und mit Genauigkeit angezeigt werden.

Die Signale, die das von den Flanken oder von dem Kern der Schraube reflektierte Licht liefert, können in genau der gleichen Weise verarbeitet werden.

Die obige Signalverarbeitungseinheit ist so konstruiert, daß der Digitalisierer dazu dient, in den Mustern der Signale des photoelektrischen Umsetzers das Ausbleiben einer Wiederholung nachzuweisen. Im Folgenden wird eine Schaltung erläutert, die das Signal-Wiederholungsmuster selbst speichert und es wiederholt liest und den gelesenen Inhalt mit den sequentiell der Schaltung zugeleiteten Ausgangssignalen des photoelektrischen Umsetzers vergleicht, wodurch der Nachweis eines vorhandenen Fehlers angestrebt wird.

Fig. 20 zeigt ein Schaltungsdiagramm der letzteren Signalverarbeitungseinheit, Beispielsweise wird ein Ausgangssignal a //"Fig. 21(1)_7 eines photoelektrischen

Umsezters 35a zum positiven Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers 67 und außerdem zu einem Analog/Digital-Umsetzer 61 geleitet. Einem Zeittaktsignal-Generator 62, dem gleichen wie der Zeittaktsignal-Generator 43 in Fig. 18, werden ein Hochfrequenz-Taktsignal d _/~Fig. 21(4)_7, das für den Vergleich mit dem Ausgangssignal a des photoelektrischen Umsezters 35a erforderlich ist, und ein Synchronisiersignal b /_ Fig. 21(2)_/, das synchron mit dem Beginn des Abtastens des Lichtflecks 22 gegeben wird, zugeführt. Der Zeittaktsignal-Generator 62 gibt ein durch Frequenzteilung untersetztes Zeittaktsignal e J_ Fig. 21(5)_/ ab, das einen Hoch-Wert während einer geeigneten Zeitspanne besitzt, die vor dem Signalgipfel beginnt, diesen einschließt und nach diesem endet, mit anderen Worten, während der Zeitspanne, während der der Spitzenteil der Schraube abgetastet wird. Dieses Zeittaktsignal e wird auf einen Eingang eines UND-Gliedes 64 gegeben, auf dessen anderen Eingang das Taktsignal d gegeben wird.

Dementsprechend wird das Ausgangssignal des UND-Gliedes 64 durch ein Signal f /_ Fig. 21(6)_/ des intermittierenden Taktsignals repräsentiert. Eine Steuerschaltung 66 für einen Speicher 63 empfängt ein System-Startsignal c, das vor dem Synchronisiersignal b gegeben wird und das Ausgangssignal g j_ Fig. 21(7)_7 für die festgelegte Zeit auf dem Hoch-Wert hält. Das Ausgangssignal g wird dem Speicher 63 als Schreib-/Lese-Steuersignal eingegeben und bewirkt bei dem Hoch-Wert das Speichern und bei dem Tief-Wert das Lesen. Die Zeitspanne, während der das Ausgangssignal g auf Hoch-Wert gehalten wird, wird etwas langer angesetzt als eine Impulsbreite des Signals e.

Das Signal f wird dem Analog/Digital-Umsetzer 61 als Taktsignal für die Abtastung und dem Speicher 63 als Inkrement-Signal für seinen Adressenzähler eingegeben.

Der Speicher 63 arbeitet während des hohen Wertes des Ausgangssignals der Steuerschaltung 66 im Einschreibbe-. trieb, so daß die diskreten Daten der Wellenform des Signals a, zugeführt durch das Signal f unter Abtastung des Inhalts als Speicheradresse des durch das Signal f inkrementierten Adressenzählers, sequentiell eingespeichert werden. Sobald andererseits das Signal g den Tief-Wert angenommen hat, arbeitet der Speicher 63 im Lesebetrieb, so daß der Inhalt des durch das Signal f inkrementierten Adresssenzählers als Leseadresse für das Lesen des gespeicherten Inhalts der Speichers 63 dient. Die aus dem Speicher 63 gelesenen Daten werden in einen Digital/Analog-Umsetzer 65 eingegeben und in diesem in das Analog-Signal umgewandelt. Infolgedessen wird das Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers ein Analog-Signal h /""Fig. 21 (8)_J, das wiederholt die Wellenform des Signals a während des Hoch-Wertes des Signals g reproduziert. Das Analog-Signal h wird dem negativen Eingang des Differentialverstärkers 67 zugeführt, so daß ein der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen entsprechendes Signal verstärkt und als Ausgangssignal i j_ Fig. 21(9)_7 von dem Differentialverstärker 67 abgegeben wird. Dieses Äusgangssignal i wird einer Schaltung zum Fehlernachweis und zur Anzeige des aufgetretenen Fehlers zugeleitet.

Somit sind in der beschriebenen Signalverarbeitungseinheit beide Eingangssignale des Differentialverstärkers einander gleich, wenn keine Signaländerung durch einen

- Tar-

Fehler verursacht wird, wodurch das Ausgangssignal i auf dem Wert Null gehalten wird. Wenn jedoch eine der durch (1), (2) oder (3) bezeichneten Änderungen des Signals auftritt, ändert sich gemäß dem Vorstehenden das Ausgangssignal i, wodurch der Nachweis eines Fehlers mit Genauigkeit ermöglicht wird. Alternativ dazu kann das Wiederholungsmuster eines in dem Speicher 61 zu speichernden Signals a eine Vielzahl von Perioden umfassen, braucht also nicht auf eine Periode beschränkt zu werden, und es können auch die Daten einer Periode gespeichert werden, die durch Datenverarbeitung unter Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Perioden gebildet wurde.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

l.jVerfahren zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtfleck auf die Oberfläche einer Schraube projiziert wird und die Schraube axial abtastet und daß das von der bestrahlten Oberfläche reflektierte Licht gemessen wird, wodurch ein Fehler auf der Schraubenoberfläche aufgrund einer Information über die zeitliche Änderung des reflektierten Lichts nachgewiesen wird.
2. Verfahren zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionswinkel des Lichtflecks in bezug auf die Hüllfläche der Schraube und die Axialrichtung der Schraube kleiner gehalten wird als der Komplementärwinkel eines Winkels zwischen der Flanke des Schraubengewindes und der Hüllfläche.
3. Verfahren zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionswinkel des Lichtflecks in bezug auf die Tangente an die Oberfläche der Schraube an der Stelle des projizierten Lichtflecks und die Radialrichtung der Schraube im wesentlichen auf den Wert Null eingestellt wird.

. SL-
4. "t r I .ih rcn ;:ur Piüfimq von Hchrnubnp.r-berf lachen auf Feh-

nT nach einem dor Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionswinkel des Lichtflocks in bezug auf die Tangente an die Oberfläche der Schraube an der Stelle des projezierten Lichtflecks und die Radialrichtung der Schraube auf einen vorher festgelegten Winkel eingestellt wird.
5. Vorrichtung zur Prüfung von Schraubenoberflächen

auf Fehler, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines auf die Oberfläche der Schraube zu projizierenden Lichtflecks, eine Vorrichtung zum Abtasten der Schraube mittels dieses Lichtflecks in axialer Richtung mindestens einen photoelektrischen Umformer, der das von dem Lichtfleck auf der Schraubenoberfläche reflektierte Licht photoelektrisch umwandelt, sowie eine Signalverarbeitungseinheit, die eine von dem Wiederholungsmuster verschiedene Signalkomponente aus dem Ausgangssignal des photoelektrischen Meßumformers isoliert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Umsezter so angeordnet sind, daß sie jeweils das reflektierten Licht von der Spitze, dem Kern oder der Flanke der Schraube empfangen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit mit einer Mehrzahl von Digitalisierern mit verschiedenen Schwellenwerten, einer Discriminator-Schaltung zur Unterscheidung der Ausgangssignale der Digitalisierer von dem Rauschen in Verbindung mit dem Abtasten des Lichtflecks, und einer Halteschaltung zum Halten des Ausgangssignals der Diskriminator-Schaltung während einer festgelegten Zeit ausgerüstet ist.

k «■ · 1» · Λ

. 3.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit einen Speicher enthält, der das Signal über mindestens eine Periode des Wiederholungsmusters speichert, und eine Leseschaltung, die den Speicherinhalt wiederholt in Verbindung mit dem Abtasten des Lichtflecks liest und den mittels der Leseschaltung gelesenen Speicherinhalt mit dem Ausgangssignal des photoelektrischen Meßumformers vergleicht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Änderung der Projektionsstelle des Lichtflecks in bezug auf den Schraubenumfang.