DE4342685A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Oberflächen auf Inhomogenitäten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Prüf­ gegenstandes auf oberflächennahe Inhomogenitäten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Prü­ fung eines Prüfgegenstandes auf oberflächennahe Inhomogeni­ täten nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.

Hintergrund der Erfindung

Heutzutage reicht es in besonders sensiblen Anwendungsberei­ chen der Materialprüfung, z. B. in der Wartungsprüfung bei Flugzeugen, in der Regel nicht aus, größere, unter Umständen schon mit bloßem Auge sichtbare Fehler im Sinne einer Ja/ Nein-Antwort festzustellen und dementsprechend Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Es ist von sicherheitstechnisch großer Bedeu­ tung, Fehler schon möglichst in ihrem Entstehungsstadium zu erkennen. So müssen beispielsweise sehr schmale Risse in der Größenordnung einiger Mikrometer an tragenden Teilen sicher erkannt werden. Derartige Risse entstehen vorwiegend nicht auf Flächen, sondern an Ecken und Kanten, insbesondere auch im Randbereich von Nietlöchern.

In diesem Zusammenhang gehört es zum Stand der Technik, die zeitliche Entwicklung von Fehlern zu verfolgen, um daraus Rückschlüsse auf ihre Ursachen ziehen zu können. Dazu kann es notwendig sein, bei nach gewissen Zeitintervallen durchge­ führten Prüfungen nicht nur das Vorhandensein eines Fehlers festzustellen, sondern den Fehler auch zu charakterisieren, z. B. nach seiner Länge, Tiefe und seiner Ausrichtung im Prüfgegenstand.

Eine in der zerstörungsfreien Materialprüfung häufig angewen­ dete Technik ist die Wirbelstromtechnik. Dabei werden die aktiven Komponenten einer Wirbelstromsonde, typischerweise Feld-, Meß- und Abstandswicklungen, in einen geringen Ab­ stand zu einer zu prüfenden Oberfläche eines elektrisch lei­ tenden Materials gebracht. Das von einer Feldspule der Prüf­ sonde erzeugte hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld dringt dabei in das Prüfmaterial ein und erzeugt im wesentli­ chen in einer oberflächennahen Haut des Prüfgegenstandes Wir­ belströme, die durch Gegeninduktion auf die Spule in der Sonde zurückwirken. Die Intensität der induzierten Wechsel­ ströme hängt bei gleichbleibendem Abstand von der Prüfober­ fläche von der Erregerfrequenz sowie von der Leitfähigkeit und der Permeabilität des Prüfmaterials ab. Ein Riß im Prüf­ bereich verändert die Wirbelstromintensität und macht sich im Prüfsignal wie ein Ort geringerer Leitfähigkeit bemerkbar. Fehlersignale werden jeweils aus dem Vergleich von Signalen fehlerbehafteter und fehlerfreier Bereiche des Prüfmaterials gewonnen.

Prüfungen mit statischen Tastern, bei denen Prüfsonden an verschiedenen Stellen des Prüfmaterials aufgesetzt werden, und bei denen fehlerfreie Bereiche andere Signale geben als fehlerbehaftete, sind für die Detektion schmaler Risse mit hoher Empfindlichkeit nicht mit befriedigenden Ergebnissen einsetzbar. Daher werden zunehmend dynamische Prüfmethoden eingesetzt, bei denen Prüfsonden relativ zum Prüfgegenstand, im wesentlichen parallel zu seiner Oberfläche, bewegt werden. Überstreicht der Meßbereich einer derartig bewegten Prüfsonde einer oberflächennahen Inhomogenität, so entsteht ein Fehler­ signal, aus dessen prüfgeschwindigkeitsabhängiger Signalform, ggf. über nachgeschaltete elektronische Nachbearbeitung z. B. durch Hoch- und Tiefpaßfilter, Fehlersignale mit wesentlich verbesserten Signal-Rauschverhältnis extrahiert werden kön­ nen. Besonders bei im wesentlichen punktförmig wirkenden Prüfsonden kann mit solchen dynamischen Messungen die Auflö­ sung für kleine Fehler wesentlich erhöht werden.

Stand der Technik

Bei einer bereits vorgeschlagenen, nach dem dynamischen Prüf­ prinzip arbeitenden Prüfvorrichtung werden zur Abtastung von im wesentlichen ebenen Oberflächen Prüfgeräte eingesetzt, bei denen Prüfsonden an rotierenden planen Scheiben angeordnet sind. Die Wirkbereiche der Prüfsonden beschreiben bei der Messung Kreisbahnen parallel zur Rotationsebene der Scheiben, an denen sie fest angebracht sind. Wird eine derartige Prüf­ vorrichtung mit rotierender Scheibe über eine Prüfoberfläche geführt, so kann ein Prüfbereich in der Breite des Durchmes­ sers der Prüfsondenkreisbahnen dynamisch abgetastet werden. Eine vollständige Abtastung der Oberfläche ist nur dann ge­ währleistet, wenn die Relativbewegungsgeschwindigkeit der Prüfvorrichtung entlang der Oberfläche auf die Rotationsge­ schwindigkeit der Scheibe abgestimmt wird.

Bei einem bereits vorgeschlagenen System zur Prüfung des In­ nenbereiches von Bohrungen rotiert eine an einer drehbaren Sondenführung angebrachte Prüfsonde, deren Wirkungsbereich im wesentlichen radial zu der Drehachse der Sondenführung ausge­ richtet ist, um diese herum. Die Sondenführung der Vorrich­ tung kann entweder automatisch oder manuell in Achsenrichtung verschoben werden, so daß die Prüfsonde die Innenwand der Bohrung entlang einer wendelförmigen Prüfbahn abtastet. Bei dieser Vorrichtung kann bei entsprechender Anpassung des axi­ alen Vorschubs zur Rotationsgeschwindigkeit die Prüfoberflä­ che lückenlos abgetastet werden.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein leicht durchführbares Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Prüfung von im wesentlichen ebenen Oberflächen zu schaffen, die die Nach­ teile des Standes der Technik vermeiden. Insbesondere soll unter Verwendung weitgehend einfach herstellbarer mechani­ scher Bauteile eine funktionssicher und wartungsarm arbeiten­ de, einfach handhabbare Vorrichtung für eine solche Prüfung geschaffen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Prüfver­ fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Prüfvor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vor.

Die Vorteile der dynamischen Messung können bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren dadurch genutzt werden, daß die Prüf­ sonde entlang einer in einer Prüffläche liegenden spiral­ förmigen Prüfbahn geführt wird. Der Begriff spiralförmig umfaßt hier auch solche Prüfbahnen, die im wesentlichen aus konzentrischen Kreisbahnen bestehen, die durch sie verbin­ dende Teilabschnitte miteinander verbunden sind. Solche Bahnen werden hier als stufenspiralförmig bezeichnet.

Vorzugsweise ist die Prüffläche eben und kann durch die Prüf­ sonde entlang der Prüfbahn in einem flächig zusammenhängen­ den, im Umfang im wesentlichen kreisrunden Prüfbereich vor­ zugsweise lückenlos abgetastet werden. Die dadurch erreich­ bare Vermeidung ungeprüfter Oberflächenbereiche trägt wesent­ lich zur Verläßlichkeit der Prüfung bei. Für Prüfungen im Randbereich von Nietlöchern kann es ausreichen, wenn der Prüfbereich den Randbereich vollständig überdeckt, wenn der Prüfbereich also ringförmig ist.

Die Vorteile der dynamischen Messung können bei einer erfin­ dungsgemäßen Prüfvorrichtung, bei der die Prüfsonde an einem Sondenhalteglied angeordnet ist, das an einer beweglichen Sondenführungseinrichtung relativ zu dieser beweglich ange­ ordnet ist, dadurch besonders effektiv genutzt werden, daß durch diese Anordnung ein zusätzlicher Bewegungsfreiheitsgrad der Prüfsonde ermöglicht wird. Besonders bei punktförmig wir­ kenden Prüfsonden, die, wenn sie nur mit einem Freiheitsgrad bewegt werden, nur lineare Prüfbahnen bestimmter Breite ab­ tasten können, ist es durch diesen zusätzlichen Bewegungs­ freiheitsgrad möglich, die Oberfläche eines Prüfgegenstandes entlang von vorzugsweise eng aneinanderliegenden Prüfbahnen, die mit Vorteil direkt aneinander angrenzen oder einander überlappen können, abzutasten. Erfindungsgemäß kann dies dadurch erreicht werden, daß die Prüfsonde durch die Über­ lagerung der Bewegung der Sondenführungseinrichtung und der Bewegung des Sondenhaltegliedes entlang einer Prüffläche führbar ist. Die Prüffläche ist die Fläche, in der sich der Wirkungsbereich der sich bewegenden Prüfsonde bewegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sondenfüh­ rungseinrichtung eine Drehbewegung beschreiben. Drehbewegun­ gen sind in mechanischen Vorrichtungen mit Hilfe einfach her­ stellbarer Teile, z. B. mit Drehteilen und entsprechenden Lagerungen, preiswert und mit guter Präzision zu verwirkli­ chen. Die Sondenführungseinrichtung kann daher als Rotierkör­ per ausgebildet sein, der vorzugsweise ausgewuchtet sein kann, um die mechanische Belastung seines Lagers zu minimie­ ren. Der Rotierkörper kann beispielsweise ein ausgewuchteter Hebel sein. Mit Vorteil kann die Sondenführungseinrichtung zumindest teilweise in Form einer um eine Rotationsachse drehbaren Rotierscheibe ausgebildet sein.

Der Durchmesser der Rotierscheibe kann den Durchmesser des Prüfbereiches festlegen. Der Durchmesser der Rotierscheibe kann daher vom beabsichtigten Prüfzweck abhängig an diesen leicht angepaßbar sein. Es ist jedoch nicht notwendig, die gesamte Sondenführungseinrichtung mit dem Durchmesser der Rotierscheibe auszugestalten. Vorteilhaft ist es, die Son­ denführungseinrichtung zumindest teilweise in Form einer um eine Wellenachse drehbaren Welle auszubilden. Diese kann im Durchmesser kleiner sein als die Rotierscheibe.

Es ist möglich, eine derartige Welle mit einer Rotierscheibe über Zahnräder oder dergleichen zu verbinden, auch könnten von einer Welle mehrere Rotierscheiben angetrieben werden, was sich über Getriebe oder dergleichen verwirklichen ließe. Es kann auch auch daran gedacht werden, an einer Welle aus­ wechselbare Rotierscheiben vorzusehen. Wird die Prüfvorrich­ tung vorwiegend für eine Art von Prüfaufgaben, z. B. für die Prüfung des Randbereiches von Nietlöchern bei Flugzeugen, be­ nutzt, so kann auf eine Variabilität der Vorrichtung verzich­ tet werden. Mit Vorteil sind in solchen Vorrichtungen die Welle und die Rotierscheibe koaxial angeordnet. Mit anderen Worten, die Sondenführungseinrichtung aus Welle und Rotier­ scheibe kann aus einfachen Drehteilen aufgebaut sein.

Eine fest an einer Rotierscheibe befestigte Prüfsonde würde eine Kreisbewegung in einer Ebene senkrecht zur Rotations­ achse ausführen. Ist die Prüfsonde dagegen an einem relativ zur Rotierscheibe beweglichen Sondenhalteglied angeordnet, dessen Bewegungsebene ebenfalls senkrecht auf der Rotations­ achse steht, dann kann die Prüfsonde eine ebene Prüffläche abtasten. So ist es beispielsweise möglich, in einer Rotier­ scheibe radial ausgerichtete Führungsschienen vorzusehen, in denen ein Sondenhalteglied mit der Prüfsonde in radialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Bei einer kontinuierli­ chen radialen Verschiebung bei sich drehender Rotierscheibe würde die Prüfsonde dann eine spiralförmige Abtastbahn be­ schreiben.

Lineare Führungen sind im allgemeinen nur mit größerem Auf­ wand funktionssicher herstellbar. Für die Bewegung der Prüf­ sonde relativ zur Sondenführungseinrichtung ist es vorteil­ haft, das Sondenhalteglied als Sondenhebel auszubilden, der um eine vorzugsweise parallel zur Rotationsachse verlaufende Hebelachse drehbar, insbesondere exzentrisch an der Rotier­ scheibe gelagert ist. Eine derartige Ausbildung des Sonden­ haltemittels hat den Vorteil, daß für ihre Realisierung nur einfache Drehlagerungen notwendig sind. Der Sondenhaltehebel kann ebenfalls einfach aufgebaut sein. Eine derartige Anbrin­ gung der Prüfsonde ist besonders wartungsarm.

Der Sondenhaltehebel kann so gelagert sein, daß bei seiner Drehung um einen begrenzten Winkelbereich die Prüfsonde entlang eines Kreisbogens von der Rotationsachse weg bzw. zur Rotationsachse hin bewegbar ist. Bei Drehung der Rotations­ scheibe und gleichzeitiger Drehung des Sondenhaltehebels tastet die Prüfsonde dann eine Prüffläche ab, die eben und kreisrund ist. Erreicht die Prüfsonde den Bereich der Rota­ tionsachse bei Drehung um die Hebelachse nicht, so kann die Prüffläche auch ringförmig sein, wobei in der Mitte ein "blinder Fleck" verbleibt. Bei entsprechender Anpassung der Relativbewegungen von Rotationsscheibe und Sondenhaltehebel kann durch eine spiralförmige Prüfbahn die Prüffläche lücken­ los abgetastet werden. Dies ist besonders bei sicherheits­ technisch sensiblen Anwendungen von großer Bedeutung, denn ein nicht abgetasteter Bereich muß im Zweifel als fehlerbehaf­ tet angesehen werden.

Es ist möglich, für das Sondenhalteglied einen eigenen An­ trieb vorzusehen, der das Sondenhalteglied unabhängig von der Bewegung der Sondenführungseinrichtung drehen kann. Im Sinne der Robustheit und Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung ist es vorteilhaft, daß der Sondenhaltehebel in seiner Stellung an der Sondenführungseinrichtung durch den vorzugsweise durch Programmierung einstellbaren und veränderbaren Bewegungszu­ stand der Sondenführungseinrichtung, insbesondere also durch die Drehgeschwindigkeit der Rotierscheibe, veränderbar ist.

Der Sondenhaltehebel kann mit Vorteil so ausgebildet sein, daß er durch Einwirkung von Fliehkräften bewegbar ist. Greift dabei ein Rückstellelement mit seiner Kraft an den Sondenhal­ tehebel an, so kann erreicht werden, daß jeder Drehgeschwin­ digkeit der Rotierscheibe, die den Sondenhaltehebel trägt, genau eine Stellung des Sondenhaltehebels zugeordnet ist. Als Rückstellelemente können vorzugsweise einfache lineare Zugfe­ dern, aber auch spiralförmige Federn vorgesehen sein, die je­ weils mit ihrem einen Ende an der Rotierscheibe mit ihrem an­ deren Ende am Sondenhaltehebel angreifen. Auch entsprechend angeordnete Druckfederelemente sind denkbar. Die Federcharak­ teristik kann von der linearen Charakteristik einer einfachen Zugfeder abweichend ausgebildet sein.

Durch das Gleichgewicht zwischen der Kraft, die durch die Drehung der Rotierscheibe und die damit verbundenen Radialbeschleunigungen bewirkt wird, mit der Kraft des Rückstell­ elementes kann einer bestimmten Drehgeschwindigkeit der Ro­ tierscheibe genau eine radiale Stellung der Prüfsonde zuge­ ordnet werden. Wird gleichzeitig die Drehstellung der Rotier­ scheibe kontrolliert und aufgezeichnet, was in bekannter Wei­ se durch Synchronisierungsvorrichtungen erreicht werden kann, dann kann bei der Prüfvorrichtung jederzeit genau der Ort der Prüfsonde auf der Prüffläche bestimmt werden. Damit wird es möglich, die Lage von Fehlern, und ggf. auch deren Ausrich­ tung, mit Hilfe entsprechender Auswertemittel genau zu be­ stimmen und ggf. in zweidimensionalen Bildern darzustellen.

Es ist möglich, die Prüfsonde durch die Einwirkung der Flieh­ kräfte radial nach außen bewegbar anzuordnen. In in Führungs­ schienen geführten Sondenhaltegliedern kann die Kraft eines Rückstellelementes radial nach innen wirken. Bei Prüfsonden, die an einem Sondenhaltehebel angeordnet sind, kann ein Rück­ stellelement ebenfalls im Bereich der Prüfsonde am Hebel an­ greifen und der nach außen gerichteten Bewegung der Prüfsonde entgegenwirken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der die Prüfsonde tragende Sondehaltehebel von der Prüfsonde gesehen jenseits der Hebelachse eine Gegenmasse zur Prüfsondenmasse aufweist, wodurch die Prüfsonde bei Drehung der Sondenfüh­ rungseinrichtung entgegen der direkt auf sie wirkenden Flieh­ kräfte in Richtung auf die Sendenführungsachse hin bewegbar wird. Das Rückstellelement kann dann auf den Sondenhaltehebel derart einwirken, daß die Prüfsonde bei Stillstand der Ro­ tierscheibe im äußeren radialen Bereich der Rotierscheibe angeordnet ist und mit wachsender Drehgeschwindigkeit der Ro­ tierscheibe auf die Rotationsachse hin bewegt wird.

Durch diese Anordnung entsprechen größer werdenden Drehge­ schwindigkeiten immer kleiner werdende Prüfbahndurchmesser und damit immer kleiner werdende Prüfbahnumfangslängen, die pro Drehung der Rotierscheibe von der Prüfsonde abgetastet werden. Die Bahngeschwindigkeit der Prüfsonde ändert sich da­ durch weit langsamer als im entgegengesetzten Fall, wo höhe­ ren Drehgeschwindigkeiten der Rotierscheibe auch größere Bahndurchmesser und damit größere Prüfbahnumfangslängen pro Drehung entsprechen. Die durch die erfindungsgemäße Anordnung erreichte nur geringfügige Änderung der Bahngeschwindigkeit der Prüfsonde bei ihrer Bewegung während des Prüfvorganges von außen nach innen hat wesentlich günstigere Auswertebedin­ gungen zur Folge. Es findet also eine Kompensation zwischen Bahnradius und Drehgeschwindigkeit in Richtung aufeine mög­ lichst gleichbleibende Relativgeschwingigkeit zwischen Prüf­ sonde und Prüfgegenstand statt. Diese Kompensation kann vor­ teilhaft dadurch erreicht werden, daß der Sondenhaltehebel mit der Gegenmasse relativ zur Rotationsachse derart angeord­ net ist, daß zwischen der Wirkrichtung der Fliehkraft auf die Gegenmasse (parallel zur Verbindungslinie zwischen Rotations­ achse und Gegenmasse) und der Schwenkrichtung der Gegenmasse (senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen Hebelachse und Gegenmasse) - jeweils in einer Ebene senkrecht zur Rotations­ achse - ein Kompensationswinkel verbleibt. Dadurch wirkt in Schwenkrichtung nur ein durch den Kosinus des Kompensations­ winkels bestimmter Bruchteil der auf die Gegenmasse wirkenden Fliehkraft, deren Betrag mit dem Quadrat der Drehzahl zu­ nimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist als Antriebsmittel ein Gleichstrom-Mikromotor vorgesehen. Dieser kann vorzugs­ weise abgeschirmt sein, um Störwirkungen auf die empfindliche Prüfsonde zu verhindern. Der Motor kann eine Antriebswelle aufweisen, die indirekt über Zahnräder oder Treibriemen, vor­ zugsweise aber unmittelbar an der Sondenführungseinrichtung angreifend angeordnet ist. In Ausführungsformen mit mehreren Sondenführungseinrichtungen kann ein Motor über entsprechende Getriebe oder dergleichen mehrere Sondenführungseinrichtungen antreiben, es kann auch für jede Sondenführungseinrichtung ein Motor vorgesehen sein.

Das Antriebsmittel kann bezüglich der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle steuerbar, insbesondere programmierbar sein. Es kann mit Vorteil auch schrittprogrammierbar sein, so daß sich die Drehgeschwindigkeit stufenweise ändert und entsprechend die Prüfsonde im wesentlichen konzentrische Bahnen definier­ ter Durchmesser beschreibt. Die durch diese Betriebsart er­ zeugte Prüfbahn wird hier als stufenspiralförmig bezeichnet. Die konzentrischen Abschnitte der Prüfbahn sind dann vorzugs­ weise in ihren Durchmessern so eng gerastert, daß die gesamte Prüffläche lückenlos abtastbar wird.

Die Prüfvorrichtung ist vorzugsweise zum Einsatz bei unter Umständen harten Alltagsbedingungen vorgesehen. Es ist daher zweckmäßig, die empfindlichen Teile der Prüfvorrichtung gegen Einflüsse von außen weitgehend zu schützen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Sondenführungseinrichtung und das die Prüfsonde aufweisende Sondenhalteglied, insbesondere also der Sondenhaltehebel, in einem Gehäuse angeordnet sind. Die­ ses kann teilweise offen sein. Es ist aber bevorzugt, das Ge­ häuse abdichtbar auszugestalten, so daß weder Staub noch Feuchtigkeit in die Funktion beeinträchtigenden Mengen in das Gehäuse und damit zu den empfindlichen Teilen vordringen kann.

Es ist möglich, nur die Sondenführungseinrichtung und das Sondenhalteglied mit der Prüfsonde in einem Gehäuse unterzu­ bringen und den Antrieb etwa über eine biegsame Welle zu er­ reichen, die an ihrem einen Ende an der Sondenführungseein­ richtung und an ihrem anderen Ende an der Antriebswelle eines Antriebsmotors angreift. Vorzugsweise sind die Antriebsmittel ebenfalls im Gehäuse angeordnet. Sie sind dann ebenfalls vor Verschmutzung geschützt. Vorzugsweise greifen die Antriebs­ mittel mit der Antriebswelle unmittelbar an der Sondenfüh­ rungseinrichtung an. Ein besonders einfacher Aufbau kann da­ durch erreicht werden, daß der Antriebsmotor eine zentrische Antriebswelle antreibt und der Motor mit seiner Antriebswelle koaxial zur Sondenführungseinrichtung angeordnet ist. Zur Verbindung kann ein axiales Sackloch der Sondenführungsein­ richtung auf die Antriebswelle aufgeschrumpft sein. Auch lösbare Befestigungen wie Schraubbefestigungen sind denkbar.

Bei einer Prüfung kann die Prüfvorrichtung derart an die zu prüfende Oberfläche angesetzt werden, daß die Oberfläche di­ rekt im Bereich der von der Prüfsonde abtastbaren Prüffläche liegt. Das Gehäuse kann in diesem Bereich mit Vorteil als lösbar befestigbare Schutzabdeckung ausgebildet sein. Diese kann mit Vorteil entsprechend den verschiedenen Anwendungsbe­ reichen der Prüfvorrichtung auswechselbar sein und ggf. unter Zwischenschaltung von Dichtungen befestigbar, vorzugsweise anschraubbar sein. Eine Schutzabdeckung kann vorzugsweise aus mechanisch festen, elektrisch nicht leitenden Material be­ stehen, das auch besonders abriebsfest sein kann. Bevorzugt werden Schutzabdeckungen aus Epoxidglas-Hartgewebe, die ab­ riebfest, chemisch beständig und auch bei typischen Dicken der Schutzabdeckung von etwa 0,5 mm ausreichende mechanische Steifigkeit aufweisen. Solche Abdeckungen hinterlassen auch auf dem geprüften Material keine Kratzspuren. Bei höheren mechanischen Beanspruchungen der Prüfvorrichtung können auch Schutzabdeckungen aus schlecht leitendem Edelstahl (Remanit) oder auch aus Titan zum Einsatz kommen. Die geringe Wirbel­ stromaktivität in diesen Materialien beeinflußt die Messung durch sie hindurch nicht wesentlich. Die Dicke der Schutzab­ deckung kann vorzugsweise so gewählt sein, daß der Abstand zwischen Prüfsonde und zu prüfendem Material 1 mm nicht über­ steigt. Optimale Prüfabstände liegen bei etwa 0,7 mm. Bei entfernter Schutzabdeckung sind kleinere Wartungsarbeiten im Inneren des Gehäuses leicht ausführbar.

Insbesondere für die Prüfung von Randbereichen von Nietlö­ chern kann es vorteilhaft sein, zur Erreichung einer schnel­ len zentralen Aufsetzung der Prüfvorrichtung auf ein Nietloch Zentriermittel vorzusehen. Dies können optische Zentriermit­ tel sein, etwa Markierungen in der Nähe des Prüfbereiches, die ggf. mit Markierungen an der Prüfvorrichtung zusammen­ wirken. Es sind auch Rastmittel denkbar, etwa geeignet an der Außenseite einer Schutzabdeckung angeordnete Vorsprünge, die nur bei zentraler Anordnung der Prüfvorrichtung in das Niet­ loch einführbar sind.

Während das Gehäuse im Bereich der Prüffläche den oben ge­ nannten Anforderungen genügen kann, kann die übrige Form des Gehäuses prinzipiell frei wählbar sein. Da Wartungsarbeiten, z. B. an Flugzeugen, nur bedingt automatisierbar sind, ist es vorteilhaft, das Gehäuse so auszugestalten, daß ein Wartungs­ arbeiter die Prüfvorrichtung leicht handhaben kann. So kann ein Handgriff vorgesehen sein, mit Hilfe dessen die Prüfvor­ richtung geführt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse selbst zumindest teilweise in Form eines vor­ zugsweise einhändig führbaren Handgriffes ausgebildet. Damit wird die Prüfvorrichtung sehr gut handhabbar, leicht zu transportieren und sicher auf dem gewünschten Prüfort auf­ setzbar. Sie erlaubt damit ein ermüdungsarmes Arbeiten, was wiederum der Aufmerksamkeit des Anwenders und damit Sicher­ heit der Prüfung zugute kommt.

Die elektische Versorgung der in dem Gehäuse angeordneten Teile der Prüfvorrichtung kann über entsprechende Kabel her­ gestellt werden. Mit Vorteil werden alle notwendigen Verbin­ dungen über ein einzelnes Versorgungskabel geführt, das mit der Auswertungs- und Versorgungseinrichtung der Prüfeinrich­ tung verbindbar ist. Zu seinem Anschluß sind am Gehäuse vor­ zugsweise lösbare, insbesondere auch sicherbare Verbindungs­ mittel in Form von Steckverbindungen vorgesehen. So kann die Prüfvorrichtung leicht auch mit verschiedenen Auswerte- und Versorgungseinrichtungen betrieben werden. Bei entsprechender Auslegung der Auswerte- und Versorgungseinrichtung kann ins­ besondere bei Prüfvorrichtungen für einfachere Prüfaufgaben, etwa Fehlersuche ohne aufwendige Fehlercharakterisierung, die Prüfvorrichtung auch versorgungskabelunabhängig ausgebildet sein, beispielsweise durch Batteriebetrieb und integrierte Auswerte- und Fehleranzeigeeinrichtung.

Das Problem, die rotierende Sondenführungseinrichtung mit der Prüfsonde mit externen Versorgungs- und Auswerteeinrichtungen zu verbinden, kann beispielsweise über Schleifkontakte er­ reicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform folgt die Verbindung in vorteilhafter Weise über berührungslos arbei­ tende Rotierübertrager, die in an sich bekannter Weise für eine sichere, rotationsunabhängige elektrische Verbindung der Sondenführungseinrichtung und der mit ihr rotierenden Prüf­ sonde sorgen. Die Rotationsübertrager können im Bereich der Rotierscheibe angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Anordnung im Bereich der Welle.

Die Rotierübertrager können im Bereich der Welle und im Be­ reich eines je umfassenden Wellenumfassung gegengleich aus­ gebildete, voneinander durch einen Luftspalt getrennte Über­ tragungskontaktschuhe aufweisen, bei denen durch Induktion elektrische Wechselspannung in den Luftspalt überbrückende elektromagnetische Wechselfelder bzw. umgekehrt diese elek­ tromagnetischen Wechselfelder wieder in elektrische Wechsel­ spannung umgewandelt werden. Es können mehrere Übertrager vorgesehen sein, so daß die Übertragung beispielsweise zwei- oder dreikanalig sein kann. Reibungsverluste und Verschleiß treten im Bereich derartiger Rotierübertrager nicht auf. Diese Art der elektrischen Übertragung trägt damit wesentlich zur Wartungsarmut der Prüfvorrichtung bei.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu meh­ reren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungs­ form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführun­ gen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Prüfvorrichtung in teilweisem Schnitt,

Fig. 2 eine schematische Unteransicht auf den Bereich der Prüfsonde und des Sondenhaltehebels.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind wesentliche Teile der Prüfvor­ richtung 1 in einem Gehäuse 2 angeordnet, das in seinem obe­ ren Bereich rundrohrförmig ist, und dessen Durchmesser sich zum unteren Bereich hin kontinuierlich trichterförmig erwei­ tert, um schließlich in einen rundrohrförmigen Bereich größe­ ren Durchmessers überzugehen. Die Gehäuseoberseite 3 ist ge­ schlossen, die Gehäuseunterseite 4 ist durch eine Schutzab­ deckung 5 verschlossen, die die Form einer dünnen Scheibe hat und entlang ihres Umfanges am Mantel des Gehäuses 2 ange­ schraubt ist.

Im Gehäuse 2 ist ein Gleichstrommotor 6 derart befestigt, daß dessen Antriebswelle 7 auf der zentralen Längsachse des Ge­ häuses 2 liegt. Die Antriebswelle 7 ist in ein axiales Sack­ loch 8 einer Sondenführungseinrichtung 9 eingepaßt. Die Son­ denführungseinrichtung 9 ist als rotationssymmetrisches Bau­ teil ausgebildet, dessen oberer, dem Gleichstrommotor 6 zuge­ wandter Teil als Welle 10, und dessen unterer, der Gehäuseun­ terseite 4 zugewandte Teil als Rotierscheibe 11 ausgebildet ist, die einen größeren Durchmesser aufweist als die Welle 10. Die Sondenführungseinrichtung 9 ist koaxial mit der An­ triebswelle 7 des Gleichstrommotors 6 angeordnet. Die Welle 10 wird von einer rohrförmigen Wellenumfassung 12 umfaßt, wo­ bei zwischen Wellenumfassung 12 und der Welle 10 ein ringka­ nalförmiger Luftspalt 13 verbleibt, so daß sich Welle 10 und Wellenumfassung 12 nicht berühren.

An der Unterseite der Rotierscheibe 11 ist exzentrisch ein Lagerzapfen 14 mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse des Gehäuses 2 und der Sondenführungseinrichtung 9 befestigt.

Auf dem Lagerzapfen 14 ist ein Sondenhaltehebel 15 drehbar gelagert. Der Sondenhaltehebel 15 trägt in seinem einen End­ bereich eine Prüfsonde 16, deren aktiver Bereich 17 zur Schutzabdeckung 5 hingerichtet ist und zur Innenseite der Schutzabdeckung einen geringen Abstand aufweist. Jenseits des Lagerzapfens 14 ist im anderen Endbereich des Sondenhalte­ hebels 15 eine Gegenmasse 18 zur Masse der Prüfsonde 16 ange­ ordnet.

Die Prüfsonde 16 ist über ein Sondenkabel 19, das über den Bereich des Lagerzapfens 14 hinweg zur Sondenführungseinrich­ tung 9 verläuft, mit ringförmigen Polschuhen der Rotierüber­ trager verbunden, die parallel übereinander am Außenumfang der Welle 10 angeordnet sind. Die ringförmigen inneren Pol­ schuhe 20 an der Welle 10 stehen im berührungslosen Übertra­ gungskontakt mit ebenfalls ringförmigen äußeren Polschulen 21, die am Innenumfang der Wellenumfassung 12 ebenfalls pa­ rallel übereinander jeweils gegenüber den inneren Polschuhen angeordnet sind. Von den äußeren Polschuhen 21 der Rotier­ übertrager verlaufen Verbindungskabel 22 zu den ihnen zuge­ ordneten Kontakten in einem Buchsenelement 23, das im oberen Bereich des Gehäuses 2 derart angeordnet ist, daß ein ent­ sprechender Gegenstecker 24 am Ende des Anschlußkabels 25 im wesentlichen radial zur Längsachse des Gehäuses 2 in dem Buchsenelement 23 festgesteckt werden kann. Das Anschlußkabel 25 verbindet die Prüfvorrichtung mit der zugeordneten Aus­ werte- und Versorgungseinrichtung.

An der Gehäuseoberseite 3 ist ein Druckschalter 26 zentrisch angeordnet. Der Druckschalter 26 dient zum Schalten der Prüf­ vorrichtung. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Prüf­ vorrichtung ist so dimensioniert, daß ein Anwender den schlanken oberen Bereich des Gehäuses 2 wie einen Handgriff umfassen kann und dabei den Druckschalter 26 bedienen kann.

In Fig. 2 ist schematisch eine Unteransicht der um die Rota­ tionsachse 27 drehbaren Rotierscheibe 11 gezeigt. Der Sonden­ haltehebel 15 ist um den Lagerzapfen 14 drehbar gelagert, der exzentrisch an der Rotierscheibe 11 befestigt ist. Am Sonden­ haltehebel 15 ist der Prüfsonde 16 gegenüber die Gegenmasse 18 erkennbar, die von der Rückstellfeder 28 auf den Befesti­ gungsstift 29 der Rückstellfeder 28 hingezogen wird. Der Be­ festigungsstift 29 ist fest mit der Rotierscheibe 11 verbun­ den. Der mit durchgezogenen Linien gezeichnete Sondenhalte­ hebel 15 entspricht dem Sondenhaltehebel in Ruhestellung der Rotierscheibe 11. In dieser Stellung wird der Sondenhalte­ hebel 15 durch die Rückstellfeder 28 derart gegen einen (nicht gezeigten) Anschlag gezogen, daß sich die Prüfsonde 16 im äußeren Umfangsbereich der Rotierscheibe 11 befindet.

Funktion

Vor einer Prüfung wird das Anschlußkabel 25 durch Einstecken des Gegensteckers 24 in das Buchsenelement 23 mit der Prüf­ vorrichtung 1 verbunden. Ein Anwender umgreift das Gehäuse 2 mit einer Hand. Die Vorrichtung wird mit der Gehäuseunter­ seite 4 auf einer ebenen Prüffläche aufgesetzt, so daß die Schutzabdeckung 5 zumindest bereichsweise in Kontakt mit der Prüfoberfläche ist. Bei einer typischen Anwendung wie der Prüfung der Randbereiche von Nietlöchern auf Risse, ist die Vorrichtung dann zweckmäßigerweise so im Bereich eines Niet­ loches aufgesetzt, daß die zentrale Achse der Prüfvorrichtung etwa in der Mitte des materialfreien Lochbereiches angeordnet ist. Nach dem Aufsetzen der Prüfvorrichtung wird der Druck­ schalter 26 kurz betätigt.

Der Einschaltvorgang setzt das von der Auswerte- und Versor­ gungseinrichtung gesteuerte Meßprogramm der Vorrichtung in Gang. Der Gleichstrommotor 6 versetzt über die Antriebswelle 7 die Sondenführungseinrichtung 9 in eine Drehbewegung um die Rotationsachse 27. Die dabei erzeugten Veränderungen im Bereich des Sondenhaltehebels werden anhand von Fig. 2 er­ läutert. Bei einer anfänglich niedrigen Drehgeschwindigkeit verbleibt der Sondenhaltehebel 15 in seiner Ruhestellung, in die er durch die Kraft der Rückstellfeder 28 gezogen wird. Die auf die Gegenmasse 18 bzw. auf die Prüfsonde 16 wirkenden Fliehkräfte bewirken über die entsprechenden Hebellängen in Bezug auf die Entfernung der jeweiligen Massenschwerpunkte vom Lagerzapfen 14 gegeneinander gerichtete Drehmomente. Da­ bei möchte das durch die Gegenmasse 18 entstehende Drehmoment den Sondenhaltehebel 15 in Richtung des Pfeiles 30 bewegen, während die auf die Prüfsonde wirkende Fliehkraft die Prüf­ sonde in die dem Pfeil 30 entgegengesetzte Richtung bewegen möchte. Aufgrund der Auslegung der Massen und der Hebellängen wirkt das resultierende Drehmoment im Sinne einer Drehung des Sondenhaltehebels 15 in die Richtung 30.

Bei kleinen Drehzahlen wird dieses resultierende Drehmoment durch die Kraft der Rückstellfeder 28 überkompensiert. Steigt die Drehgeschwindigkeit der Rotierscheibe 11 an, was durch entsprechende Programmierbarkeit der Vorrichtung kontinuier­ lich, insbesondere aber auch in diskreten Stufen erfolgen kann, steigen auch die Beträge der beschriebenen Drehmomente an. Die Federkraft der Rückstellfeder steigt dagegen im we­ sentlichen linear mit ihrer Auslenkung an. Jeder Drehzahl der Rotierscheibe 11 entspricht dabei genau eine Auslenkung der Rückstellfeder 28, bei der die Resultierende der auf die Ge­ genmasse bzw. auf die Prüfsonde wirkenden Kräfte genau kom­ pensiert wird. Damit entspricht jeder Drehzahl der Rotier­ scheibe 11 genau eine Stellung des Sondenhaltehebels 15.

Bei kontinuierlicher Steigerung der Drehgeschwindigkeit der Rotierscheibe wandert die Prüfsonde 16 etwa radial nach innen in Richtung auf die Rotationsachse 27. Die Prüfsonde be­ schreibt dabei auf der Prüffläche eine spiralförmige Bahn mit einer gewissen Spurbreite, die der Abtastbreite der Prüfsonde entspricht. Bei entsprechender Auslegung der Geschwindig­ keitssteigerung können diese Abtastspuren lückenlos aneinan­ der liegen. Bei einer stufenweisen Steigerung der Drehge­ schwindigkeit beschreibt die Prüfsonde nacheinander konzen­ trische Kreise. Auch hier können die entsprechenden Abtast­ bahnen lückenlos aneinander angrenzen.

In der in Fig. 2 gezeigten Auslegung und Anordnung des Son­ denhaltehebels wandert die Prüfsonde mit steigender Prüfge­ schwindigkeit nicht ganz bis zur Rotationsachse 27. Bei der Prüfung von Randbereichen von Nietlöchern ist dies unerheb­ lich, wenn der Radius der inneren Prüfbahn kleiner ist als der Innenradius des zu prüfenden Nietloches. Bei anderen Aus­ legungen von Sondehaltehebeln kann die Prüfsonde auch bis in den Bereich der Rotationsachse 27 geführt werden und somit eine kreisrunde Prüffläche vorzugsweise lückenlos abgetastet werden.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die radiale Stellung der Prüfsonde 16 eine eindeutige Funktion der Drehgeschwin­ digkeit der Rotierscheibe 11. Durch einen in den Figuren nicht gezeigten Synchronisator, der in bekannter Weise bei jeder vollendeten Drehung der Rotierscheibe ein Signal er­ zeugt, kann auch die Umfangsposition der Prüfsonde während ihres Umlaufes jederzeit genau festgelegt werden. Damit sind alle Prüforte auf der ringförmigen Prüffläche in Form von Polarkoordinaten (z. B. Abstand von der Rotationsachse und Drehwinkel von einer Nullstellung aus) eindeutig festlegbar. In der Auswerte- und Versorgungseinrichtung können diese In­ formationen dazu benutzt werden, ein zweidimensionales Bild der Prüfoberfläche mit den entsprechenden Positionen und ggf. Ausrichtungen und anderen Charakteristika der detektierten Fehler zu erzeugen.

Claims (19)

1. Verfahren zur Prüfung eines Prüfgegenstandes auf ober­ flächennahe Inhomogenitäten durch mindestens eine rela­ tiv zu einem Prüfgegenstand, insbesondere im wesentli­ chen parallel zu dessen Oberfläche bewegbare Prüfsonde (16), insbesondere eine Wirbelstromsonde, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfsonde (16) entlang einer in einer Prüffläche liegenden spiralförmigen Prüfbahn ge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüffläche eben ist und durch die Prüfsonde (16) entlang der Prüfbahn in einem flächig zusammenhängenden, im Umfang im wesentlichen kreisrunden, insbesondere ringförmigen Prüfbereich vorzugsweise lückenlos abge­ tastet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prüfsonde (16) während der Prüfung eine beschleunigte Bewegung ausführt, vorzugsweise vom Still­ stand beginnend.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die radiale Stellung der Prüf­ sonde (16) durch ein Gleichgewicht zwischen auf sie di­ rekt und indirekt einwirkenden Fliehkräften und der Kraft mindestens eines auf sie einwirkenden Rückstell­ elementes festgelegt wird.

5. Prüfvorrichtung zur Prüfung eines Prüfgegenstandes auf oberflächennahe Inhomogenitäten mit mindestens einer relativ zu einem Prüfgegenstand, im wesentlichen paral­ lel zu dessen Oberfläche entlang einer Prüfbahn beweg­ baren Prüfsonde (16), insbesondere einer Wirbelstrom­ sonde, und mindestens einer durch Antriebsmittel (6, 7) bewegbaren Sondenführungseinrichtung (9), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfsonde (16) an einem Sonden­ halteglied (15) angeordnet ist, das an der Sondenfüh­ rungseinrichtung (9) relativ zu dieser beweglich an­ geordnet ist.

6. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfbahn durch die Überlagerung der Bewegung der Sondenführungseinrichtung (9) und der Bewegung des Son­ denhaltegliedes (15) in einer vorzugsweise ebenen Prüf­ fläche liegt.

7. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sondenführungseinrichtung (9) zumin­ dest teilweise in Form eines um eine Rotationsachse (27) drehbaren, vorzugsweise ausgewuchteten Rotierkörpers, insbesondere einer Rotierscheibe (11), ausgebildet ist.

8. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sondenführungseinrichtung (9) zumindest teilweise in Form einer um eine Wellen­ achse drehbaren Welle (10) ausgebildet ist, wobei vor­ zugsweise die Welle (10) und der Rotierkörper, insbeson­ dere die Rotierscheibe (11), koaxial angeordnet sind.

9. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sondenhalteglied als Son­ denhaltehebel (15) ausgebildet ist, der um eine vorzugs­ weise parallel zur Rotationsachse (27) verlaufende He­ belachse drehbar, insbesondere exzentrisch an dem Ro­ tierkörper, insbesondere an der Rotierscheibe (11) gela­ gert ist.

10. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß durch die Prüfsonde (16) ein in der Prüffläche liegender, im wesentlichen im Umfang kreisrunder, vorzugsweise ringförmiger Prüfbereich vor­ zugsweise lückenlos abtastbar ist.

11. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sondenhalteglied, insbe­ sondere der Sondenhaltehebel (15), durch Einwirkung von Fliehkräften bewegbar, insbesondere drehbar ist, vor­ zugsweise gegen die Kraft mindestens eines an ihm an­ greifenden Rückstellelementes, insbesondere einer Rück­ stellfeder (28).

12. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der die Prüfsonde (16) tragen­ de Sondenhaltehebel (15) eine Gegenmasse zur Prüfsonden­ masse aufweist, die derart angeordnet ist, daß die Prüf­ sonde bei Drehung des Rotierkörpers, insbesondere der Rotierscheibe (11), entgegen der direkt auf sie wirken­ den Fliehkräfte in Richtung auf die Rotationsachsachse (27) hin bewegbar ist.

13. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (6, 7) min­ destens eine drehbare Antriebswelle (7) aufweisen, wobei die Antriebswelle (7) an der Sondenführungseinrichtung (9) vorzugsweise unmittelbar angreifend angeordnet ist.

14. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sondenführungseinrichtung (9) und das die Prüfsonde (16) aufweisende Sondenhalte­ glied (15), insbesondere der Sondenhaltehebel, in einem vorzugsweise abdichtbaren Gehäuse (2) angeordnet sind.

15. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (6, 7) in dem Gehäuse (2) vorzugsweise unmittelbar mit der An­ triebswelle (7) an der Sondenführungseinrichtung (9) an­ greifend, insbesondere koaxial mit dieser, angeordnet ist.

16. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) im Bereich der Prüffläche als lösbar befestigbare Schutzabdeckung (5) ausgebildet ist.

17. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) zumindest teilweise in Form eines einhändig führbaren Handgriffes ausgebildet ist.

18. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (2) vorzugsweise lösbare Verbindungsmittel (23) von den Antriebsmitteln (6) und der Prüfsonde (16) zu mindestens einer Auswer­ tungs- und/oder Versorgungseinrichtung vorgesehen sind.

19. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Prüfsonde (16) und der Auswerte- und Versorgungseinrichtung vorzugswei­ se als insbesondere berührungslos arbeitende Rotierüber­ trager (20, 21) ausgebildete Übertragungsmittel für die elektrische Versorgung der Prüfsonde vorgesehen sind, wobei erste Übertragungsmittel (20) im Bereich der Welle (10) und zweite Übertragungsmittel (21) im Bereich einer die Welle (10) zumindest teilweise umfassenden Wellenum­ fassung (12) angeordnet sind.