Verfahren und Einrichtung zur Materialprüfung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Materialprüfung.
Es wird ausgegangen von einem Verfahren zur Materialprüfung, bei dem das zu prüfende Werkstück und ein Bündel einer kurzwelligen, elektromagnetischen Strahlung in bezug aufeinander so bewegt werden, dass ein zu prüfender Bereich des Werkstückes längs einer fortlaufenden Linie durchstrahlt, bei dem ferner die Intensität des Strahlers nach Durchlaufen des Werkstückes mit einem Strahlungsmessgerät gemessen und das vom Strahlungsmessgerät abgegebene elektrische Signal als Mass für die Materialdicke verwendet wird.
Im einzelnen ist es bekannt, Werkstücke mittels Röntgen- oder Kern-Gamma-Strahlung zur Feststellung von Materialfehlern wie Rissen oder Lunkern zu durchstrahlen. Bei komplizierter geformten Werkstücken werden im allgemeinen Gamma-Radiographien angefertigt.
Es sind ferner Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Dicke laufender Bahnen, beispielsweise Papier, Folien oder Bleche, bekannt, bei denen die Bahn durch die von einem Radioisotop emittierte Strahlung durchstrahlt und die Intensität der Strahlung nach Durchlaufen der Bahn mittels eines Strahlungsempfängers, wie z. B. einem Zählrohr, gemessen wird. Das vom Strahlungsempfänger gelieferte elektrische Signal wird dann einem Registriergerät undloder einer Schaltungsanordnung zugeführt, die beim Auswandern des Signals aus einem bestimmten Toleranzbereich eine Anzeige liefert.
Das Auswerten von Röntgenbildern erfordert geschulte Kräfte. Das oben erwähnte Messverfahren eignet sich nur für Bahnen oder Profile mit in Bewegungsrichtung konstantem Querschnitt.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ausgehend von den als bekannt vorausgesetzten Verfahrensmassnahmen und den zur Durchführung derartiger Verfahren dienenden Einrichtungen, das Verfahren so zu gestalten und die Einrichtung so auszubilden, dass auch ungelernte Kräfte in der Lage sind, die Materialprüfung durchzuführen. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren und die zu seiner Durchführung dienenden Einrichtungen so abzuwandeln, dass vor allem Reifenprüfungen von Werkstücken durch derartige, ungelernte Arbeitskräfte durchführbar werden, ohne dass diese ungelernten Kräfte in der Lage sind, ausgesprochene Messfehler zu machen.
Ausgehend von dem bereits eingangs genannten Verfahren zur Materialprüfung, bei dem das zu prüfende Werkstück und ein Bündel einer kurzwelligen, elektromagnetischen Strahlung in bezug aufeinander so bewegt werden, dass ein zu prüfender Bereich des Werkstückes längs einer fortlaufenden Linie durchstrahlt, bei dem ferner die Intensität des Strahlers nach Durchlaufen des Werkstückes mit einem Strahlungsmessgerät gemessen und das vom Strahlungsmessgerät abgegebene, elektrische Signal als Mass für die Materialdicke verwendet wird, kennzeichnet sich vorliegende Erfindung dadurch, dass das vom Strahlungsmessgerät bei der Abtastung des Werkstükkes längs eines Weges, auf dem sich die Dicke des Werkstückes in bestimmter Weise ändert, erzeugte Signal fortlaufend mit einem synchron mit der Bewegung des Werkstückes in bezug auf den abtastenden Strahl erzeugten Normalsignal verglichen wird,
das einem mit einem fehlerfreien Werkstück gewonnenen Signal entspricht.
Vorzugsweise wird das vom Strahlungsmessgerät erzeugte Signal zur Darstellung gebracht, beispielsweise mittels eines schreibenden Registriergerätes oder eines Oszillographen, und die Darstellung des Signals wird laufend mit einer synchron mit der Bewegung des Werkstückes in bezug auf den abtastenden Strahl angetriebenen Normaldarstellung verglichen, die einem mit einem fehlerfreien Werkstück gewonnenen Signal entspricht.
Als Darstellungseinrichtung dient vorzugsweise ein schreibendes Registriergerät, dessen Papiervorschub mit dem Antrieb des Werkstückes bzw. des Strahlungserzeugers gekuppelt ist. Die Normaldarstellung hat dann die Form einer vorher auf den Registrierstreifen aufgedruckten Kurve. Anderseits kann zur Darstellung beispielsweise auch eine Kathodenstrahlröhre dienen, vor deren Bildschirm ein synchron mit dem Werkstück bzw. dem Strahlenerzeuger angetriebenes Band vorbeigeführt wird. Das Band kann durchsichtig sein und mit einer undurchsichtigen Normalkurve einer bestimmten Breite versehen sein (oder umgekehrt). Eine auf der der Kathodenstrahlröhre abgewandten Seite des Bandes angeordnete Photozelle erhält nur dann (bzw. dann kein) Licht, wenn das Signal die Toleranzgrenzen überschreitet, die den Rändern der Normalkurve entsprechen.
Das vom Strahlungsmessgerät gelieferte Signal kann aber auch direkt elektrisch mit einem Normalsignal verglichen werden. Das Normalsignal kann beispielsweise auf einem Magnetband oder Magnetdraht aufgezeichnet sein, der Bandantrieb wird dann mit dem Antrieb für die Abtastung des Werkstückes synchronisiert.
Das Normalsignal kann auch auf einem durchsichtigen Filmstreifen nach Art der beim Tonfilm üblichen Tonaufzeichnungsverfahren (Zackenschrift, Sprossenschrift) aufgezeichnet sein und in entsprechender Weise gewonnen werden. Der Film wird synchron mit der Abtastbewegung des Werkstückes angetrieben.
Bei Werkstücken, deren Querschnittsform in einer Richtung konstant ist, z. B. Zylindern mit in Umfangsrichtung schwankender, in Achsrichtung gleichbleibender Wandstärke, kann zur Erzeugung der Normaldarstellung eine entsprechend geformte Kurvenscheibe dienen, die einen mehr oder weniger grossen Teil eines Lichtweges zwischen einer Lichtquelle und einer Photozelle abdeckt und die gleichlaufend mit dem Werkstück angetrieben wird. Die Abtastung des Werkstückes erfolgt dann längs einer Wendel, einer Mäanderkurve oder einer Zick-Zack Kurve, so dass sich periodische Signale ergeben. Einer Umdrehung der Kurvenscheibe ist dann eine ganze Anzahl solcher Perioden zugeordnet.
Zum Vergleich des vom Strahlungsempfänger gelieferten Signals mit dem Normalsignal kann irgendeine bekannte Schaltung, z. B. ein Differenzverstärker, dienen.
Zur Erzeugung der Strahlung können Röntgenröhren oder Beschleuniger (Betatron) dienen, vorzugsweise werden jedoch Radioisotope verwendet.
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden, in der spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, die jedoch nicht einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt ein stark schematisiertes erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, teilweise im Längsschnitt;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Ansicht ähnlich wie Fig. 2, wobei jedoch nur ein Teil des Werkstückes dargestellt ist, sie dient zur Erläuterung einer Weiterbildung der Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt, die sich zur Prüfung des Bodens von topfförmigen Werkstücken eignet;
Fig. 5 zeigt die Einrichtung nach Fig. 4 in Stirnansicht;
Fig. 6 zeigt die Einrichtung nach Fig. 4 und 5 von oben und
Fig. 7 zeigt einen Teil eines Registrier- bzw.
Normalstreifens.
Die Erfindung soll anhand einer Einrichtung zur Prüfung von gegossenen Pumpengehäusen beschrieben werden, die Erfindung ist natürlich nicht hierauf beschränkt.
Das zu prüfende, gegossene Pumpengehäuse 10 wird in einer genauen örtlichen und winkelmässigen Lage auf einen Prüftisch 12 gebracht. Der Prüftisch 12 kann entsprechende Vorrichtungen enthalten, um das Einjustieren des Werkstückes 10 zu erleichtern.
Der Prüftisch 12 kann sowohl gedreht, als auch gehoben und gesenkt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird er von einer Welle 14 getragen, deren oberes Teil mit einem Gewinde 16 und deren unteres Teil mit Keilnuten 18 versehen ist. Das Gewinde läuft in einer feststehenden Mutter 20. Auf dem genuteten Teil der Welle 14 sitzt ein Zahnrad 22, das über ein Getriebe von einem Motor 24 angetrieben wird. Einzelheiten der Mechanik sind nicht dargestellt, da sie für einen Fachmann selbstverständlich sind.
Es ist ersichtlich, dass das zu prüfende Werkstück 10 beim Antrieb der Welle 14 gedreht und gleichzeitig gehoben bzw. gesenkt wird. Im Inneren des zu prüfenden Werkstückes, das, wie Fig. 2 zeigt, eine im wesentlichen zylindrische Form hat, befindet sich in einer Bleiabschirmung 26 ein radioaktives Präparat 28, z. B. t37 Cs. Durch eine enge Bohrung 30 wird ein feiner Strahl 32 ausgeblendet, der nach Durchlaufen des Werkstückes auf ein Strahlungsmessgerät fällt. Das dargestellte Strahlungsmessgerät ist ein Szintillationszähler 34, der zum Schutz gegen Streustrahlung mit einer Bleiabschirmung 36 umgeben ist, die mit einer engen Eintrittsbohrung versehen ist. Die Ausgangssignale des Zählers 34 werden in bekannter Weise verstärkt, integriert und einem Registriergerät 38 zugeführt.
Der Papiervorschub des Schreibers 38 ist mit dem Antrieb der Welle 14 synchronisiert, beispielsweise durch eine direkte mechanische Verbindung 40 zwischen dem Antriebsmotor 34 und dem Papiervorschubsgetriebe des
Die bisher beschriebenen Anordnungen liefern aber nur zwei Koordinaten, nämlich Winkel und Höhe (in Achsrichtung) eines Materialfehlers, nicht aber den radialen Abstand von der Drehachse. Um auch die letzte Koordinate bestimmen zu können, werden Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger einerseits gegenüber dem Werkstück anderseits verschiebbar ausgebildet, so dass sie von der in Fig. 2 ausgezogenen Lage in Pfeilrichtung in die in Fig. 2 gestrichelt gezeichnete Lage gebracht werden können.
Man kann dann auf die folgende Weise auch die dritte Koordinate, nämlich den radialen Abstand, bestimmten, wie anhand von Fig. 3 erläutert werden soll.
Die Anordnung wird wieder in die Lage gebracht, bei der der Strahl auf den Materialfehler trifft, oder die Anlage wird sofort beim Feststellen eines Materialfehlers angehalten, was auch automatisch geschehen kann, wie noch weiter unten erläutert werden wird. Der Strahl 32 in Fig. 3 verläuft dann vom Strahler 28 durch das Werkstück 10 zum Strahlungsempfänger 34 und durchsetzt dabei einen Lunker. Nun wird das Werkstück senkrecht zum Strahlengang um eine definierte Strecke verschoben, so dass das Präparat und der Zähler die in Fig. 2 und 3 gestrichelt dargestellte Lage 28'bzw. 34' bezüglich des Werkstückes 10 einnehmen. Anschlie ssend wird das Werkstück 10 so lange gedreht, bis der Lunker wieder in den Strahlengang 32' gelangt.
Der Drehwinkel, der hiefür nötig ist, ist verschieden, je nachdem ob sich der Lunker nahe der Innenwand 11 an der durch einen Kreis bezeichneten Stelle oder nahe der Aussenwand 9 an der durch ein Dreieck bezeichneten Stelle befindet. Je näher der Fehler an der Innenwand 11 liegt, umso grösser ist der Drehwinkel. Wenn Lunker ab einem bestimmten Abstand toleriert werden können, kann einfach ein Maximalwinkel vorgegeben werden, bei dessen Überschreiten der Ausschussbereich beginnt. Vorzugsweise ist eine zweite Sollkurve vorhanden, die der verschobenen Lage des Werkstückes entspricht. Anhand dieser zweiten Sollkurve lässt sich dann ohne weiteres feststellen, wenn der Strahlengang wieder den Fehler trifft. Der Abstand der Fehleraufzeichnungen längs der Richtung des Papiervorschubes ist ein Mass für den Drehwinkel.
Das Verschieben des Werkstückes kann folgendermassen vorgenommen werden: Zwischen den Tisch 12 und das Werkstück 10 wird koaxial zur Welle 14 eine nicht dargestellte runde Scheibe zwischengelegt. Beidseits dieser Scheibe, senkrecht zum Strahlengang, werden zwei ortsfeste Backen angeordnet. Soll das Werkstück verschoben werden, so werden die Backen an die runde Scheibe angelegt und dann gleichlaufend mit der eingeklemmten Scheibe und dem darauf ruhenden Werkstück um die gewünschte, definierte Strecke verschoben. Nun werden die Backen wieder zurückgezogen und die Messung kann durchgeführt werden, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.
Schreibers oder auf irgendeine andere bekannte Weise. Auf das Registrierpapier ist eine Sollkurve 42 aufgedruckt oder aufgezeichnet, die der Deutlichkeit halber in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist. Der Verlauf dieser Sollkurve entspricht einem Signal, das ein fehlerfreies Werkstück liefern würde.
Normalerweise verläuft die vom Schreiber 38 aufgezeichnete, ausgezogen dargestellte Kurve 44 des vom Szintillationszähler 34 gelieferten Signals in Deckung oder zumindest parallel zur Sollkurve 42.
Bei Materialfehlern treten Abweichungen auf, wie z. B. bei 46 dargestellt ist; solche Fehler können auch von ungeübten Kräften sofort erkannt werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird das Werkstück längs eines wendelförmigen Streifens durchstrahlt. Die Steigung des Gewindes 16 wird in Abhängigkeit vom Querschnitt des Strahlers so gewählt, dass der abtastende Strahl den zu prüfenden Bereich lückenlos erfasst.
Die Dicke der Abschirmung 26 für das Radioisotop 28 wird durch den im Werkstück 10 zur Verfügung stehenden Raum begrenzt. Die Dicke der Abschirmung 26 begrenzt ihrerseits die Härte der Strahlung, da bei ungenügender Abschirmung infolge der Streustrahlung keine genauen Messungen möglich sind. Je weicher die verwendete Strahlung ist, umso geringere Intensitäten stehen am Strahlungsmessgerät 34 zur Verfügung und um so langsamer muss die Abtastung erfolgen, um brauchbare Signale zu erhalten.
Zur Verkürzung der Prüfzeit für ein Werkstück können, wie Fig. 2 zeigt, mehrere Strahlungsempfänger verwendet werden. Die Bleiabschirmung 27 in Fig. 2 besitzt in dem dargestellten Beispiel ausser der Bohrung 30 zur Ausblendung des Strahles 32 noch zwei weitere Bohrungen 29 und 31, die in einer zur Drehachse senkrechten Ebene liegen und miteinander vorzugsweise gleiche Winkel einschlie ssen. Den Bohrungen 29 und 31 sind zwei nicht dargestellte zusätzliche Strahlungsempfänger 33 und 35 zugeordnet, die wie der Strahlungsempfänger 34 mit Verstärkern und Registriergeräten verbunden sind. Bei der Anordnung nach Fig. 2 kann gegebenenfalls ein einziger Mehrfachschreiber verwendet werden.
Es ist leicht einzusehen, dass zur Prüfung eines Werkstückes mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nur ein Drittel der Zeit benötigt wird, die eine Prüfung mit der Anordnung nach Fig. 1 erfordert. Die Steigung des Gewindes 16 kann dreimal so gross gewählt werden, da die drei durch die Bohrungen 29, 30 und 31 austretenden Strahlenbündel das Werkstück nach Art einer dreigängigen Schraube abtasten.
Unter Umständen interessiert ausser der Feststellung des Vorliegens von Materialfehlern auch deren genaue örtliche Lage. Bei dem diskutierten Beispiel stören Lunker beispielsweise nur, wenn sie nahe an der Innenwand 11 liegen, während weiter aussen gelegene kleinere Lunker toleriert werden können.
Anstatt das Werkstück gegenüber dem Tisch zu verschieben, kann natürlich auch Strahler und Strahlungsempfänger gegenüber dem dann feststehenden Tisch und Werkstück oder der Drehtisch 12 mit dem darauf befindlichen Werkstück gegenüber Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger verschiebbar ausgebildet sein.
In den Fig. 4 bis 6 ist eine Vorrichtung dargestellt, die es erlaubt, auch den Boden eines topfförmigen Werkstückes zu prüfen. Das Werkstück 10 wird in der dargestellten Lage auf eine Drehscheibe 50 gebracht, deren nicht dargestellter Antrieb so ausgebildet ist, dass die Drehscheibe 50 in einem bestimmten Winkelbereich eine hin und her gehende Bewegung auszuführen in der Lage ist. Das zylindrische Werkstück 10 ist um die Zylinderachse drehbar gelagert, beispielsweise durch Rollen 52, der Antrieb erfolgt über einen Motor 54 und einen Riemenantrieb 56, an dessen Stelle natürlich auch ein Zahnkranz und ein Getriebe treten kann. Das radioaktive Präparat 28 befindet sich in einem spitz zulaufenden Abschirmbehälter 58, um auch eine Ausleuchtung der Ecken des Werkstückes zu ermöglichen.
Es ist an einer horizontalen Stange 60 befestigt, die in einem Lager 62 verschiebbar gelagert ist.
Die Abtastung des Bodenbereiches des Werkstückes durch den Gammastrahl 32 kann auf ver schiedene Weise erfolgen. Der Antrieb kann so ausgebildet sein, dass die Welle 64 der Drehscheibe 50 eine Schwenkbewegung in einem gewissen Winkelbereich ausführt. Das Werkstück 10 wird dann, wie Fig. 6 zeigt, von der gestrichelten Lage 10' in die zur Normallage 10 entgegengesetzt symmetrische Lage geschwenkt. Nach jeder Schwenkung wird das Werkstück mittels des Motors 54 absatzweise um einen gewissen Winkel um seine Achse gedreht. Der Gammastrahl 32 beschreibt dann etwa die Figur eines Sternes.
Es ist auch eine spiralförmige Abtastung möglich. Zum Beginn der Abtastung befindet sich die Drehscheibe dann in der in Fig. 6 gestrichelt gezeichneten Stellung 10'. Der Motor 54 dreht das Werkstück dann ununterbrochen und diese Drehung ist durch geeignete mechanische oder elektrische Mittel mit der Schwenkbewegung des Drehtisches 50 synchronisiert, so dass der Strahl 32 das Werkstück längs einer Spirale abtastet. Die Schwenkung des Tisches 50 und damit die Ganghöhe der Spirale sind in Abhängigkeit vom Durchmesser des Strahles 32 so bemessen, dass eine lückenlose Abtastung des Bodenbereiches gewährleistet ist. Wenn das Werkstück die Form eines verhältnismässig tiefen und engen Zylinders hat, kann eine Verschiebung des Präparates in Richtung der Stange 60 notwendig werden.
Der Vorschub der Stange 60 in der Halterung 32 kann dann ebenfalls mit der Abtastbewegung synchronisiert sein.
Die in Fig. 6 dargestellte elektrische Schaltung enthält eine Oszillographenröhre 66, deren eines Ablenkplattenpaar mit dem vom Szintillationszähler 34 stammenden Signal beaufschlagt ist. Der Elektronenstrahl wird entsprechend der durcbstrahlten Materialmenge mehr oder weniger abgelenkt. Vor dem Bildschirm der Röhre 66 befindet sich ein transparenter Streifen 68, auf dem eine undurchsichtige Normalkurve 70 aufgezeichnet ist. Die Breite der Kurve senkrecht zur Richtung des Streifenvorschubes entspricht der zulässigen Toleranz. Ein Teil eines solchen Streifens ist in Fig. 7 genauer dargestellt. Der Vorschub des Streifens ist mit der Abtastbewegung synchronisiert, was durch den gestrichelten Doppelpfeil 72 angedeutet werden soll.
Bei fehlerfreiem Werkstück wird der Leuchtpunkt auf dem Bildschirm der Oszillographenröhre von der Normalkurve 70 abgedeckt, so dass kein Licht auf die Photozelle 74 fallen kann. Bei Materialfehlern decken sich Lichtpunkt und Kurve 70 jedoch nicht mehr, die Photozelle 74 wird beleuchtet und eine mit ihr verbundene Alarmschaltung 76 spricht an.
Die Alarmschaltung 76 kann gleichzeitig den Abtastmechanismus stillsetzen, und ein akustisches undloder optisches Signal liefern.
An die Stelle der in Fig. 6 dargestellten elektrischen Einrichtung kann natürlich auch die elektrische Einrichtung der Fig. 1 treten. Um auch bei dieser Einrichtung eine automatische Fehleranzeige zu ermöglichen, kann mit dem Schreibstift eine Photozelle verbunden werden, die die Kontrollkurve abtastet und bei Abweichungen ein Signal liefert.
Es ist ferner möglich, mit dem Schreibstift eine kleine Lichtquelle zu verbinden, die im Normalfalle durch die Normalkurve abgedeckt wird, so dass kein Licht auf eine hinter dem Registrierstreifen angeordnete Photozelle fällt. Die Anordnung arbeitet dann im Prinzip wie die Anordnung nach Fig. 6.
Die Normalkurve kann auch aus einer elektrisch leitenden Farbe bestehen, wenn der Kontrollstreifen isoliert oder aus einer isolierenden Farbe, wenn das Material des Kontrollstreifens leitet. Der Schreibstift wird in diesem Falle in einen elektrischen Stromkreis geschaltet, der ein Signal erzeugt, wenn der Schreibstift die Normalkurve verlässt.
Die dargestellten Prüfeinrichtungen können in eine vollautomatisch arbeitende Strasse eingeschaltet sein, die zu prüfenden Werkstücke werden dann durch geeignete, an sich bekannte Transportvorrichtungen automatisch in der richtigen Lage auf den Prüftisch gebracht und nach der Prüfung wieder weitertransportiert.