CN101153853A

CN101153853A - 内螺纹检查探针

Info

Publication number: CN101153853A
Application number: CNA2007101616843A
Authority: CN
Inventors: C·A·基尼; M·B·克莱因
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-04-02
Also published as: US20080079936A1

Abstract

本发明涉及一种用于检测螺纹孔中的缺陷的设备，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹。所述设备可包括构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺纹接合的螺纹接合部件。所述设备还可包括与所述螺纹接合部件连接的探针。该探针可构造成将光引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上。所述探针和螺纹接合部件适于在该探针将光持续地引导到所述螺旋形螺纹上的同时相对于所述孔旋转，使得光沿所述螺旋形根部的一段扫过。

Description

内螺纹检查探针

技术领域

本公开内容(本发明)一般涉及用于确定物体表面的物理特性的方法和设备，更具体地涉及用于检查和确定表面缺陷的存在的方法和设备。

背景技术

内燃机的某些机械零件可作为再制造部件加以利用。通常，这些部件可从原始设备上拆下，如果需要，经过清洗、检查、处理，并作为再制造单元出售。再制造部件为这些部件的购买者提供了成本较低的选择。

这些发动机部件中的某些部件例如连杆可包括螺纹孔。在工作使用期间，在螺纹根部/螺纹牙底内可能会产生表面缺陷，例如裂纹。这些裂纹可扩散并引起部件的疲劳和可能的失效，例如包括连杆体部的破裂。

授予Pryor等人的U.S.专利No.5,004,339公开了一种用于确定物体和物体表面的物理特性的方法和设备。将光辐射或其它电磁辐射引导到一表面的第一部分上。对从第一部分反射出的辐射与从第一部分附近的两个其它部分反射出的辐射进行比较。重复辐射发射和比较步骤，并使用比较结果来确定表面的物理特性，例如一个或多个缺陷的存在。该方法对于较简单的表面如平表面来说可能有效。对于更复杂的表面，例如螺纹表面，Pryor等人可能无法实现缺陷的充分检测。这可能是部分地由于Pryor等人无法分辨出检测到的是缺陷，还是仅为一种表面结构，例如螺纹根部、螺纹顶点或侧面区域。人们可能还会质疑Pryor等人认为信号良好的可靠性，因为在用于确定表面的物理特性的比较过程中不同类型的表面结构可能在反射光或其它电磁辐射方面产生差异。因此，尽管Pryor声称能够获得沿螺纹表面的螺纹数量及其螺距，但Pryor等人在确定是否存在一个或多个缺陷的精确度或这些缺陷的位置方面可能存在问题。这样，可能无法检测出某些缺陷，例如那些位于螺纹孔根部的缺陷。未检测出的缺陷可能会导致一个或多个部件的结构失效。

本公开内容致力于克服上述的一个或多个缺点。

发明内容

根据所公开的一个例示性实施例，提供了一种用于检测螺纹孔中的缺陷的设备，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹。所述设备可包括构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺纹接合的螺纹接合部件。所述设备还可包括与所述螺纹接合部件连接的探针。该探针可构造成将光引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上。所述探针和螺纹接合部件适于在该探针将光持续地引导到所述螺旋形螺纹上的同时相对于所述孔旋转，使得所述光沿所述螺旋形根部的一段扫过。

根据所公开的另一个例示性实施例，一种用于检测螺纹孔中的缺陷的方法可包括提供构造成传送激光或非相干光的轴并将该轴***所述螺纹孔中。可将激光或非相干光传送到所述轴内。可将所述轴调整成将激光或非相干光投射到位于所述螺纹孔的圆周面上的斑点上。可改变激光或非相干光的方向并将所述光投射到所述斑点上。可将激光或非相干光的反射光(reflectance)从所述螺纹孔的圆周面接收到所述轴内。所述方法还可包括检测经反射的激光或非相干光的特性。

根据所公开的又一个例示性实施例，提供了一种用于检测螺纹孔中的缺陷的方法，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹。所述方法可包括将光引导到所述螺旋形根部上的一点上。所述点可沿所述螺旋形根部的一段的长度移动。可将所述光的反射光接收回来。所述方法还可包括至少部分地基于所述经反射的光来确定是否存在缺陷。

附图说明

图1是根据所公开的例示性实施例的光学子***的示意图；

图2是根据所公开的例示性实施例的与螺纹孔相关的图1的探针的分解视图；

图3是根据所公开的例示性实施例的工具的示意性透视图；

图4是图3的工具经转动后的透视图；

图5是图3和4的工具的轴组件的详细视图；

图6是与图3和4的壳体组件和把手的部件相关的图5的轴组件的示意图；以及

图7是图3和4的工具的剖视图。

具体实施方式

参照附图，例示性光学子***2示出为具有多个用于检查和确定例如螺纹孔中的表面上的缺陷如裂纹的部件。在一个实施例中，光学子***2的部件可包括激光源或非相干光源8和表面检查装置4。在表面检查装置4和激光源或非相干光源8之间可连接有光束分离器组件6。在所公开的一个实施例中，可使用光纤缆线17A将光束分离器组件6连接到非相干光源8。同样，可使用另一根光纤缆线17B将光束分离器组件6连接到表面检查装置4。表面检查装置4可包括可构造成与光纤缆线17B的一端相连的旋转光学接头20。从旋转光学接头20到探测装置15可连接有另一根光纤缆线17C。旋转光学接头20可有利于连接到探测装置15的光纤缆线17C的无限制旋转。也可采用其它适于传送激光或非相干光的缆线或接头来将光束分离器组件6连接到表面检查装置4和激光源或非相干光源8。

这样，激光源或非相干光源8可向光束分离器组件6提供激光或非相干光。至少一部分激光或非相干光可穿过光束分离器组件6并例如经由旋转光学接头20进入表面检查装置4，再供给到探测装置15。探测装置15可构造成接收激光或非相干光并使激光或非相干光以光束23偏转到物体表面上。

例如，图2示出***到螺纹孔25的内部37内的探测装置15。激光或非相干光11可经由光纤缆线17C供给到探测装置15内。探测装置15可包括例如具有两个透镜的光束形成望远镜/光学装置(telescope)。所述透镜可包括准直透镜3和用于将激光或非相干光11聚焦在预定尺寸和位置的聚焦透镜5。

探测装置15还可包括棱镜7。所述望远镜可将激光或非相干光11导到棱镜7上。棱镜7可将激光或非相干光11的方向改变到预定位置点。在所公开的实施例中，棱镜7可包括90°转向棱镜，其可接收激光或非相干光11并使激光或非相干光11的方向改变为与探测装置15的纵向轴线成例如90°。经变向的激光或非相干光11可投射通过探测装置15的窗口9而成为光束23。窗口9也可防止外来物质例如灰尘进入探测装置15。光束23可聚焦到具有预定尺寸和位置的点上，例如一条或多条螺纹27的根部33。这样，上述尺寸可包括这样的斑点，该斑点的尺寸位于一条或多条螺纹27的尺寸范围内。

一旦一定量的激光或非相干光例如以光束23投射到物体表面上，则一定量的经反射的光可被接收回到探测装置15中。棱镜7可将经反射的光的方向变回到朝向所述望远镜。所述望远镜可使经反射的光对准回到光纤缆线17C。这样，再回到图1，经反射的光束23可从探测装置15被传送通过光纤缆线17C和旋转光学接头20。经反射的光束23还可进一步被传送通过光纤缆线17B而进入光束分离器组件6。一光检测器19可构造成从光束分离器组件6接收至少一部分经反射的光束23。光检测器19可测量经反射光束23的功率/能量(power)。所测得的功率可转换成电输出信号21。电输出信号21可如下所述地确定经反射光束23的被反射能量的变化量。

图1和2提供了所公开的用于检查和确定表面缺陷的存在的实施例的示意图。在一个实施例中，表面检查装置4可包括计算机数字控制(CNC)机器，该CNC机器构造成操控探测装置15的例如沿内部37的X轴、Y轴和Z轴方向的位置。图3提供了可由所公开的实施例采用的表面检查装置4的另一实施例。该表面检查装置4可包括用于识别例如位于螺纹孔中的裂纹的工具10。工具10可包括用于保持和保护工具10的部件的壳体组件28。在一个实施例中，壳体组件28可包括上壳体组件30和下壳体组件32。在壳体组件28上可连接例如用于运送工具10或将工具10设置就位的把手16。

转到图4，在上壳体组件30上可设置把手安装板34。可使用紧固件68(图3)将把手16保持在把手安装板34上。可使用多个紧固件36将把手安装板34固定在上壳体组件30上。

可使用探针26以便于识别一个或多个缺陷，例如位于螺纹孔内表面上的疲劳裂纹。工具10的探针26可对应于表面检查装置4的探测装置15。此外，探针26能以与表面检查装置4的探测装置15相同的性能工作。这样，探针26可构造成接收从激光源或非相干光源8(例如，图1)发射的激光或非相干光。与探测装置15一样，探针26也可包括部件，例如具有准直透镜3和聚焦透镜5的望远镜和棱镜7，用于使激光或非相干光聚焦并偏转到物体表面上。探针26还可构造成接收从物体表面反射的激光或非相干光。如下文详细所述，在工具10上可连接一反射光测量装置以测量从探针26接收到的例如从内表面——例如包括螺纹孔的根部——反射的能量的量。在所公开的一个实施例中，所述望远镜和棱镜可构造成接收激光或非相干光并使所述光与探针26的纵向轴线成90°地偏转到一表面上。在所公开的一个实施例中，探针26还可固定到一轴12的一端。

转到图5，所公开的实施例示出在一端具有螺纹14的轴12和沿其一部分(设置)的止挡件13。轴12可***到多个组装好的部件中。例如，一下弹簧垫24可插在轴12的一端上并抵靠止挡件13。一止推轴承48可插在下弹簧垫24的一端上。弹簧22可装配在下弹簧垫24的一部分上。上弹簧垫50的一部分可***并装配在弹簧22的另一端上。止推轴承52可抵靠上弹簧垫50而装配。旋转光学接头20可装配在轴12的一端上。一剖分式壳体组件56可封装旋转光学接头20的一部分。紧固件58可用于将剖分式壳体组件56固定在一起。剖分式壳体组件56也可包括用于接纳例如如图4所示的轴承锁定螺母38的螺纹54。轴承锁定螺母38不仅可便于将旋转光学接头20保持在轴12上，还可将轴12连接到工具10的壳体组件28。

图6示出与壳体组件28的部件相关的轴组件的其它细节。剖分式壳体组件56可被接纳穿过滑轮60中的开口61。滑轮60可例如通过定位螺钉62固定并保持在剖分式壳体组件56上。于是，滑轮60的旋转会引起轴12的旋转。

剖分式壳体组件56的螺纹54可延伸穿过上壳体组件30的开口31。螺纹54还可***穿过球轴承组件64、间隔件66、球轴承组件65和把手安装板34的开口35。同样，轴承锁定螺母38可旋拧在剖分式壳体组件56的对应螺纹54上。轴承锁定螺母38的适当紧固可将把手安装板34、上壳体组件30和轴12上的部件以稳固可靠的布置保持在一起。如图3所示，附装有探针26的轴12的端部可延伸穿过下壳体组件32的开口29。下壳体组件32可使用一个或多个紧固件46附装到上壳体组件30上以形成完整的壳体组件28。

回到图4，驱动单元18示出为连接到支承体42。一轴承锁定螺母44可旋拧在驱动单元18的一部分上以将其保持在支承体42上。支承体42可使用一个或多个紧固件40安装到上壳体组件30上。如图7所示，在支承体42和驱动单元18之间可装配球轴承组件43以使驱动单元18可旋转。在驱动单元18上可连接一驱动滑轮单元72。一驱动带70可将滑轮60连接至驱动滑轮单元72。这样，驱动单元18的旋转可经由将滑轮60连接到驱动滑轮单元72的驱动带70的连接而引起轴12的旋转。驱动单元18可由各种装置驱动，例如包括电动机，或与之相连的任意其它适当的驱动机构。光纤缆线74可连接在旋转光学接头20和探针26之间。当轴12由驱动单元18驱动旋转时，旋转光学接头20可为与之相连的光纤缆线74提供无限制旋转。

工业实用性

所公开的表面检查装置4可应用于任意***，例如需要检查和检测表面结构上的缺陷的***。这些表面结构可包括例如位于螺纹孔内表面上的裂纹。在工作时，可向表面检查装置4的探测装置15提供来自激光源或非相干光源8的激光或非相干光。探测装置15可将激光或非相干光以聚焦到一点的光束23发射到例如物体表面上。在所公开的一个实施例中，光束23与探测装置15的表面成大约90°地发射到物体表面上。上述物体表面可包括螺纹孔25的螺纹27。

为了增大检测出在螺纹27的表面上所存在缺陷的可能性，希望将光束23直接投射到螺纹27的根部33中。这可能需要相对于螺纹27对光束23进行调节。于是，可能需要调节探测装置15的位置以使光束23精确地对准螺纹27的根部33。

在所公开的一个实施例中，表面检查装置4可包括CNC机器。该CNC机器可操控要在例如沿X轴、Y轴和Z轴的方向上进行调节的探测装置15的位置。于是，探测装置15的位置可沿螺纹孔25的内部37的竖直轴线进行调节。这可包括将从探测装置15发射的光束23与螺纹孔25的螺纹27的根部33对准。此外，通过经由CNC机器使探测装置15例如沿Z轴旋转可使光束23以旋转的方式沿螺纹扫过。

如前所述，探测装置15还可构造成例如从螺纹孔25的内部37的表面接收光束23的反射光。经反射的光束23可从探测装置15被传送回到光束分离器组件6。光检测器19(例如连接到光束分离器组件6)可接收至少一部分经反射的光束23。光检测器19可测量经反射的光束23的功率。所测得的功率可转换成电输出信号21。电输出信号21可例如以电压进行度量而被量化，并进一步被分析。在一个实施例中，表面缺陷可用被反射能量大小的变化(也可转换成一个或多个电压测量值)来指示。所述电压测量值可用于与其它电压测量值进行比较。可例如在一段时间内按照被反射能量大小的变化对所测得的电压范围进行分析。这些电压范围例如可在内部37的一部分上进行测量。不规则表面，例如用裂纹表示的表面缺陷可使被投射的光束23发生散射。其结果可能包括，更少的激光或非相干光返回到探测装置15，并且因此由光检测器19测得的功率更少。因此，通过对与所测得的经反射光束23的功率相对应的所测得的电压范围进行分析，可确定表面缺陷例如位于螺纹孔25内的裂纹的存在和位置。

在所公开的另一实施例中，表面检查装置4能可替换地包括所公开的工具10。如前所述，可向工具10的探针26提供来自激光源或非相干光源8的激光或非相干光。同样，探针26能以与探测装置15相同的性能工作。这可包括将激光或非相干光以光束23发射到物体表面上。在所公开的一个实施例中，光束23与探针26的表面成大约90°地发射到物体表面上。上述物体表面可包括螺纹孔25的螺纹27。

与前述实施例一样，希望将光束23直接投射到螺纹27的根部33中以便增大检测出在螺纹27的表面上所存在缺陷的可能性。这可能需要相对于螺纹27对光束23进行调节。于是，可能需要调节探针26的位置以使光束23对准螺纹27的根部33。

轴12的探针端可定向成将探针26***到一部件的螺纹孔25中。工具10的螺纹14可与孔25的相配内螺纹27对齐。驱动单元18可驱动轴12以使螺纹14旋转而与孔25的相配内螺纹27接合。随着螺纹14与孔25的内螺纹27接合，探针26可通过所述孔的一段长度。上述螺纹接合有利于以光束23发射激光或非相干光的探针26沿目标区域的对准。这可确保光束23覆盖所有目标区域以检测例如在螺纹27的根部33中的潜在缺陷。

轴12的转动可沿螺纹孔25向下引导探针26。从探针26发射(例如与探针26的侧面成90°)的光束23可扫过孔25，包括具有内螺纹27的部分。例如，光束23可扫过一条或多条内螺纹27的根部33以检查它们是否受损。当光束23扫过螺纹孔25的内部37的表面时，从孔25的内表面(例如内螺纹27的根部33)会反射一定量的激光或非相干光。探针26可构造成例如从螺纹孔25的内部37的表面接收光束23的反射光。在所公开的一个实施例中，经反射的光束23可从探针26被传送回到光束分离器组件6。光检测器19(例如连接到光束分离器组件6)可接收至少一部分经反射的光束23。光检测器19可测量经反射的光束23的功率。所测得的功率可转换成电输出信号21。电输出信号21可例如以电压进行度量而被量化，并进一步被分析。同样，通过对与所测得的经反射光束23的功率相对应的所测得的电压范围进行分析，可确定表面缺陷例如位于螺纹孔25内的裂纹的存在和位置。

随着探针26***螺纹孔25内，所述孔的顶表面可能与下弹簧垫24接触。螺纹14持续旋入螺纹孔25中会引起弹簧22的压缩。因此，沿轴12的长度方向会产生轴向力而在外螺纹14和所述孔的内螺纹27之间形成紧密螺纹接合。这会减小螺纹相互之间的“游隙”或松配合。所公开的紧密螺纹接合有利于探针26在孔25内的对准以便对螺纹27的根部33进行检查和检测任何缺陷。所公开的轴向力可将相互配合的螺纹保持为可靠一致的(consistent)接合(状态)，从而探针26可将激光或非相干光更精确地瞄准和保持在特定位置，例如包括螺纹27的根部33。将相互配合的螺纹保持成所公开的可靠一致接合还可允许探针26例如从孔25的内部37的表面更精确地接收激光或非相干光的经反射的量。

本领域的技术人员显然明白可对所公开的设备和方法作出各种修改和变型而不会脱离本公开内容的范围。例如，可设置附加的或替换的结构以使探针26相对于孔25的螺纹27定位。这可包括将轴12的螺纹14限定成包括任意结构，例如螺纹接合部件，该螺纹接合部件可构造成与孔25的螺纹27物理地接触以保持探针26的位置。因此，在一个示例中，工具10可包括构造成与孔25的螺纹27相配合的球轴承。在另一示例中，工具10可包括接纳在孔25的螺纹27内的一个或多个可沿径向扩张的装置以保持探针26的位置。此外，鉴于本说明书，所述设备和方法的其它实施例对于本领域技术人员而言也是显而易见的。例如，所述的一些实施例可用于检查孔25的其它表面结构，例如包括具有无螺纹表面的内部区域37。在表面检查装置4包括CNC机器的一实施例中，该CNC机器可操控要在例如沿X轴、Y轴和Z轴的方向上进行调节的探测装置15的位置。因此，在所公开的一个实施例中，探测装置15的位置可沿孔25的无螺纹部分的内部37的竖直轴线进行调节。这可包括使从探测装置15发射的光束23扫过孔25的上述无螺纹部分。所述扫过的运动可包括经由CNC机器使探测装置15例如沿Z轴旋转。应当指出，本说明书以及示例应当认为仅仅是例示性的，本公开内容的真正范围由所附权利要求及其等效物来指定。

Claims

1.一种用于检测螺纹孔中的缺陷的设备，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹，所述设备包括：

构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺纹接合的螺纹接合部件；

与所述螺纹接合部件连接的探针，该探针构造成将光引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上，其中所述探针和螺纹接合部件适于在该探针将光持续地引导到所述螺旋形螺纹上的同时相对于所述孔旋转，使得所述光沿所述螺旋形根部的一段扫过。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述探针构造成使所述光在一点处聚焦到所述螺纹孔的螺旋形根部上。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述探针构造成将所述光与所述探针的纵向轴线成90°地引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括对准部件，该对准部件用于在所述螺纹接合部件和所述至少一条螺纹之间产生偏压力，以便增大所述螺纹接合部件和所述至少一条螺纹之间的接合紧密度。

5.一种用于检测螺纹孔中的缺陷的方法，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹，所述方法包括：

将光引导到所述螺旋形根部上的一点上；

使所述点沿所述螺旋形根部的一段的长度移动；

将所述光的反射光接收回来；以及

至少部分地基于所述经反射的光来确定是否存在缺陷。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述移动步骤包括在将光持续地引导到所述螺旋形根部上的同时使所述点相对于所述孔旋转，使得所述光沿所述螺旋形根部的一段扫过。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括使所述光在所述点处聚焦到所述螺旋形根部上。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括基于所述至少一条螺纹的位置来定位所述光。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述引导步骤包括在所述孔内沿纵向轴线引导光，并将所述光与所述纵向轴线成90°地投射到所述螺旋形根部上的所述点上。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括测量所接收到的经反射的光的功率。