DE3306194C2

DE3306194C2 -

Info

Publication number: DE3306194C2
Application number: DE3306194A
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiko Amagasaki Hyogo Jp Kamei; Shin Toyonaka Osaka Jp Nemoto; Souji Yamatokohriyama Nara Jp Ishimoto
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: 1989-10-12
Also published as: GB2115924A; GB8305360D0; FR2522149B1; FR2522149A1; US4598998A; GB2115924B; DE3306194A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Schraubenoberflächen gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus US 38 16 746 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung dient dazu, bei Gewinde buchsen zu prüfen, ob ein Gewinde vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird die Innenfläche der Buchse mit einem schräg einfallenden konzentrierten Lichtstrahl, der in Längsrichtung des Gewindeabschnitts wandert, abge tastet. Wenn kein Gewinde vorhanden ist, fällt der an der glatten Innenfläche der Buchse reflektierte Licht strahl auf einen fotoelektrischen Umsetzer. Ist ein Gewinde vorhanden, dann wird der Strahl von dem Gewinde gestreut, so daß nur ein ganz geringer Streustrahlungs anteil auf den fotoelektrischen Umsetzer fällt. Das Signal dieses Umsetzers wird von einem Schwellenwert detektor ausgewertet, der zwischen dem Einfall des reflektierten Lichtstrahls und dem Einfall von Streu strahlung unterscheidet. Eine Überwachung des Gewindes selbst auf Fehlstellen innerhalb der einzelnen Gewinde gänge erfolgt bei der bekannten Vorrichtung nicht. Eine entsprechende Untersuchung von Gewindeflanken ist mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich, weil das Licht erst nach Mehrfachreflexionen auf den fotoelektrischen Umsetzer fällt.

Zur Prüfung von Fehlstellen an den Flanken eines Schraubengewindes ist aus JP-A-45-1 50 163 eine Vor richtung bekannt, bei der eine breitflächige Beleuch tung des Gewindes mit parallel einfallenden Licht strahlen erfolgt. Dabei ist der Lichteinfall so schräg, daß jeder Gewindevorsprung einen Teil des dahinter liegenden Gewindeganges abschattet. Das aus Licht und Schatten bestehende Bild des Gewindes wird aufgenommen und als Hell-Dunkel-Muster ausgewertet. Dieses Meßver fahren setzt das Vorhandensein von Schatten zwingend voraus, so daß nur die eine Hälfte der Gewindeflanken auf Fehlstellen abgetastet werden kann, während die andere Hälfte im Schatten liegt. Wegen der gleich zeitigen Beleuchtung verschiedener Gewindebereiche ent steht Streustrahlung, so daß das Nutzsignal einem Streustrahlungsrauschen überlagert ist und schwer aus gewertet werden kann.

Ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Oberflächenfehler im Schraubengewinde über den gesamten Querschnitt der Gewindeflanken mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit festzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestal tungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden sämtliche Gewindeflanken von einem sich über das Gewinde bewegen den Lichtfleck erfaßt, so daß keine Gewindeflanke im Schatten liegt. Die periodischen Amplitudenänderungen des reflektierten Lichts werden ausgewertet, um Ab weichungen von dem Gewindemuster, und somit Fehl stellen, festzustellen. Die Drehvorrichtung ändert die Projektionsstelle des Lichtflecks in bezug auf den Schraubenumfang, so daß eine Rundumprüfung der Gewinde flanken erfolgt. Die Vorrichtung arbeitet unter be wußter Vermeidung von Schatten nach dem Prinzip der Abtastung mit wanderndem Licht. Wobei der Lichtpunkt der Gewindekontur kontinuierlich folgt und dabei in sämtliche Tiefen des Gewindes eindringt.

Da nur ein einziger fotoelektrischer Umsetzer erforder lich ist, wird die Signalverarbeitung des Auswertungs signals vereinfacht. Es werden sowohl der Spitzen bereich, die Flanke und der Fußbereich der Gewindevor sprünge abgetastet.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er läutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip einer Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 ein Beispiel von Lichtflecken unter Reflexionsbedingungen,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wellenform eines photoelektrisch umgeformten Signals des reflektierten Lichts,

Fig. 4 bis 9 Wellenformen von photoelektrischen Umformungssignalen, die jeweils be stimmten Fehlerkonfigurationen entsprechen,

Fig. 10 und 11 Darstellungen zur Erläuterung der Lichtfleck-Projektionsrichtung zusammen mit dem Querschnitt des Schraubengewindes,

Fig. 12 und 13 den Aufbau des optischen Systems bei einer Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 14 eine Signalverarbeitungsschaltung der Vorrichtung,

Fig. 15 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 14 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 16 ein Schaltungsdiagramm einer Signal verarbeitungsschaltung einer modifizierten Ausführungsform des Apparats und

Fig. 17 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 16 dargestellten Vorrichtung.

Bei der Vorrichtung zur Prüfung von Schraubenoberflächen auf Fehler wird ein Lichtfleck auf die Oberfläche einer Schraube proji ziert und axial abgetastet, um das von der Projek tionsfläche reflektierte Licht auszuwerten, wodurch Fehler auf der Schraubenoberfläche aufgrund von Infor mation der zeitlichen Änderung der Intensität des re flektierten Lichts nachgewiesen werden.

Zunächst wird das Prinzip der Vorrichtung erläutert. Das Profil einer Schraube 10 ist in der Fig. 1 dargestellt. Der auf die Achse 11 der Schraube 10, und zwar senkrecht zur Achse 11 oder zur Hüllfläche 12 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 reflek tierte Licht 23 von der Schraubenoberfläche auf, wodurch ein photoelektrisches Umformungssignal erhalten wird.

Außerdem kann der photoelektrische Umsetzer 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. 2 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 Schraubengewindes 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 annehmen, wie dies aus der graphischen Darstellung der Wellenform der Fig. 3 zu ersehen ist.

Wenn Strahlung rechtwinklig auf die Schraube 10 ge richtet ist, erhält man das die genannten Veränderungen zeigende und regelmäßig alternierende Signal, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Wenn jedoch auf der Schrauben oberfläche 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.

Zur Verdeutlichung von Fehlern aufgrund des Nachweises solcher Signal-Anomalien wird zunächst 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. 4a zeigt eine Wellenform, die den als Kerbe oder Einschnitt bezeichneten Oberflächenfehler anzeigt, der durch einen Schlag gegen einen Fremdkörper während des Transports oder der Handhabung verursacht wird und wie eine örtliche Einkerbung oder Abplattung an der Oberfläche der Spitze des Schraubengewindes aussieht. Die Wellenform des durch einen solchen Fehler hervorge rufenen Signals zeigt eine extrem starke Zunahme des der fehlerhaften Spitze entsprechenden Spitzenwertes, wie dies in der Fig. 4b dargestellt ist, oder aber eine extrem verringerte Intensität der Reflexion von der betreffenden Spitze, wie dies in der Fig. 4c dargestellt ist.

Die Fig. 5c 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 Schrau be in deren Längs- oder Umfangsrichtung erstreckende leichte Rauhigkeit zu erkennen gibt. Wie in der Fig. 5b dargestellt ist, erniedrigt ein solcher Fehler die Inten sität des betreffenden Schraubenteils, so daß eine scharfe Vibration des niedrigen Wertes in denjenigen Teilen auftritt, die der Spitze und der Flanke ent sprechen.

Fig. 6 zeigt den als rauhe Oberfläche bezeichneten Fehler, der durch eine ungeeignete Kombination aus Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit des Schneid werkzeugs einer Gewindeschneidevorrichtung oder aber dadurch verursacht wird, daß Späne zwischen das Schneidwerkzeug und die Schraube gelangen. Die Schrau benoberfläche ist in Umfangsrichtung zerkratzt und wird unregelmäßig rauh, so daß die Wellenform des Signals gemäß Fig. 6b in dem der Spitze entsprechenden Teil verkleinert ist und sanfte Schwingungen an den der Spitze und der Flanke entsprechenden Teilen aufweist.

Die Fig. 7 zeigt den als Rost bezeichneten Ober flächenfehler, bei dem es sich um einen Rest von Eisen oxid auf der Oberfläche handelt, der während des Gewin deschneidens 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. 7b dargestellte flache Signal auf niedrigem Niveau, das dem Rost entspricht.

Die Fig. 8 zeigt den als Naht bezeichneten Ober flächenfehler, der bei Schraubengewinden mit Trapezform gefunden wird und verursacht wird durch Faltung, Krat zer oder Leerstellen des Materials während des Schnei dens oder durch einen winzigen Riß in einem Schneid werkzeug. Dieser Fehler zeigt sich in Form einer Naht, die sich in Achsen- oder Umfangsrichtung auf der Ober seite der flachen Spitze bzw. auf dem Boden des Kerns erstreckt. Dementsprechend umfaßt das Signal, wie es in der Fig. 8 dargestellt ist, in den Gebieten fla cher und hoher Niveaus der Ausgangssignale, die der Spitze oder dem Kern entsprechen, Stellen eines plötz lichen Abfallens.

Fig. 9a zeigt den als Span bezeichneten Oberflächen fehler, 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. 9b 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 durchge führt.

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. 1 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 in der Ausführungsform der Fig. 1 Null Grad, jedoch muß der Projektionswinkel Null nicht über die gesamte Strecke des Abtastbereichs eingehalten werden. Mit anderen Worten, es wird vorausgesetzt, daß ein Einfallwinkel R bezüglich der Achse 11 oder der Hüllfläche 12, wie er durch die strichpunktierten Lini en bezeichnet wird, in einem Bereich einbezogen wird, in dem dieser Winkel kleiner ist als der Komplement winkel (90° - α) zu dem Flankenwinkel α 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 Schwingungsbewegung 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. 1 die Führung des Licht strahls 21 so angepaßt, daß dieser auf die Achse der Schraube 10 gerichtet werden kann. In Fig. 10 sind die Art der Projektion und Reflexion des Lichtflecks zusammen mit dem Querschnitt der Schraube dargestellt, wobei der Einfallswinkel bezüglich der Tangente zu der Schrauben oberfläche so gewählt ist, daß er 0° beträgt (der Einfalls winkel ist wie im Vorstehenden als der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normalen zu der Schraubenoberfläche definiert). Wenn die Beleuchtung und Reflexion solchermaßen durchgeführt werden, wandert das reflektierte Licht 23, das sich radial bewegt, in Einfallsrichtung. Aus diesem Grund braucht der Einfallswinkel nicht streng Null zu sein, und ein Winkel innerhalb eines Bereichs, der dem Durchmesser des Lichtflecks oder der Lichtempfängerfläche des photoelektrischen Umsetzers entspricht, ist zugelassen, wobei der Einfallswinkel ausreicht, um das reflektierte Licht des Lichtflecks mittels eines photoelektrischen Umsetzers aufzunehmen.

Fig. 11 zeigt eine andere Vorrichtung, bei der der Einfallswinkel bezüglich der Tangente 17 an die Schraubenoberfläche nicht 0° ist. Infolgedessen sind die Einfallswinkel bezüglich der Tangenten 17 a, 17 b und 17 c, bei denen der Lichtfleck 22 sich auf der Spit ze 15, den Flanken 13 oder 14 oder dem Kern 16 befin det, verschieden und betragen β a, β b und β c, was ver schiedene Richtungen des reflektierten Lichts 23 a, 23 b und 23 c zur Folge hat. Dementsprechend werden bei einer solchen Art der Projektion des Lichtstrahls die photo elektrischen Umsetzer an verschiedenen Orten relativ zum Umfang angeordnet, so daß sie die reflektierten Lichtstrahlen 23 a, 23 b und 23 c getrennt empfangen und somit die Ausgangssignale jedes der photoelektrischen Umsetzer als Signale für die Überprüfung auf Ober flächenfehler 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 Einfalls winkels kann der photoelektrische Umsetzer zur Aufnahme des reflektierten Lichts 23 b von der Flanke auch als derjenige zur Aufnahme des reflektierten Lichts von der Spitze 15 oder von dem Kern 16 eingesetzt werden.

Im Folgenden wird ein Apparat für die praktische Durch führung des Prüfverfahrens beschrieben. Fig. 12 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 waagerech ter Drehachse geführt, von diesem Spiegel 33 reflek tiert und auf die Oberfläche der Schraube 10 proji ziert, wodurch der Lichtfleck 22 erzeugt wird. Der Laserstrahl-Oszillator und der Drehspiegel 33 sind da bei so angeordnet, daß der Lichtfleck 22 durch Drehung des Drehspiegels 33 mit hoher Geschwindigkeit die Schraube 10 axial abtastet. Im übrigen ist die Licht quelle nicht auf einen Laserstrahl-Oszillator be schränkt, sondern sie muß nur die Bildung eines Licht flecks 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 festgeleg te Strecke ermöglichen; beispielsweise können auch ein galvanometrischer Abtaster oder eine Ultraschallablen kung eingesetzt werden. Die Einfallswinkel 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 angege bene Bedingung erfüllt wird. Bei 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 11 zubewegt, wie dies in der Fig. 10 dargestellt ist.

In den Strahlengang des Laserstrahls 21 ist ein Strah lenteiler 34 zwischen dem Drehspiegel 33 und der Schraube 10 eingesetzt, der so angeordnet ist, daß er den Lichtweg des reflektierten Lichtes 23 gegenüber dem des projizierten Lichts verschiebt, so daß das reflek tierte 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 ab zugeben braucht, dessen Wert der Intensität des empfan genen Lichts entspricht; beispielsweise einsetzbar hierfür ist eine Pin-Photodiode. Ein vor dem photo elektrischen Umsetzer angeordnetes Filter sorgt dafür, daß 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 Dreh spiegel 33 rotiert mit hoher Geschwindigkeit, und das Drehfutter 31 dreht sich mit einer vorgegebenen Ge schwindigkeit, 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 photoelektrische Umsetzer in bezug auf seine senkrechte Länge auch verkleinert werden, wenn eine Kondensorlinse oder ein optisches Faserbündel zwischen den Strahlenteiler 34 und den photoelektri schen Umsetzer gebracht werden. In dem Fall, in dem der Abtastbereich des Lichtflecks, zwecks Erfüllung der Bedingung für den Einfallswinkel in bezug auf die axiale Richtung der Schraube 10, kleiner ist als die gesamte 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 Konstruk tion beschränkt, sondern es kann auch eine Abtastvor richtung eingesetzt werden, bei der die Lichtquelle um die Schraube gedreht wird.

Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems des Apparats, bei dem nicht mit dem Einfallswinkel Null gearbeitet wird, wie dies in der Fig. 11 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 Einfallswinkel in bezug auf die axiale Richtung nicht Null sondern β wird, wodurch der Licht fleck 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 Drehspie gels 33 mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Im übri gen werden für den Einfallswinkel des Laserstrahls 21 bezüglich der Axialrichtung der Schraube 10 die gleichen Bedingungen wie in der in der Fig. 12 darge stellten Ausführungsform eingehalten.

Die Reflexionswinkel des Lichts von der Spitze 15, den Flanken 13 und 14 und dem Kern 16 sind voneinander ver schieden, so daß die drei photoelektrischen Umsetzer 35 a, 35 b und 35 c nebeneinander angeordnet sind, um die Aufnahme des jeweils reflektierten Lichts zu ermögli chen. Dabei sind die photoelektrischen Umsetzer 35 a, 35 b und 35 c die gleichen wie der oben beschriebene pho toelektrische Umsetzer 35. Die Streuung des von den Flanken 13 und 14 reflektierten Lichts in axialer Rich tung 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. 14 dargestellt. Beispiels weise wird ein Ausgangssignal [Fig. 15 (1)] des photo elektrischen Meßumformers 35 a auf die Digitalisierer 40 und 41 gegeben, in denen Schwellenwerte V ₁ bzw. V ₂ (V ₂ < V ₁) festgelegt wurden. Die Digitalisierer 40 und 41 ver gleichen die eingehenden Signale mit den Werten V ₁ und V ₂, und wenn die Eingangssignale höhere Werte als V ₁ und V ₂ besitzen, geben sie Signale mit Hochwerten ab. Wie in der Fig. 15 (1) dargestellt ist, wird der Schwellen wert V ₁ so gewählt, daß er wenig unterhalb des Maxi malwertes in dem Wiederholungsmuster liegt, und V ₂ 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. 4 bis 9 dargestellt ist. Solche Signaländerungen lassen sich wie folgt einteilen:
eine Änderung, wie sie in (1) in der Fig. 15 (1) darge stellt ist, wobei ein momentaner Abfall des Gipfelwertes unter den Wert von V ₁ stattfindet;
eine Änderung, wie sie in (2) in der Fig. 15 (1) darge stellt ist, wobei ein momentaner Anstieg des Gipfel wertes über den Wert von V ₂ stattfindet; und
eine Änderung, wie sie in (3) in der Fig. 15 (1) darge stellt ist, wobei der Gipfelwert unter den Wert von V ₁ 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. 15 (2) und 15 (4) dargestellt; das Ausgangssignal b wird mittels eines Inverters 44 der Phasenumkehr unterworfen; das in der Fig. 15 (3) dargestellte Umkehrsignal wird dann auf ein NAND-Tor 45 gegeben, und das Ausgangssignal c wird auf ein NAND-Tor 46 gegeben.

In Fig. 14 bezeichnet die Bezugszahl 43 einen Zeit taktsignal-Generator, dem synchron mit dem Beginn des Abtastens des Lichtflecks 22 ein Synchronisiersignal d [Fig. 15 (5)] und ein von einem Oszillator erzeugtes Taktsignal e [Fig. 15 (6)] eingegeben werden; auf der Basis dieser Signale d und e wird durch Frequenzteilung ein Zeittaktsignal f [Fig. 15 (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 Rückstell signal-Generator 49 liefert einen Nadelimpuls k an der Abschlußkante des dem Rückstellsignal-Generator 49 eingegebenen Zeittaktsignals f, wie dieses in der Fig. 15 (12) dargestellt ist, wobei der Rückstellimpuls k auf die Rückstellanschlüsse der RS-Flipflops 47 bzw. 48 gegeben wird. Die Ausgangssignale g und h werden auf die Setzanschlüsse der RS-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. 15 (10) und Fig. 15 (11)] werden in ein ODER-Glied 50 eingegeben, wobei dessen Ausgangssignal l [Fig. 15 (13)] im Falle eines Hoch-Wertes ein Fehlernachweis-Warngerät 51 in Betrieb setzt.

Bei Auftreten einer solchen Signaländerung, wie sie dem unter (1) dargestellten Fehler entspricht, besteht das Ausgangssignal b des Digitalisierers 40 aus einer fort laufenden 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 das RS-Flipflop gesetzt wird. Dessen Setz-Ausgangssignal i hat Hoch-Wert, bis es durch den Rückstellimpuls k rückgesetzt wird, und das Ausgangssignal l 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 das RS-Flipflop gesetzt wird. Dessen Setz-Ausgangssignal j behält einen hohen Wert, bis es durch den Rückstellimpuls k zurückgestellt wird, und dadurch besitzt das Ausgangssignal l 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 Aus gangssignal 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 das Flipflop 47 gesetzt wird. Aufgrund dessen besitzt das Ausgangssignal l des ODER-Tores 50 Hoch-Wert, so daß auf diese Weise der Fehler nachgewiesen wird.

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

Da außerdem die RS-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 konstru iert, daß der Digitalisierer dazu dient, in den Mustern der Signale des photoelektrischen Umsetzers das Aus bleiben einer Wiederholung nachzuweisen. Im Folgenden wird eine Schaltung erläutert, die das Signal-Wiederho lungsmuster selbst speichert und es wiederholt liest und den gelesenen Inhalt mit den sequentiell der Schal tung zugeleiteten Ausgangssignalen des photoelektri schen Umsetzers vergleicht, wodurch der Nachweis eines vorhandenen Fehlers angestrebt wird.

Fig. 16 zeigt ein Schaltungsdiagramm der letzteren Signalverarbeitungseinheit. Beispielsweise wird ein Ausgangssignal a [Fig. 17 (1)] eines photoelektrischen Umsetzers 35 a zum positiven Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers 67 und außerdem zu einem Analog/Digital-Umsetzer 61 geleitet. Einem Zeittakt signal-Generator 62, dem gleichen wie der Zeittaktsignal- Generator 43 in Fig. 14, werden ein Hochfrequenz- Taktsignal d [Fig. 17 (4)], das für den Vergleich mit dem Ausgangssignal a des photoelektrischen Umsetzers 35 a erforderlich ist, und ein Synchronisiersignal b [Fig. 17 (2)], das synchron mit dem Beginn des Abta stens des Lichtflecks 22 gegeben wird, zugeführt. Der Zeittaktsignal-Generator 62 gibt ein durch Frequenztei lung untersetztes Zeittaktsignal e [Fig. 17 (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. 17 (6)] des intermittie renden Taktsignals repräsentiert. Eine Steuerschaltung 66 für einen Speicher 63 empfängt ein System-Start signal c, das vor dem Synchronisiersignal b gegeben wird und das Ausgangssignal g [Fig. 17 (7)] für die fest gelegte 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 länger 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 eingespei chert 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 65 ein Analog-Signal h [Fig. 17 (8)], 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 zuge führt, so daß ein der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen entsprechendes Signal verstärkt und als Ausgangssignal i [Fig. 17 (9)] von dem Differen tialverstärker 67 abgegeben wird. Dieses Ausgangssignal i wird einer Schaltung zum Fehlernachweis und zur Anzeige des aufgetretenen Fehlers zugeleitet.

Somit sind in der beschriebenen Signalverarbeitungsein heit beide Eingangssignale des Differentialverstärkers einander gleich, wenn keine Signaländerung durch einen 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 Feh lers 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 be schränkt zu werden, und es können auch die Daten einer Periode gespeichert werden, die durch Datenverarbeitung unter Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Perioden gebildet wurde.

Claims

1. Vorrichtung zur Prüfung von Schraubenoberflächen, um Abweichungen vom Gewindemuster festzustellen, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines sich axial über die Oberfläche der Schraube bewegenden Licht flecks, mindestens einem fotoelektrischen Umsetzer, der das von der Schraubenoberfläche reflektierte Licht fotoelektrisch umwandelt, und einer Signalver arbeitungseinheit zur Auswertung der zeitlich vari ierenden Signale des Umsetzers, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Lichtstrahl unter einem Einfall winkel R auf das Gewinde auftrifft, der kleiner ist als der Komplementwinkel (90° - α) des Flankenwinkels α des Gewindes, daß der fotoelektrische Umsetzer (35) so angeordnet ist, daß er sich bei über die gesamte Höhe der Gewindeflanken bewegtem Lichtfleck im Strahlenweg des von den Gewindeflanken reflek tierten Lichts befindet, daß die Abweichungen vom Gewindemuster Abweichungen von den Maßen der einzelnen Gewindegänge sind, daß die Signalverar beitungseinheit Signalkomponenten erkennt, die von solchen Abweichungen herrühren, und daß eine Drehvor richtung zur Änderung der Projektionsstelle des Lichtflecks in bezug auf den Schraubenumfang dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit mehrere Digitalisierer (40, 41) mit verschiedenen Schwellen werten (V ₁, V ₂), eine Diskriminator-Schaltung (43, 45, 46) zur Unterscheidung der Ausgangssignale der Digitalisierer (40, 41) von dem Signalrauschen und eine Halteschaltung (47, 48) zum vorübergehenden Festhalten des Ausgangssignals der Diskriminator- Schaltung (43, 45, 46) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit einen Speicher (63) enthält, der das Signal über mindestens eine Periode des Wiederholungsmusters speichert, und eine Leseschaltung (65-67), die den Speicherinhalt in Abhängigkeit von der Abtastbewegung des Lichtflecks repetierend ausliest und mit dem Ausgangssignal des fotoelektrischen Umsetzers (35 a) vergleicht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch eine Drehvorrichtung zur Änderung der Projektionsstelle des Lichtflecks in bezug auf den Schraubenumfang.