DE3422772A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen innengewindemessung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung
• Die vollkommene Kontrolle von Innengewindeteilen bei der Serienfertigung ist ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die Prüfung eines Innengewindes auf Leichtgängiqkeit ist nur mittels einer Gewindegutlehre und die Prüfung auf ausreichende Tragkraft mittels einer Ausschußlehre möglich.
• Die Automatisierung dieser Prüfung mittels Sensoren wirft Probleme wegen der zu großen Abmessungen der Sensoren auf.
• Erfindungsgemäß werden die auftretenden Schwierigkeiten überwunden durch die Verwendung einer faseroptischen Anordnung zur Beleuchtung der Oberifäche des Innengewindes und zur rechnergestützten Ermittlung seiner Kontur aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichts.
• Die Erfindung geht von den Verhältnissen bei faseroptischen Sensoren aus, die nach dem Rückstreuprinzip arbeiten: Das aus der Schnittfläche des beleuchtenden Lichtleitfaserbündeis austretende Licht wird von der Objektoberfläche diffus reflektiert, und ein Teil des reflektierten Lichts wird von dem rückführenden Bündel aufgefangen und einer Fotodiode zugeführt.
• Für die Fotodiode ergibt sich eine Bestrahlungsstärke, die vom Abstand der Faserenden von der Objektoberfläche abhängt.
• Der Fotodiodenstrom kann als über die bestrahlte Fläche gemitteltes Abstandssignal betrachtet werden. Das Ausmaß der angetasteten Oberfläche wird bestimmt durch die Verteilung der hin- und rückleitenden Fasern im Bündel und durch die optische Apertur der Fasern. Handelsübliche faseroptische Taster sind aufgrund ihrer zu großen Antastfläche für eine Innengewindemessung ungeeignet.
• Gemäß der Erfindung besteht eine faseroptische Anordnung zur berührungslosen Innengewindemessung aus einem koaxial in das Gewinde einführbaren zylindrischen Kunststoffkörper, in den zwei jeweils aus einer laserlichtgespeisten Monomode-Glasfaser und einem diese umgebenden lichtrückleitenden Glasfaserbündel bestehende koaxiale Lichtleitfaserbündel dergestalt eingebettet sind, daß sie um 1800 versetzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene radial aus dem Kunststoffkörper austreten.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert; von diesen zeigt die Fig. 1 einen Schnitt durch ein Innengewinde und durch den darin eingeführten Kunststoffkörper mit den Lichtleitfaserbündeln; dieFig. Fig. 2 die Größenverhältnisse an einem Innengewinde mit der Steigung lmm, etwa im Maßstab 100:1 dargestellt; die Fig. 3 den Zusammenhang (Sensorkennlinie) zwischen der Strahlungsstärke des von der Gewindeoberfläche reflektierten Lichts und dem jeweiligen Sensor- bzw. Abstandssignal; die Fig. 4 den Uerlauf zweier Gewindeflanken und des dazugehörigen Sensorsignals.
• In den gemäß der Fig. 1 in ein Innengewinde eingeführten und in diesem in der Richtung X verschiebbaren Kunststoffkörper 1 sind die beiden koaxialen Lichtleitfaserbündel 4a und 4b dergestalt eingebettet, daß sie in einer zur Rotationsachse des Kunststoffkörpers bzw. des Gewindes senkrechten Ebene um 1800 versetzt austreten. Der Durchmesser d des als Sensorhalter fungierenden Kunststoffkörpers 1 ist etwas kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes.
• Bei den hier betrachteten Innengewinden handelt es sich um metrische ISO-Gewinde im kleinen bis mittleren Durchmesserbereich. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich darüber hinaus auch bei vielen anderen Innengewindetypen anwenden.
• Für die Bemessung der koaxialen Lichtleitfaserbündel 4a und 4b sind gemäß der Fig. 2 die folgenden Randbedingungen zu beachten: Smax.tan (α) = Smax.tan (ß) - a Smax = a tan (ß) - tan (α) Randbedingungen: 1. Smax . tan (α) = H tan (#) α= arctan ( H . tan (#)) 8 8 . Smax oder Smax = H . tan (#) 8 tan(#) 2. ß # # 3. a # (Smax + H) . tan (#) 8 Der entfernteste Punkt, der noch eindeutig angetastet werden muß, ist der tiefste Punkt im Zwischenraum zwischen zwei Gewindeflanken. Seine Breite bestimmt: mit der Randbedingung (1) den Austrittswinkel oC . Die laserlichtgespeiste Monomode-Glasfaser 2 hat einen Kerndurchmesser von etwa 5 yum. Sie ist von einem Glasfaserbündel 3 mit dem Durchmesser 2a umgeben. Die Einzelfasern dieses Bündels haben einen Durchmesser von ca.
• 50 µm und einen Akzeptanzwinkel ß. Für den Winkel ß gilt, ausgedrückt durch die Randbedingung 2, daß er kleiner sein muß als der Flankenwinkel t des Innnengewindes. Für metrische ISO Gewinde beträgt dieser Winkel 300. Es ist besonders vorteilhaft, den Winkel » mit ca. 250 anzusetzen.
• Die damit sich ergebende Abstandskennlinie ist in der Fig. 3 dargestellt. Im Bereich von S = 0 bis S = 5 nimmt die max Strahlungsstärke I bis zu ihrem Maximalwert I1 zu. Bei weiterem Vergrößern des Objektabstands fällt sie wieder ab, so daß aus Gründen der Eindeutigkeit nur der Bereich S S 5max verwendet werden darf.
• Fällt der Lichtkegel auf die Gewindeflanke, so mißt der Sensor den Abstand, der sich als Mittelmaß über die bestrahlte Fläche ergibt. Dadurch wird im wesentlichen die Auswertung des Sensorsignals bestimmt.
• In Fig. 4 is der Verlauf zweier Gewindeflanken und darunter der des darzugehörigen Sensorsignals dargestellt.
• Im Bereich a tastet der Sensor das.Gewine im Kerndurchmesser an. Da die angestrahlte Fläche sehr klein ist, ergibt sich ein breiter Abschnitt gleichen Meßsignals, das als Gewindekenndurchmesser zu interpretieren ist. Der Bereich b entspricht dem Antasten einer Gewindeflanke. Da sich beim Überstreichen des Lichtkegels über die Kante kein eindeutig als Maß zu interpretierendes Abstandssignals ergibt, befindet sich eine Lücke zwischen a und b, in die eine Triggerschwelle zum Umschalten der einzelnen Bereiche gelegt werden kann.
• Im Bereich c liegt der Meßwert, aus dem sich der Spitzendurchmesser ergibt. Durch seine Bauform bedingt, strahlt der Sensor hier die größte Fläche an. Wenn der Lichtkegel ganz in der Rinne liegt, ergibt sich im Punkt P ein Maximum. Für den Bereich d gilt das gleiche wie für Bereich b.
• Über den Durchmesser d des Sensorhalters 1 werden die charakteristischen Durchmesser des Innengewindes bestimmt: - Kerndurchmesser = d + Slmin + S2 min - Spitzendurchmesser = d + Slmax + S2 max - Flankendurchmesser = Eine Kontrolle der Gewindetiefe, der Vollständigkeit und der Steigung ist darüber hinaus mittels einer Drehaktorik und eines Tiefenmaßstabs im Rechner möglich.
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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung, gekennzeichnet durch eine faseroptische Anordnung (1) zur Beleuchtung der Oberfläche des Innengewindes und zur rechnergestützten Ermittlung seiner Kontur aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichts.
2. 2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch einen koaxial in das Gewinde einführbaren zylindrischen Kunststoffkörper (1), in den zwei jeweils aus einer laserlichtgespeisten Monomode-Glasfaser (2) und einem diese umgebenden lichtrückleitenden Glasfaserbündel (3) bestehende koaxiale Lichtleitfaserbündel (4a, 4b) dergestalt eingebettet sind, daß sie um 1800 versetzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene radial aus dem Kunststoffkörper (1) austreten.
3. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomode-Glasfaser (2) einen Kerndurchmesser von etwa 5/um hat und das lichtrückleitende Glasfaserbündel (3) aus Einzelfasern mit einem Durchmesser von ca. 50)um und mit einem Akzeptanzwinkel (» ), der kleiner als der Flankenwinkel (t) des jeweiligen Innengewindes ist, besteht.
4. 4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Akzeptanzwinkel (ß) für die Messung metrischer ISO-Gewinde etwa 250 beträgt.