DE3422772C2

DE3422772C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung

Info

Publication number: DE3422772C2
Application number: DE19843422772
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. 5100 Aachen Molitor
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3422772A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung mit einer faseroptischen Anordnung zur Beleuchtung der Oberfläche des Innengewindes und zur rechnergestützten Ermittlung seiner Kontur aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichts, insbesondere mit einem 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 180° versetzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene radial aus dem Kunststoffkörper (1) austreten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen Innen^ewindemessung mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Die vollkommene Kontrolle von Innengewindeteilen bei der Serienfertigung ist ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die Prüfung eines Innengewindes auf Leichtgängigkeit ist nur mittels einer Gewindegutlehre 30 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

Vorrichtungen zur berührungslosen Innengewindemessung sind an sich bekannt, so ist beispielsweise in der Zeitschrift Feingerätetechnik, 7. ^rahrgang, Heft 12/1968, Seiten 548 bis 550, ein optisches Verfahren zur Mes-35 sung von Innengewinden beschrieben. Es wird dort eine Vorrichtung beschrieben, die mit mehreren zusammengeklebten Prismen und entsprechenden LichtbündeSn eine Beleuchtung des Innengewindes ermöglicht. Dieses Verfahren überträgt die bekannte Lichtschnitt-Methode auf Innengewinde. Das Prinzip des Verfahrens besteht darin, auf die Innenfläche eines Gewinderinges eine geradlinig begrenzte Hell-Dunkel-Kantc zu projezieren, die f dann als eine in geometrisch leicht angebbarer Weise gezackte Kante erscheint. Diese Kante wird entsprechend

;|- 40 beobachtet. Es lassen sich damit die Konturen von Innengewindegängen aufzeichnen. Dazu sind jedoch erheb-

I liehe aufwendige optische Systeme wie Mikroskope, Objektive bei dem Beleuchtungssystem und andere Geräte S erforderlich. Zudem eignet sich diese Methode mehrerer zusammengeklebter Prismen nicht für kleine bis mitt-ϊ» lere Innengewindelöcher.

:| Ferner ist aus der Zeitschrift Mesures vom 17. Oktober 1983, Seiten 53 bis 55, eine optische Überwachungsein-

;■ 45 richtung für Innen- und Außengewinde bekannt. Sie dient dazu, das Bohrloch oder Blindlöcher nachzuweisen

|| oder die Anzahl der Gewindegänge zu zählen. Dazu wird in einem bestimmten Winkel ein Lichtstrahl einer

=£ Lichtquelle auf die Flanken der Gewindegänge geworfen. Die Reflektion dieses Lichtes wird mit Hilfe einer ent-

|| sprechenden Optik erfaßt, die eine elektronische Auswertung der Gestalt ermöglicht, daß die Anzahl der

fä Gewindegänge elektronisch gezählt wird. Auch hier werden konventionelle Lichtquellen mit aufwendigen

II 50 Blendenvorrichtungen als auch entsprechend aufwendige Detektorvorrichtungen in optischer Form verwendet. || Zudem ist diese Art der Überwachung von Gewindegängen sehr empfindlich gegen Verschmutzungen durch a Staub und größere Materialteile. Auf Grund der Tatsache, üaß Lichtquelle und Detektor des zurückgestrahlten ü Lichts außerhalb des Gewindeloches angeordnet sind, ergibt sich, daß nur eine sehr grobe Beobachtung der I Gewindegänge möglich ist, nämlich ihr Vorhanden- oder NichtVorhandensein. Eine Messung des tiefsten Punkfi 55 tes in dem Zwischenraum zwischen zwei Gewindeflanken läßt sich beispielsweise mit einer derartigen Anord- :' nung keinesfalls durchführen.

.:■ Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preiswerte für die Kontrolle von Mas-

'.: senprodukten geeignete Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung zu schaffen, die insbesondere

für kleine bis mittlere Durchmesserbereiche von Innengewinden geeignet ist und dort eine verschleißfreie Mes-60 sung der einzelnen Gewindegänge ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 4 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung von Glasfasern, die in 65 einem entsprechenden runden Körper eingebettet sind, auch Innengewinde in kleinen Löchern exakt bezüglich ihrer Einzelkontur kontrolliert werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich bei den verschiedensten Gewindetypen anwenden.
Die Erfindung geht von den Verhältnissen bei faseroptischen Sensoren aus, die nach dem Rücksireuprinzip

arbeiten: Das aus der Schnittfläche des beleuchtenden Lichtleitfaserbündels 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 Bünde! und durch die optische Apertur der Fasern. Handelsübliche faseroptische Taster sind aufgrund ihrer zu großen Antastfläche für eine Innengewinderaessung ungeeignet.

Die Erfindung wird Dachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert; von diesen zeigt die

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Innengewinde und durch den darin eingeführten Kunststoffkörper mit den Lichileitfaserbündeln; die

F i g. 2 die Größenverhältnisse an einem Innengewinde mit der Steigung 1 mm, etwa im Maßstab 100:1 dargestellt; die

F i g. 3 den Zusammenhang (Sensorkennlinie) zwischen der Strahlungsstärke des von der Gewindeoberfläche reflektierten Lichts und dem jeweiligen Sensor- bzw. Abstandssignal; die F i g. 4 den Verlauf zweier Gewindeflanken und des dazugehörigen Sensorsignals.

Iη den gemäß der Fig. 1 in ein Innengewinde eingeführten und in diesem in der Richtung X verschiebbaren Kunststoffkörper 1 sind die beiden koaxialen Lichtleitfaserbündel 4 α und 4 b dergestalt eingebettet, daß sie in einer zur Rotationsachse des Kunststoffkörpers bzw. des Gewindes senkrechten Ebene um 180° versetzt austreten. Der Durchmesser d des als Sensorhalter fungierenden Kunststoffkörpers 1 ist etwas kieircTj 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 4 α und * b sind gemäß der F i g. 2 die folgenden Randbedingungen zu beachten:

S_max ■ tan (a) = S_max ■ tan CS) - a

_s ₌ a

tan CS)- tan (a)

Randbedingungen:

H / H \

i. S_max ■ tan (α) = — tan (y) a = arctan 1 ——— · tan (γ) ι

⁸ V ' ^ma.x J

„ H_ tan (y)

""" 8 tan (a)

2. β<γ

3. a <(s_mox + 4- V tan (ν)

Der entfernteste Punkt, der noch eindeutig angetastet werden muß, ist der tiefste Punkt im Zwischenraum zwischen zwei Gewindüflanken. Seine Breite bestimmt mit der Randbedingung (1) den Austrittswinkel a. Die iaserlichtgepeiste Monomode-Glasfaser 3 hat einen Kerndurchmesser von etwa 5 am. Sie ist von einem Glastaserbündul 3 mit dem Durchmesser 2 α umgeben. Die Einzelfasern dieses Bündels haben einen Durchmesser von ca. 50 μπι und einen Akzeptanzwinkel ß. Für den Winkel β gilt, ausgedrückt durch die Randbedingung 2, daß er kleiner sein muß als der Flankenwinkel γ des Innengewindes. Für metrische ISO Gewinde beträgt dieser Winkel 30°. Es ist besonders vorteilhaft, den Winkel β mit ca. 25° anzusetzen.

Die damit sich ergebende Abstandskennlinie ist in der Fig. 3 dargestellt. Im Bereich von S = 0 bis S = S_max nimmt die Strahlungsstärke / bis zu ihrem Maximalwert Z₁ zu. Bei weiterem Vergrößern des Objektabstands fällt sie wieder ab, so daß aus Gründen der Eindeutigkeit nur der Bereich S < S_max 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.

Iη F i g. 4 ist der Verlauf zweier Gewindeflanken und darunter der des dazugehörigen Sensorsignals dargestellt.

I m Bereich α tastet der Sensor das Gewinde 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 Abstandssignal ergibt, befindet sich eine Lücke zwischen α und b, in die eine Triggerschwelle zum Umschalten der einzelnen Bereiche gelegt werden kann.

Im Bereich c liegt ist 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 + S₁ min + S₂ min 5

- Spitzendurchmesser = d + S| max + S₂ max

τ~, , , . , . ο . , 2 (S| max - Ä m/n) . _o . . 2 (Si max - S> min)

- Flankendurchmesser = d + S^ min + —— —■ + S₂ min + —^-^ —= —

Eine Kontrolle der Gewindetiefe, der Vollständigkeit und der Steigung ist darüber hinaus mittels einer Drehaktorik und eines Tiefenmaßstabs im Rechner möglich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung, mit einer Vorrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Innengewindes, wobei die Vorrichtung zur Beleuchtung in das Innengewinde einfuhrbar ist, 5 dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der Oberfläche des Innengewindes eine faseroptische

Anordnung verwendet wird, daß dabei die faseroptische Anordnung in einem koaxial in das Gewinde einfuhrbaren zylindrischen Körper (1) eingelassen ist, daß in diesem zylindrischen Körper (1) zwei jeweils aus einer laserlichtgespeisten Monomode-Glasfaser (2) und aus diese umgebende lichtrückleitende Glasfaserbündel (3) bestehende koaxiale Lichtleitfaserbündel (4 α, 46) derart eingebettet sind, daß sie um 180° ver-

10 setzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene radial aus dem Körper (1) austreten, daß ferner die Einzelfasem des lichtrückleitenden Glasfaserbündels (3) einen Öffnungswinkel (ß) besitzen, der kleiner als der Flankenwinkel (y) des jeweiligen Innengewindes ausgebildet ist und daß schließlich die faseroptische Anordnung die Kontur des Innengewindes aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichtes rechnergestützt ermittelt.

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2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomode-Glasfaser (2) einen

Kerndurchmesser von etwa 5 μΐη hat und daß das lichtrückleitende Glasfaserbündel (3) aus Einzelfasern mit einem Durchmesser von ca. 50 μη; besteht.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (ß) fur die Messung metrischer ISO-Gewinde etwa 25° beträgt.

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4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in das

Gewinde einführbare zylindrische Körper (1) aus Kunststoff hergestellt ist.