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Dokumentenidentifikation DE102004017550A1 14.07.2005
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen
Anmelder Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co KG, 94496 Ortenburg, DE
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 07.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004017550
Offenlegungstag 14.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.07.2005
IPC-Hauptklasse G01B 7/34
Zusammenfassung Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen wie Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder dergleichen an einem Messobjekt, insbesondere an einem spanend bearbeiteten Werkstück (1), sind im Hinblick auf eine präzise Untersuchung von kleinen, tiefen oder kompliziert geformten Bearbeitungsstrukturen an dem Messobjekt auf das Vorhandensein störender Partikel dadurch gekennzeichnet, dass unerwünschte Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen mittels eines Messsystems mit mindestens einem kapazitiven Sensor (5) detektiert werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen wie Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder dergleichen an einem Messobjekt, insbesondere an einem spanend bearbeiteten Werkstück.

Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sind seit langem aus der Praxis bekannt und werden in unterschiedlichen Ausführungsformen insbesondere bei der Untersuchung von metallischen Werkstücken eingesetzt. So wird bei der Herstellung von Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder bei ähnlichen Bearbeitungsvorgängen an Metallen meist auf spanende Bearbeitung zurückgegriffen, wobei störende Späne entstehen, von denen das Werkstück befreit werden muss. Je nach Werkstoff und Bearbeitungsart kommt es zur Bildung unterschiedlicher Späne, wobei das Spektrum von sehr schmalen und kurzen Spänen bis hin zu langen und breiten Spänen reicht. Die Späne lagern sich vorwiegend innerhalb der Vertiefungen und Nuten ein.

Eine ganz besondere Bedeutung kommt der Spanerkennung in Nuten oder Einschnitten zu, die funktionswichtig sind, z.B. für einen sauberen Sitz von Seegerringen oder bei der Ausbildung von Schnappverriegelungen. Zudem existieren speziell in Bohrungen, in denen sich Wellen drehen, oftmals Hinterschnitte, die zur Schmierung der Welle benötigt werden. Auch in diesen Fällen ist eine spanfreie und saubere Nut für einen ruhigen und verschleißarmen Lauf der Welle wichtig, ebenso wie z.B. bei Kugellager-Ringen. Zahlreiche weitere Anwendungsbeispiele ließen sich nennen.

Ein Großteil der Späne wird bereits während der Bearbeitung des Werkstücks durch Spülung herausgeschwemmt. Ein weiterer Teil der Späne wird nach der Bearbeitung mittels Druckluft aus den Bearbeitungsstrukturen herausgeblasen. Mit Hilfe dieser Methoden kann das Werkstück jedoch nicht vollständig von Spänen gesäubert werden, und insbesondere in tiefen Bohrungen mit Hinterschneidungen bleiben auch nach Spülung und Druckluftreinigung regelmäßig Späne in den Ecken und Kanten festsitzen.

Soweit es die Randbedingungen zulassen, wird derzeit in einfachster Art und Weise mit dem menschlichen Auge geprüft, ob sich nach der Reinigung noch Rückstände in den Bohrungen, Nuten oder dergleichen befinden. Darüber hinaus sind optische Messverfahren entwickelt worden, bei denen Kameras in Verbindung mit speziellen Beleuchtungssystemen zur Untersuchung der Qualität der Bearbeitungsstrukturen an Werkstücken eingesetzt werden. Sowohl bei der Augenscheinkontrolle als auch bei der Prüfung mittels Kamera ist problematisch, dass insbesondere kleinere oder tiefere Bohrungen nicht mit hinreichender Genauigkeit untersucht werden können. Auch bei engen Hinterschneidungen ist die erreichbare Qualität von Kamerabildern nicht hinreichend, um das Vorhandensein von störenden Partikeln zweifelsfrei ausschließen zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die Untersuchung von kleinen, tiefen oder kompliziert geformten Bearbeitungsstrukturen an einem Messobjekt auf das Vorhandensein störender Partikel mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass unerwünschte Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen mittels eines Messsystems mit mindestens einem kapazitiven Sensor detektiert werden.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass schon winzigste Späne an oder in Bearbeitungsstrukturen enorme Schäden hervorrufen können, beispielsweise an in Nuten eingesetzten Dichtringen, und dass demzufolge höchste Ansprüche an die Prüfung der Qualität der Bearbeitungsstrukturen zu stellen sind, die mit optischen Messverfahren nicht erfüllt werden können. Darüber hinaus ist erkannt worden, dass die Sensitivität der Prüfung stark verbessert werden kann, wenn anstelle optischer Verfahren zur Detektion unerwünschter Partikel ein Messsystem mit mindestens einem kapazitiven Sensor eingesetzt wird. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines kapazitiven Messsystems können zudem äußerst kleine, tiefe oder kompliziert geformte Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder ähnliche Bearbeitungsstrukturen mit hoher Genauigkeit auf das Vorhandensein störender Partikel untersucht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es darüber hinaus möglich, Späne oder auch Gratbildungen an Querbohrungen aufzuspüren.

In vorteilhafter Weise könnte das Messsystem als Prüfsonde, vorzugsweise als Prüfdorn, ausgebildet sein, wobei die Prüfsonde bzw. der Prüfdorn derart relativ zu dem Messobjekt positioniert werden könnte, dass das elektrische Feld des Sensors zumindest bereichsweise in die Bearbeitungsstruktur eindringt.

In weiter vorteilhafter Weise könnte die durch Anwesenheit unerwünschter Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen hervorgerufene Kapazitätsänderung des Sensors detektiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur elektrisch leitfähige Partikel, sondern auch nicht leitende Partikel, beispielsweise aus Kunststoff, zu detektieren, da auch elektrisch nicht leitfähige Partikel aufgrund ihrer spezifischen Dielektrizitätskonstanten, die sich von der Dielektrizitätskonstanten der Luft unterscheidet, eine Kapazitätsänderung am Sensor hervorruft.

Im Konkreten sind hinsichtlich der Detektion der Kapazitätsänderung des Sensors prinzipiell zwei unterschiedliche Ausführungen des Verfahrens denkbar. Zum einen könnte die Kapazitätsänderung des Sensors gegen das Messobjekt als Gegenelektrode gemessen werden. Eine derartige Methode bietet sich für elektrisch leitfähige Messobjekte und insbesondere für metallische Werkstücke an. Alternativ hierzu könnte die Kapazität im kapazitiven Randfeld des Sensors gemessen werden, wobei diese Methode für beliebige Messobjekte geeignet ist, unabhängig davon, aus welchem Material das Messobjekt gefertigt ist.

Im Hinblick auf eine einfache Auswertung der kapazitiven Messung könnte die Kapazitätsänderung relativ zu einem Referenzobjekt gemessen werden, wobei das Referenzobjekt keinerlei Verunreinigungen durch Späne oder sonstige Partikel aufweist.

Bei Messung der Kapazitätsänderung relativ zu einem Referenzobjekt wird der Sensor im Rahmen einer im Vorfeld der eigentlichen Messung durchgeführten Messung am Referenzobjekt geeicht. Im oder am Messobjekt vorhandene unerwünschte Partikel verursachen eine Signalabweichung im Vergleich zum Referenzobjekt.

Im Rahmen einer konkreten Anwendung könnten mittels eines einzigen Sensors mehrere Bearbeitungsstrukturen, beispielsweise einzelne Bohrungen, nacheinander untersucht werden. Nach Prüfung jeder einzelnen Bohrung müssen Sensor und Messobjekt neu zueinander ausgerichtet werden.

Alternativ könnten mit mehreren Sensoren mehrere Bearbeitungsstrukturen gleichzeitig untersucht werden. Dabei könnte in besonders vorteilhafter Weise eine Prüfsonde verwendet werden, in die mehrere Sensoren integriert sind. Die einzelnen Sensoren könnten bspw. ringförmig um die Prüfsonde herum angeordnet sein. Zur Messung könnte die Prüfsonde dann z.B. in eine Bohrung eingeführt werden und in der Bohrung gedreht werden. Denkbar ist auch eine Anordnung der Sensoren übereinander, um bspw. mehrere Nuten, die innerhalb einer Bohrung in unterschiedlichen Höhen ausgebildet sind, gleichzeitig kontrollieren zu können. Sowohl die Geometrie der Prüfsonde selbst als auch die Anordnung der einzelnen Sensoren an der Prüfsonde könnte dabei jeweils an die spezielle Geometrie des Messobjektes angepasst sein.

Durch die Anordnung mehrer Sensoren an der Prüfsonde kann die Detektion nochmals verbessert werden, da Ungenauigkeiten der Positionierung der Prüfsonde relativ zum Messobjekt durch Verrechnung der Einzelsignale der Sensoren eliminiert werden können.

Im Hinblick auf eine hohe Messgenauigkeit könnten zur Positionsbestimmung der Prüfsonde relativ zu dem Messobjekt separate Sensoren an der Prüfsonde angeordnet sein. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, die „spansuchenden" Sensoren zur Positionsbestimmung einzusetzen.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst. Hiernach ist eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen gekennzeichnet durch ein Messsystem mit mindestens einem kapazitiven Sensor, wobei der Sensor bei Anwesenheit unerwünschter Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen eine Kapazitätsänderung erfährt. Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf den vorigen Teil der Beschreibung verwiesen wird.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 13 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen an einem Messobjekt mit einem Sensor und

2 eine schematische Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Sensoren.

1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen an einem Messobjekt. Bei dem Messobjekt handelt es sich im Konkreten um ein metallisches Werkstück 1, das eine Bohrung 2 aufweist. Die Bohrung 2, von der aus Gründen der Übersichtlichkeit im Querschnitt nur eine Seitenwand dargestellt ist, weist einen seitlichen Einstich 3 auf, in dem sich von der Bearbeitung des Werkstücks 1 herrührende Späne 4 befinden. Aufgrund der Geometrie des Werkstücks 1 ist eine optische Detektion der Späne 4 mittels einer Kamera nur mit hohem messtechnischem Aufwand möglich.

In erfindungsgemäßer Weise werden die unerwünschten Partikel, d.h. die Späne 4, in dem seitlichen Einstich 3 mittels eines Messsystems detektiert, das einen kapazitiven Sensor 5 umfasst. Der Sensor 5 ist in eine Prüfsonde 6 integriert, wobei die Geometrie der Prüfsonde 6 an die spezielle Geometrie des Werkstücks 1 und insbesondere an die Geometrie der zu untersuchenden Bohrung 2 nebst seitlichem Einstich 3 angepasst ist.

Zur Detektion der Späne 4 wird die Prüfsonde 6 in die Bohrung 2 eingeführt. Die relative Positionsbestimmung zwischen Prüfsonde 6 und Werkstück 1 kann über zusätzliche, nicht dargestellte Sensoren oder aber auch über den kapazitiven Sensor 5 selbst vorgenommen werden. Die relative Positionierung wird derart eingestellt, dass das durch die Pfeile angedeutete elektrische Feld 7 des Sensors 5 in den seitlichen Einstich 3 eindringt. Der Sensor 5 detektiert den Abstand zu dem metallischen Werkstück 1 als elektrisch leitfähiger Gegenelektrode. Die im Fehlerfall in dem seitlichen Einstich 3 liegenden Späne 4 führen zu einer Änderung im elektrischen Feld 7 und somit zu einer messbaren Kapazitätsänderung. Die Auswertung dieser Änderung lässt im Vergleich zu einer Messung an einem spanfreien Referenzobjekt erkennen, ob der Einstich 3 sauber oder voller Späne ist. Im Fehlerfall ist somit eine gezielte Nacharbeit möglich.

2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei dem dargestellten Messobjekt handelt es sich um einen Bremssattel 8. In den Laufbuchsen von Bremssätteln sind im Allgemeinen eine oder mehrere Nuten eingebracht, die zur Aufnahme von Dichtringen vorgesehen sind. Diese Dichtringe dienen dazu, den beweglichen Kolben gegenüber der Laufbuchse abzudichten. Sie unterliegen hohen Anforderungen bezüglich Reißfestigkeit und Scherbeständigkeit. Falls sich in den Nuten Späne festgesetzt haben, kann dadurch die Dichtwirkung der Dichtringe teilweise oder ganz verloren gehen. Absolut spanfreie Nuten sind daher von ganz besonderer Bedeutung, um die Dichtwirkung der Dichtringe nicht zu beeinträchtigen.

In dem dargestellten Beispiel weist die Laufbuchse des Bremssattels 8 eine einzelne umlaufende Nut 9 auf. Die zum Nachweis von in der Nut 9 vorhandenen Spänen 4 in die Laufbuchse eingeführte Prüfsonde 6 umfasst zwei kapazitive Sensoren 10, 11. Die Prüfsonde 6 ist zylinderförmig ausgeführt, wobei die Sensoren 10, 11 derart in die Prüfsonde 6 integriert sind, dass sich die Sensoren 10, 11 einander exakt gegenüberliegen.

Die Prüfsonde 6 wird derart in die Laufbuchse des Bremssattels 8 eingeführt, dass das elektrische Feld 7 der beiden Sensoren 10, 11 in die Nut 9 eindringen kann. Zur Einstellung und Kontrolle einer exakten Einführtiefe der Prüfsonde 6 in die Laufbuchse des Bremssattels 8 können an der Stirnseite 12 der Prüfsonde 6 nicht dargestellte Abstandssensoren angeordnet sein, die den Abstand der Prüfsonde 6 zu dem Kopfende der Laufbuchse mit hoher Genauigkeit detektieren.

Durch Drehung der Prüfsonde 6 in der Laufbuchse des Bremssattels 8 kann die Nut 9 entlang ihres gesamten Umfanges auf das Vorhandensein von Spänen 4 untersucht werden. Wie bereits oben beschrieben, beeinflussen in der Nut 9 vorhandene Späne 4 das elektrische Feld 7 der kapazitiven Sensoren 10, 11, was eine nachweisbare Kapazitätsänderung der Sensoren 10, 11 zur Folge hat.

Vollzieht die Prüfsonde 6 eine vollständige Drehung innerhalb der Laufbuchse des Bremssattels 8, d.h. eine Drehung um 360°, so wird jeder Punkt entlang des Umfanges der Nut 9 zweimal abgetastet, nämlich sowohl von Sensor 10 als auch von Sensor 11. Durch Verrechnung der Einzelsignale der beiden Sensoren 10, 11 gegeneinander können Ungenauigkeiten in der Positionierung der Prüfsonde 6 relativ zur Laufbuchse des Bremssattels 8 aufgedeckt und eliminiert werden.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen wie Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder dergleichen an einem Messobjekt, insbesondere an einem spanend bearbeiteten Werkstück (1), dadurch gekennzeichnet, dass unerwünschte Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen mittels eines Messsystems mit mindestens einem kapazitiven Sensor (5, 10, 11) detektiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Prüfsonde (6), vorzugsweise als Prüfdorn, ausgebildete Messsystem derart positioniert wird, dass das elektrische Feld (7) des Sensors (5, 10, 11) zumindest bereichsweise in die Bearbeitungsstruktur eindringt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Anwesenheit unerwünschter Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen hervorgerufene Kapazitätsänderung des Sensors (5, 10, 11) detektiert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsänderung des Sensors (5, 10, 11) gegen das Messobjekt als Gegenelektrode gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsänderung im kapazitiven Randfeld des Sensors (5, 10, 11) gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsänderung relativ zu einem Referenzobjekt gemessen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 10, 11) bei einer Messung an dem Referenzobjekt vorzugsweise durch Abgleich einer Brückenschaltung geeicht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Sensor (5, 10, 11) mehrere Bearbeitungsstrukturen nacheinander untersucht werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit mehreren Sensor (5, 10, 11) mehrere Bearbeitungsstrukturen gleichzeitig untersucht werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfsonde (6) in eine Bohrung (2) eingeführt und in der Bohrung (2) gedreht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verrechnung der Einzelsignale der Sensoren (10, 11) Ungenauigkeiten der Positionierung des Messsystems relativ zum Messobjekt korrigiert werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 10, 11) für eine Positionsbestimmung der Prüfsonde (6) relativ zum Messobjekt eingesetzt wird.
  13. Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Bearbeitungsstrukturen wie Bohrungen, Nuten, Hinterschneidungen oder dergleichen an einem Messobjekt, insbesondere an einem spanend bearbeiteten Werkstück, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Messsystem mit mindestens einem kapazitiven Sensor (5, 10, 11), wobei der Sensor (5, 10, 11) bei Anwesenheit unerwünschter Partikel an den oder in den Bearbeitungsstrukturen eine Kapazitätsänderung erfährt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem als Prüfsonde (6), vorzugsweise als Prüfdorn, ausgebildet ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Prüfsonde (6) und/oder des Sensors (5, 10, 11) dem Messobjekt angepasst ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (10, 11) ringförmig um die Prüfsonde (6) herum oder auf der Prüfsonde (6) angeordnet sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfsonde (6) Sensoren zur Positionsbestimmung der Prüfsonde (6) relativ zum Messobjekt aufweist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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