DE19702851C1

DE19702851C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume

Info

Publication number: DE19702851C1
Application number: DE19702851A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Jens Dipl Phy Moeller; Karl-Aloys Dipl Phy Buetefisch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JP2977789B2; JPH10293013A; US6016441A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume und auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Unter offenen, aber nicht vollständig einsehbaren Hohlräumen sind solche Hohlräume zu verstehen, bei denen zumindest ein Bereich ihrer Wandungen über die vorhandenen Zugänge der Hohlräume von außen nicht direkt sichtbar ist. Im speziellen geht es um solche Hohlräume, bei denen das Eindringen in die Hohlräume beispielsweise mit einem Endoskop zu aufwendig wäre, um die Prüfung der Hohlräume durchzuführen. Die Hohlräume können sich in verschiedensten Werkstücken befinden.

Die Erfindung befaßt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zur Prüfung nicht einsehbarer Hohlräume aufzuzeigen, das von außerhalb der Hohlräume durchgeführt werden kann und bei dem keine Vorrichtungen in die Hohlräume eingebracht werden müssen.

Als ein solches Verfahren ist es bekannt die Werkstücke, in denen sich die zu prüfenden Hohlräume befinden zu röntgen. Dieses Verfahren ist jedoch apparativ sehr aufwendig.

Weiterhin ist denkbar, den Strömungswiderstand der Hohlräume zu bestimmen und mit einem Standardwert zu vergleichen. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Hohlräume zwei Zugänge aufweisen, so daß über den einen Zugang ein Strömungsmedium zugeführt und über den anderen Zugang wieder abgeführt werden kann. Darüberhinaus sind Strömungswiderstandsmessungen aufwendig, da sie einen dichten Anschluß des Hohlraums an die Meßvorrichtung erfordern. Letztlich sind die meßbaren Strömungs widerstände nur in den seltensten Fällen ein Kriterium für die ordnungsgemäße Ausbildung der Hohlräume.

Aus der DE 44 16 493 A1 ist eine Oberflächenprüfvorrichtung für halboffene Hohlräume bekannt. Die Oberflächenprüfvorrichtung weist eine Sonde auf, die in zwei Teile aufgeteilt ist. Das erste Teil der Sonde taucht wenigstens teilweise in die Hohl räume ein und kann eine Drehbewegung gegenüber dem zweiten, ruhenden und außerhalb der Hohlräume befindlichen Teil durchfüh ren. Die bekannte Oberflächenprüfvorrichtung ist vorgesehen, um ein vollständiges Prüfen einer Oberfläche durchzuführen, ohne daß das Werkstück bewegt werden muß.

Aus der DE 36 22 421 A1 ist ein Laserscanner bekannt, der zur Abtastung von Werkstücken zur Konturerkennung und zur Anwesen heitskontrolle nur die relevanten Stellen in einem Objekt abtastet, die für die erforderliche Information für die weiteren Verfahrensschritte notwendig sind. Dabei gelangt die diffuse Reflektion von den Werkstücken koaxial zum Laserstrahl über zwei Ablenkeinheiten, ein Objektiv und einen Filter zu einem Foto empfänger der einen analogen Wert zur weiteren Verarbeitung ausgibt.

Aus der DE 44 24 565 C1 ist ein Verfahren zur Messung der Tiefe einer Mikrostruktur bekannt, die mittels eines Prägeverfahrens in eine verformbare Schicht eingebracht wird. Innerhalb der Mikrostruktur wird eine einfache Referenz-Gitterstruktur vorge sehen. Ein Meß-Lichtstrahl wird mit der Referenz-Gitterstruktur zur Interferenz gebracht. Die sich ergebende Farbverteilung ergibt dann ein Maß für die erzielte Stukturtiefe.

Aus dem Abstract JP 06229731 A ist ein optisches Verfahren zur Überprüfung der Oberfläche eines Werkstücks bekannt.

Es ist daher die konkrete Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume aufzuzeigen, die besonders rationell eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume dadurch gelöst, daß Lichtstrahlen mit definierten Intensitäten in ein standardi siertes Exemplar von zu prüfenden Hohlräumen eingestrahlt werden, daß eine Intensitätsverteilung der aus dem standardi siertem Hohlraum wieder austretenden Lichtstrahlen registriert und als Standardverteilung abgespeichert wird, daß Lichtstrahlen mit den definierten Intensitäten auch in die zu prüfenden Hohl räume eingestrahlt werden, und daß Intensitätsverteilungen der aus den zu prüfenden Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrah len registriert und mit der Standardverteilung verglichen werden. Bei dem neuen Verfahren werden Lichtstrahlen zur Prüfung der Hohlräume eingesetzt, obwohl die Hohlräume nicht vollständig einsehbar sind. Die Lichtstrahlen sind dennoch in der Lage, die nicht direkt sichtbaren Bereiche der Wandungen der Hohlräume zu erfassen, weil sie durch Reflexionen und Streuungen an den Wandungen der Hohlräume in diese Bereiche hinein und aus diesen Bereichen wieder herausgelangen, wobei sie eine Information über diese Bereiche mit sich führen. Diese Information wird durch das Registrieren der Intensitätsverteilungen der aus den standardi sierten Hohlraum wieder austretenden Lichtstrahlen nutzbar gemacht. Die Intensitätsverteilung der aus dem standardisiertem Hohlraum wieder austretenden Lichtstrahlen steht für die Informationen die vorliegen müssen, um den jeweiligen Hohlraum als ordnungsgemäß zu bezeichnen. Wenn die Intensitätsvertei lungen, die an den zu prüfenden Hohlräumen gewonnen wurden, mit dieser Standardverteilung verglichen werden, steht jeder Unterschied für eine Abweichung des jeweiligen Hohlraums von dem standardisiertem Hohlraum. Lage und Größe der Unterschiede lassen Rückschlüsse auf die Art der Abweichung des jeweiligen Hohlraums von dem standardisiertem Hohlraum zu.

Die in die Hohlräume eingestrahlten Lichtstrahlen sind vorzugs weise divergent. Hierdurch wird gefördert, daß die einzelnen Lichtstrahlen an den Wandungen der Hohlräume in unterschiedliche Richtungen reflektiert und gestreut werden, so daß alle Bereiche der Hohlräume möglichst gleichmäßig von den Lichtstrahlen erfaßt werden.

Wenn es sich bei den zu prüfenden Hohlräumen um Leitungen für irgendwelche Medien handelt, so werden die Intensitätsverteilun gen der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahlen vorzugsweise an einem anderen Zugang des Hohlraums registriert, als die Lichtstrahlen eingestrahlt werden, wobei es sich bei den beiden Zugängen normalerweise um die beiden Anschlüsse der jeweiligen Leitung handelt. Das neue Verfahren kann aber auch so durchgeführt werden, daß die Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahlen an demselben Zugang des Hohlraums registriert werden, wie die Lichtstrahlen einge strahlt werden. Dies kann in Einzelfällen selbst dann sinnvoll sein, wenn der Hohlraum mehrere Zugänge aufweist. Notwendig ist die Durchführung des Verfahrens in dieser Weise, wenn nur ein Zugang vorhanden ist.

Wenn mehrere Zugänge vorliegen, ist sicherzustellen, daß an den nicht für das Einstrahlen der Lichtstrahlen oder das Registrie ren der wieder austretenden Lichtstrahlen genutzten Ausgängen definierte Bedingungen vorliegen. Beispielsweise können an diesen Zugängen Lichtfallen angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, beispielsweise einen Spiegel vor diesen Zugängen anzu ordnen.

Die Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen wieder aus tretenden Lichtstrahlen können der Einfachheit halber in einer Ebene registriert werden. Es ist prinzipiell genauso möglich, die Intensitätsverteilungen an der Innenseite einer den jewei ligen Zugang umgebenden Kugelschale zu registrieren. Dies ist jedoch deutlich aufwendiger und es werden keine technischen Vorteile erzielt.

Das neue Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, indem ein von einer Punktlichtquelle ausgehendes Bündel von Lichtstrahlen in den Hohlraum eingestrahlt wird, wobei die Lichtstrahlen gleichmäßig über den Zugang der Hohlräume verteilt sind und jeweils gleiche Intensitäten aufweisen. Bevorzugt ist aber eine Abstimmung der definierten Intensitäten der in die Hohlräume eingestrahlten Lichtstrahlen auf die jeweiligen zu prüfenden Hohlräume. Eine solche Abstimmung kann durch eine Blende vorgenommen werden, die einen Teil der von einer Licht quelle kommenden Lichtstrahlen ausblendet, weil diese keine signifikanten Intensitätswerte bei den registrierten Intensi täten der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahl liefern und/oder nur einen erhöhten Untergrund für die relevanten wieder austretenden Lichtstrahlen ergeben. Statt durch eine Blende kann die Abstimmung der definierten Inten sitäten auf die jeweiligen zu prüfenden Hohlräume auch durch einen bereichsweise aufgeteilten Filter oder dergleichen erfolgen.

Eine Überlagerung der Intensitäten verschiedener wieder aus den Hohlräumen austretender Lichtstrahl kann auch dadurch verhindert werden, daß zum Einstrahlen der Lichtstrahlen mit den definier ten Intensitäten ein einziger Lichtstrahl verschwenkt und/oder verschoben wird. Das Verschwenken und/oder Verschieben des einzigen Lichtstrahls erfolgt dabei gegenüber dem jeweiligen Zugang des Hohlraums, in den die Lichtstrahlen eingestrahlt werden. Es versteht sich, daß eine Überlagerung der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahlen auch dann nur verhindert werden kann, wenn deren Intensitätsverteilungen mit zeitlicher Auflösung registriert werden.

Die Auswertung des Vergleichs der Intensitätsverteilung eines zu prüfenden Hohlraums mit der Standardverteilung kann darin beste hen, daß ein zu prüfender Hohlraum, bei dem die Intensitätsver teilung der wieder austretenden Lichtstrahlen in bestimmten Bereichen eine einen Grenzwert überschreitende Abweichung von der Standardverteilung aufweist, verworfen wird. Die bestimmten Bereiche und der Grenzwert sind auf die zu prüfenden Hohlräume und die Anforderungen abzustimmen, deren Einhaltung mit der Prüfung überwacht werden soll.

Es kann aber auch eine differenziertere Auswertung des Ver gleichs der jeweiligen Lichtintensitätsverteilung mit der Standardverteilung erfolgen, um daraufhin beispielsweise eine gezielte Nachbearbeitung der Hohlräume vorzunehmen.

Die in die Hohlräume eingestrahlten Lichtstrahlen weisen bei dem neuen Verfahren vorzugsweise Lichtstrahlen des sichtbaren Lichts auf. Die konkrete Wellenlänge ist auf die zu überprüfenden Hohlräume abzustimmen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume nach dem neuen Verfahren weist eine Lichtquelle zum Einstrahlen von Lichtstrahlen mit definierten Intensitäten in die Hohlräume, einen örtlich auflösenden, flächigen Photosensor zum Registrieren der Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahlen, einen Speicher zum Speichern mindestens einer registrierten Intensitätsverteilung als Standardverteilung und eine Auswerteeinrichtung zum Vergleich von registrierten Intensitätsverteilungen mit der Stan dardverteilung auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Prüfung eines Hohlraums in einer Leitung mit einer 180°-Biegung,

Fig. 2 die Prüfung eines sackförmigen, nicht vollständig einsehbaren Hohlraums und

Fig. 3 die Prüfung eines Hohlraums mit einem Ringraum und zwei axialen Stichleitungen.

Das in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Leitungsstück 1 umgibt einen Hohlraum 2, der von Zugängen 3 und 4 des Leitungsstücks 1 aus zumindest nicht vollständig einsehbar ist. Zur Prüfung des Hohlraums 2 in dem Leitungsstück 1 werden an dem einen Zugang 3 Lichtstrahlen 5 in den Hohlraum 2 eingestrahlt. Bei den Lichtstrahlen 5 handelt es sich um ein divergentes Lichtstrahlenbündel 6, das durch Aufweiten eines von einem Laser 7 kommenden Laserstrahls 8 mit einer Linse 9 erhalten wird. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein einzelner Lichtstrahl versehen, dessen Verlauf durch den Hohlraum 2 im einzelnen wiedergegeben ist. Der Lichtstrahl 5 wird mehrfach an der Wandung 10 des Hohlraums 2 reflektiert, bis er schließlich aus dem anderen Zugang 4 des Hohlraums 2 wieder aus dem Leitungsstück 1 aus tritt. Dort gelangt er auf einen Photosensor 11. Der Photosensor 11 registriert die Intensitätsverteilung sämtlicher Lichtstrah len 5 des Lichtstrahlenbündels 6, die wieder aus dem Hohlraum 2 austreten. Da diese Lichtstrahlen durch die nicht einsehbaren Bereich des Hohlraums 2 hindurchgelaufen sind, tragen sie eine Information über diese Bereichen. Diese Information wird durch Registrierung ihrer Intensitäten nutzbar gemacht. Zur Prüfung des Hohlraums 2 wird die Intensitätsverteilung der wieder austretenden Lichtstrahlen 5 zunächst bei einem standardisierten Leitungsstück 1 mit einem standardisierten Hohlraum 2 mit dem Photosensor 11 registriert und als Standardverteilung in einem Speicher 12 abgelegt. Anschließend werden dann Lichtstrahlen 5 mit denselben Intensitäten in die zu prüfenden Hohlräume 2 zu prüfender Leitungsstücke 1 eingestrahlt und die Intensitäts verteilungen der aus den zu prüfenden Hohlräumen 2 wieder austretenden Lichtstrahlen 5 mit dem Photosensor 11 registriert. Diese Intensitätsverteilungen werden von einer Auswerteeinrich tung 13 mit der in dem Speicher 12 abgespeicherten Standard verteilung verglichen. Der Vergleich erlaubt Aussagen über etwaige Abweichungen der zu prüfenden Hohlräume von dem standardisiertem Hohlraum. Bei bestimmten Abweichungen sind die Leitungsstücke 1 zu verwerfen oder nachzubearbeiten.

Das in Fig. 2 dargestellte Gefäß 14 weist nur einen einzigen Zugang 3 zu dem in seinem Inneren befindlichen Hohlraum 2 auf. Zur Durchführung des neuen Verfahrens muß daher das Einstrahlen der Lichtstrahlen 5 über denselben Zugang 3 erfolgen, wie das Registrieren der wieder aus dem Hohlraum 2 austretenden Licht strahlen 5. Zu diesem Zweck ist vor dem Zugang 3 ein Strahl teiler 15 angeordnet. Hinter dem Strahlteiler 15 ist der Laser 7 mit der Linse 9 vorgesehen; seitlich des Strahlteilers 15 ist der Photosensor 11 angeordnet. Der in Fig. 2 hervorgehobene Lichtstrahl 5 dokumentiert, wie durch Reflexionen an der Wandung 10 des Gefäßes 14 der Lichtstrahl 5 auch in solche Bereiche gelangt, die von dem Zugang 3 aus nicht direkt einsehbar sind. Aus diesen Bereichen nimmt der Lichtstrahl 5 Informationen auf, die durch Registrierung seiner Intensität nach dem Wiederaus treten aus dem Hohlraum 2 durch den Photosensor 11 ausgewertet werden. Das grundsätzliche Procedere beim überprüfen von Gefäßen 14 mit dem Aufbau gemäß Fig. 2 entspricht dem bereits anhand Fig. 1 beschriebenen Procedere.

Dasselbe gilt für die Prüfung der in Fig. 3 skizzierten Werk stücke 16, von denen wiederum eines im Querschnitt dargestellt ist. Allerdings werden gemäß Fig. 3 die Lichtstrahlen 5, die mit definierter Intensitätsverteilung in den Hohlraum 2 einge strahlt werden auf andere Weise als gemäß den Fig. 1 und 2 generiert. Statt einer dem Laser 7 vorgeschalteten Linse ist vorgesehen, den Laser 7 in Richtung eines Pfeils 17 und auch senkrecht dazu zu verschwenken. In jeder Stellung des Lasers 7 bildet der Laserstrahl 8 einen Lichtstrahl 5 eines Lichtstrah lenbündels aus. Synchronisiert mit dem Verschwenken des Lasers 7 werden von dem Photosensor 11 die Intensitätsverteilungen der wieder aus dem Hohlraum 2 austretenden Lichtstrahlen 5 regis triert. Das heißt, die in dem Speicher 2 gespeicherte Standard verteilung für einen standardisierten Hohlraum 2 ist eine Abfol ge von zweidimensionalen Intensitätsverteilungen über der Zeit. Solche zweidimensionalen Intensitätsverteilungen über der Zeit werden auch bei den zu prüfenden Hohlräumen 2 registriert und dann mit der Standardverteilung verglichen. Der in Fig. 3 skizzierte Hohlraum 2 in dem Werkstück 16 weist einen relativ komplizierten Aufbau auf. Er umfaßt einen Ringraum 18 und zwei axiale Stichleitungen 19, die zu den Zugängen 3 und 4 des Hohlraums 2 führen. Auch bei derart komplizierten Hohlräumen 2 ist mit dem neuen Verfahren und der Vorrichtung zu dessen Durchführung eine ausreichend genaue Überprüfung des Hohlraums 2 auf Abweichungen von einem standardisiertem Hohlraum möglich.

Bezugszeichenliste

1

- Leitungsstück

2

- Hohlraum

3

- Zugang

4

- Zugang

5

- Lichtstrahl

6

- Lichtstrahlenbündel

7

- Laser

8

- Laserstrahl

9

- Linse

10

- Wandung

11

- Photosensor

12

- Speicher

13

- Auswerteeinrichtung

14

- Gefäß

15

- Strahlteiler

16

- Werkstück

17

- Pfeil

18

- Ringraum

19

- Stichleitung

20

-

Claims

1. Verfahren zur Prüfung offener, aber nicht vollständig einsehbarer Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtstrahlen (5) mit definierten Intensitäten in ein standardisiertes Exemplar von zu prüfenden Hohlräumen (2) eingestrahlt werden, daß eine Intensitätsverteilung der aus dem standardisierten Hohlraum (2) wieder austretenden Lichtstrahlen (5) registriert und als Standardverteilung abgespeichert wird, daß Lichtstrahlen (5) mit den definierten Intensitäten auch in die zu prüfenden Hohlräume (2) eingestrahlt werden und daß Intensitäts verteilungen der aus den zu prüfenden Hohlräumen (2) wieder austretenden Lichtstrahlen (5) registriert und mit der Standardverteilung verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Hohlräume (2) eingestrahlten Lichtstrahlen (5) divergent sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen (2) wieder austretenden Lichtstrahlen (5) an einem anderen Zugang (4) des Hohlraums (2) registriert werden, als die Lichtstrahlen (5) eingestrahlt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen (2) wieder austretenden Lichtstrahlen (5) in einer Ebene regi striert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die definierten Intensitäten der in die Hohlräume (2) eingestrahlten Lichtstrahlen (5) auf die jeweiligen zu prü fenden Hohlräume (2) abgestimmt sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Einstrahlen der Lichtstrahlen (5) mit den definierten Intensitäten ein einziger Lichtstrahl (Laserstrahl 8) verschwenkt und/oder verschoben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen (2) wieder aus tretenden Lichtstrahlen (5) mit zeitlicher Auflösung registriert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß ein zu prüfender Hohlraum (2), bei dem die Inten sitätsverteilung der wieder austretenden Lichtstrahlen (5) in bestimmten Bereichen eine einen Grenzwert überschreitende Abweichung von der Standardverteilung aufweist, verworfen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die in die Hohlräume (2) eingestrahlten Licht strahlen (5) Wellenlängen des sichtbaren Lichts aufweisen.

10. Vorrichtung zur Prüfung nicht einsehbarer Hohlräume nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Lichtquelle (Laser 7) zum Einstrahlen von Lichtstrahlen (5) mit definierten Intensitäten in die Hohlräume (2) vorgesehen ist, daß ein örtlich auflösender, flächiger Photosensor (10) zum Registrieren der Intensitätsverteilungen der aus den Hohlräumen wieder austretenden Lichtstrahlen (5) vorgesehen ist, daß ein Speicher (12) zum Speichern mindestens einer registrierten Intensitätsverteilung als Standardverteilung vorgesehen ist und daß eine Auswerteeinrichtung (13) zum Vergleich von registrierten Intensitätsverteilungen mit der Standardverteilung vorgesehen ist.