DE19618558C2 - Vorrichtung zur Prüfung von Tieflochbohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Tiefloch­ bohrungen nach dem Deutschen Patent 44 39 953.

Es sind verschiedene Verfahren und Werkzeuge zum berührungslosen Messen in Hohlräumen bekannt. Aus Laser Magazin 2/85, Seite 76 bis 81 ist ein CCD-Zeilensensor zur Hohlrauminspektion bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung werden jedoch nur Zylinderstücke einer bestimmten Höhe abgebildet. Die Art und Weise, wie die so erhaltenen Bilder weiterverarbeitet oder zur Auswertung dienen sollen, ist Druck­ schrift 1 nicht zu entnehmen. Weiter ist in dieser Druckschrift nicht beschrieben, daß die gleichen Zylinderstücke einer bestimmten Höhe zweimal abgebildet werden, insbesondere nicht das erstemal beim Einfüh­ ren der Optik und das zweite Mal beim Ausführen, wobei zwischen den beiden Abbildungen ein abstreifendes Reinigen stattfindet. Damit ist diese bekannte Vorrichtung bzw. dieses bekannte Verfahren nicht geeignet, echte Fehler, z. B. Kratzer oder dergleichen, von sogenannten "Pseudo­ fehlern", wie z. B. beweglichen Verunreinigungen (Fusseln, Schmutzparti­ keln etc.) zu unterscheiden.

Aus DE 31 39 692 A1 ist ein Rohrinnen-Manipulator bekannt, der jedoch nur für Rohre und Behälter mit großen Durchmessern geeignet ist. Bei dem beschriebenen Verfahren wird die Bearbeitung mittels einer TV- Kamera geprüft, während bei vorliegender Erfindung die eigentliche Reinigung vor der Prüfung erfolgen muß und der abstreifende "Reinigungsvorgang" Teil des Prüfvorgangs ist. Auch ist dieser Druck­ schrift nicht zu entnehmen, daß die Erfassung der ringförmigen Abschnitte zum einem beim Einführen der Vorrichtung als auch beim Rückführen erfolgt.

In Photonics Spectra, August 1993, Seite 101 bis 106 ist in allgemeiner Weise der Vergleich bzw. die Korrelation eines Bildes mit einem Refe­ renzbild beschrieben. In VDI-Z Bd. 128 (1986) Nr. 17, September, Seiten 629 bis 634 sind die allgemeinen Grundsätze und Möglichkeiten berüh­ rungsloser Messverfahren in der Fertigungstechnik beschrieben. FR 2 228 186 beschreibt ein Verfahren zur Instandhaltung von Kanalrohren mit Viedeoüberwachung.

Aus dem Deutschen Gebrauchsmuster GM 78 34 180 U1 ist ein Techno­ skop zur Rundumbeobachtung bekannt, bei dem am stirnseitigen Bereich der Optik als Reflektor ein kegelförmiges Prisma angeordnet ist, dessen Kegelspitze mit der Optikachse fluchtet und der Optik zugekehrt ist. Fer­ ner ist in der US 4 976 524 beschrieben, daß derartige Spiegelprismen auch Spiegelflächen aufweisen können, die anders als kegelförmig ge­ formt sind.

Die im Deutschen Patent 44 39 953 beschriebene Vorrichtung liefert ein kreisringförmiges Bild eines kreisringförmigen Abschnittes der Innen­ wand einer Tieflochbohrung, das gegebenenfalls entzerrt, beispielsweise abgewickelt, und auf optischem oder elektronischem Wege aufbereitet werden kann. Diese Vorrichtung liefert dabei nur eine flächige zweidi­ mensionale Darstellung des jeweiligen Wandabschnittes.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus der Deutschen Patentan­ meldung 44 39 953 bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß eine einen erhöhten Informationsinhalt liefernde, quasi dreidimensio­ nale optische Erfassung der Innenwand einer Tieflochbohrung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ein am stirnseitigen Bereich der Vorrichtung angeordnetes Spiegelelement mit mindestens zwei im wesentli­ chen kegel- oder kegelstumpfförmigen Spiegelflächen unterschiedlicher Kegelwinkel auf, die so angeordnet sind, daß jede der Spiegelflächen denselben im wesentlichen kreisring- oder kreislinienförmigen Abschnitt der Innenwand der Tieflochbohrung als separaten Bereich auf die Blick­ richtung der Vorrichtung abbildet.

Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das so betrachtete bzw. betracht­ bare Gesamtbild aus zwei separaten Einzelbildern besteht, die den glei­ chen Abschnitt der Innenwand der zu überprüfenden Tieflochbohrung, jedoch aus unterschiedlichen Blickwinkeln, verursacht durch die unter­ schiedlichen Kegelwinkel der Spiegelflächen, zeigen. Dadurch wird in einfacher Weise eine stereoskopische Betrachtung der Bohrungswand ermöglicht, die einen höheren Informationsgehalt insbesondere bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit, verglichen mit einer zweidimensionalen Betrachtung, aufweist. Die beiden unterschiedlichen Einzelbilder können beispielsweise mittels eines CCD-Wandlers umgesetzt und mit einem Rechner und einem Bildverarbeitungsprogramm ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, die beiden Einzel­ bilder so aufzubereiten, daß sie getrennt jeweils einem Auge eines Beob­ achters zugeführt werden. Damit wird dem Betrachter ein räumliches Bild der Bohrungswand vermittelt.

Das Spiegelelement kann aus grundsätzlich beliebigem Material bestehen, solange die gewünschten optischen Eigenschaften insbesondere hinsicht­ lich der Winkelgenauigkeit, der Planität und der Reflexionseigenschaften erfüllt sind. So kann beispielsweise das Spiegelelement aus einem entspre­ chend beschichteten Kunststoff oder aus poliertem und/oder beschichte­ tem Material bestehen. Vorzugsweise jedoch weist das Spiegelelement einen Körper aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere Glas, auf, in den die Spiegelflächen eingeschliffen oder an den die Spiegelflä­ chen angeschliffen sind.

Insbesondere wenn das Spiegelelement einen derartigen Glaskörper auf­ weist, können die Spiegelflächen aus an sich lichtdurchlässigen Glasflä­ chen bestehen, die insbesondere hinsichtlich ihrer geometrischen Anord­ nung jedoch derart ausgebildet sind, daß bei den vorgesehenen Betrach­ tungswinkeln Totalreflexion auftritt. Vorzugsweise jedoch sind die Spie­ gelflächen mit einem reflexionsfördernden Material, beispielsweise einer metallischen Beschichtung versehen, insbesondere beschichtet oder be­ dampft.

Die Gestalt des Glaskörpers ist zunächst grundsätzlich beliebig, solange zum einen die Spiegelflächen erfindungsgemäß angeordnet und ausgebildet werden können und zum anderen die beim Durchtritt durch den Glaskörper auftretenden Brechungs- und/oder Beugungseffekte tolerierbar und aus­ gleichbar sind. Vorzugsweise jedoch weist der Glaskörper eine im we­ sentlichen kugelförmige, kugelkappenförmige oder kugelschichtförmige Gestalt auf. Diese Gestalt hat insbesondere den Vorteil einer einfachen und genauen Herstellung mit geringen Toleranzen, wobei zudem die Beugungs- und Brechungseffekte vergleichsweise einfach zu berechnen bzw. zu bestimmen sind.

Alternativ zu dieser Gestaltung kann der Glaskörper selbst eine im we­ sentlichen kegelförmige Gestalt aufweisen, wobei vorzugsweise die Spiegelflächen durch die Kegelaussenflächen des Glaskörpers gebildet werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Glaskörper insge­ samt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit an- oder eingeformten Kegel- bzw. Spiegeflächen aufweisen.

Das Spiegelelement kann unmittelbar am stirnseitigen Bereich der Vor­ richtung angeordnet und dort beispielsweise durch Kleben befestigt sein. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch weist die Vorrichtung eine im wesentlichen zylindrische Hülse aus einem licht­ durchlässigen Werkstoff, insbesondere Glas, auf, in dem das Spiegelele­ ment angeordnet ist. Dadurch ergibt sich insbesondere ein Schutz des Spiegelelementes vor Beschädigung und Verschmutzung.

In grundsätzlich beliebiger Weise kann durch die Vorrichtung eine unmittel­ bare Betrachtung der das Spiegelelement verlassenden bzw. in diesem erzeugten Einzelbilder erfolgen. Vorzugsweise jedoch ist eine optische Gruppe, beispielsweise eine Linse oder ein Linsensystem, vorgesehen, mit der bzw. mit dem die vom Spiegelelement übertragenen, dem kreisring­ förmigen Abschnitt der Innenwand entsprechenden Bereiche bzw. Strah­ lenbündel in zueinander konzentrische Kreisringe abgebildet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbei­ spiele zeigenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in lediglich schematischer nicht maßstäblicher Dar­ stellung im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit im wesentlichen kugelkappenförmigem Glaskörper;

Fig. 2 in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung ge­ mäß der Erfindung mit im wesentlichen kugel­ schichtförmigem Glaskörper; und

Fig. 3 in einer ebenfalls der Fig. 1 entsprechenden Dar­ stellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit im wesentlichen ke­ gelförmigem Glaskörper.

In Fig. 1 ist das axiale Ende einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ein rohrförmiges Gehäuse 2 auf und ist mit seinem stirnseitigen Ende zur Prüfung der Innenwand 3 einer Tieflochbohrung 4, beispielsweise dem Innenraum eines Werkstücks 5, in diese eingeführt.

In geringem Abstand vom seinem stirnseitigen Ende ist die Vorrichtung 1 mit einem in einer geschlossen umlaufenden Ringnut 6 angeordneten Ab­ streifer 7 aus einem Elastomermaterial, beispielsweise Gummi, versehen, der beim Ein- und Ausführen der Vorrichtung 1 in die Tieflochbohrung 4 eine zumindest teilweise Säuberung der Innenwand 3 bewirkt, wie in der Hauptanmeldung 44 39 953 ausführlich beschrieben ist.

Im Bereich seines stirnseitigen Endes ist an der Vorrichtung 1 bzw. am rohr­ förmigen Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 ein Spiegelelement 8 angeordnet. Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Spiegelelement 8 einen massiven Glaskörper 9, vorzugsweise aus einem optisch hochwer­ tigen Glas, auf. Der Glaskörper 9 hat im wesentlichen die Gestalt einer Kugelkappe und ist so im axialen Ende des rohrförmigen Gehäuses 2 be­ festigt, beispielsweise eingeklebt, daß die Schnittfläche 10 von der Vorrichtung 1 weg weist. Zur besseren Lagerung und Befestigung des Glaskörpers 9 ist das axiale Ende des rohrförmigen Gehäuses 2 formkomplementär zur zugeordneten Kugelfläche ausgebildet.

Der Glaskörper 9 ist mit einer in der Darstellung nach Fig. 1 nach oben, das heißt zur Schnittfläche 10 hin, offenen Ausnehmung 11 versehen, die symmetrisch zur Mittellängsachse 12 des Glaskörpers 9 und der Vorrichtung 1 verläuft. Die Ausnehmung 11 ist insgesamt im wesentlichen kegelförmig mit einem kegelförmigen Abschnitt 13 und zwei kegel­ stumpfförmigen Abschnitten 14 und 15 ausgebildet. Die Abschnitte 13, 14 und 15 weisen unterschiedliche Kegelwinkel bzw. Kegelöffnungswinkel auf, wobei der Kegelwinkel vom Abschnitt 13 bis zum Abschnitt 15 zunimmt. Die Kegelflächen 16 und 17 zumindest der Abschnitte 14 und 15 sind fein geschliffen, poliert und mit einer reflektierenden Oberflächenbe­ schichtung versehen, beispielsweise metallisch bedampft. Dabei ist die Oberflächenbeschichtung so ausgeführt, daß die reflektierenden Eigen­ schaften zumindest in Richtung zum Glaskörper 9 hin wirksam sind. Diese reflektierend beschichteten Kegelflächen 16 und 17 dienen erfindungsge­ mäß als Spiegelflächen zur Abbildung der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu überprüfenden Innenwand 3 der Tieflochbohrung 4. Der Kegelabschnitt 13 hingegen hat primär keine optischen Aufgaben zu er­ füllen; er ist vielmehr aus fertigungstechnischen Gründen beim Schleifen und Polieren der Ausnehmung 11 bzw. der Spiegelflächen 16 und 17 vor­ gesehen.

Wie weiter der Darstellung nach Fig. 1 zu entnehmen ist, ist mit axialem Abstand zum Glaskörper 9 im rohrförmigen Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 eine lediglich schematisch dargestellte Linse 18 oder ein Linsensystem angeordnet, deren Funktion weiter unten beschrieben wird.

Aufgrund der unterschiedlichen Kegelwinkel der Spiegelflächen 16 und 17 ergibt sich für die Vorrichtung 1 ein Strahlengang, wie er aus der Fig. 1 er­ sichtlich ist. Von einem kreisring- oder kreislinienförmigen Abschnitt 19 der zu überprüfenden Innenwand 3 der Tieflochbohrung 4 dringt ein er­ stes, im Querschnitt kreisringförmiges Lichtbündel 20, das der besseren Darstellung wegen schraffiert ausgeführt ist, in den Glaskörper 9 ein und wird an der Spiegelfläche 16 in der dargestellten Weise nach unten, das heißt in Richtung zur Linse 18 hin, reflektiert bzw. umgeleitet. Beim Aus­ tritt aus dem Glaskörper 9 erfolgt aufgrund der optischen Eigenschaften des Glases, insbesondere des Brechungsindexes, der Geometrie der Glas­ körperoberfläche und des Strahlengangs eine Brechung des Strahlenbün­ dels 20. Die Linse 18 ist so ausgelegt, daß das auftreffende kreisringför­ mige Strahlenbündel 20 als Kreisring 21 abgebildet wird, wie dies in der unteren Darstellung der Fig. 1 schematisch angedeutet ist.

Ein zweites Strahlenbündel 22 verläuft vom selben kreisring- bzw. kreisli­ nienförmigen Abschnitt 1 in den Glaskörper 9 und wird dort an der Spiegelfläche 17 in prinzipiell der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben auf die Linse 18 umgelenkt. Das Strahlenbündel 22 wird dabei von der Linse 18 als Kreisring 23 abgebildet, wobei beim hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel die Kreisringe 21 und 23 konzentrisch sind.

Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Kreisringe 21 und 23 Abbil­ dungen des gleichen Abschnitts der Innenwand 3 der Tieflochbohrung darstellen, wobei jedoch die Blickwinkel unterschiedlich sind. Dadurch wird eine stereoskopische Betrachtung der Innenwand 2 ermöglicht, die einen im Vergleich zur lediglich zweidimensionalen Betrachtung erhöhten Informationsgehalt, beispielsweise bezüglich Oberflächenbeschaffenheit und dergleichen, aufweist.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das grundsätzlich den gleichen Aufbau wie das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel aufweist. Bei dem hier dar­ gestellten Ausführungsbeispiel jedoch weist der Glaskörper 9' eine im wesentlichen kugelschichtförmige Gestalt mit zwei zueinander parallelen und zur Mittelachse 12 senkrechten Schnitt- oder Begrenzungsflächen bzw. -ebenen 24 und 25 auf. Der Glaskörper 9' ist mit einer im wesentli­ chen kegelstumpfförmigen durchgehenden Ausnehmung 26 versehen, die zu beiden Begrenzungsflächen 24 und 25 hin offen ist. Dadurch ergibt sich eine insgesamt ringförmige Gestalt des Glaskörpers 9'.

Die Ausnehmung 26 weist zwei kegelstumpfförmige Abschnitte 27 und 28 mit unterschiedlichen Kegelwinkeln auf. Die dadurch gebildeten Kegelflä­ chen 29 und 30 sind geschliffen, poliert und mit einer in Richtung zum Glaskörper 9' hin wirkenden reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen.

Der Strahlengang der Strahlenbündel 20 und 22 entspricht im wesentlichen dem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. Jedoch sind die Brechungs- bzw. Beugungseffekte beim Austritt aus dem Glaskörper 9' in Richtung zur Linse 18 wesentlich geringer, da ein nahezu orthogonaler Austritt aus dem Glaskörper 9' erfolgt.

Die Abbildung der beiden Strahlenbündel auf entsprechende konzentrische Kreisringe 21 und 21 mittels der Linse erfolgt in der vorstehend beschrie­ benen Weise.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 weist ebenfalls den grundsätzlich gleichen Aufbau wie die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 und 2 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch besteht das Spiegelelement 8 aus einem im wesentlichen kegelförmigen Glaskörper 9'' ohne Ausnehmung. Der Glaskörper 9'' weist drei Abschnitte 31, 32 und 33 mit unterschiedli­ chen Kegelwinkeln auf, wobei der Abschnitt 31 kegelförmig ist und die Abschnitte 32 und 33 kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Die Kegelflä­ chen 34 und 35 der Abschnitte 32 und 33 sind mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen; der Abschnitt 31 ist im Sinne der vorliegenden Erfindung optisch nicht wirksam.

Der Glaskörper 9'' ist in einem zylindrischen Körper 36 aus einem licht­ durchlässigen Material, insbesondere Glas, angeordnet und dort, bei­ spielsweise durch Kleben, so befestigt, daß er symmetrisch zur Mittelach­ se 12 verläuft. Der Körper 36 dient im wesentlichen ausschließlich zur Halterung des Glaskörpers 9'' am stirnseitigen Ende der Vorrichtung 1.

Beim Abbilden des kreisringförmigen bzw. kreislinienförmigen Abschnitts 19 der Innenwand 3 analog zu den vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich eine Brechung bzw. Beugung der Strahlenbündel 20 und 22 beim Durchtritt durch den Körper 36, wobei die beiden Grenzflächen parallel sind; nach der Umleitung an den verspiegelten Kegelflächen 34 und 35 in Richtung Linse 18 erfolgt keinerlei Beeinflussung des Strahlengangs mehr. In der Linse 19 erfolgt in analoger Weise eine Abbildung der Strahlenbündel 20 und 22 in zueinander konzentrische Kreise 21 und 23.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Prüfung von Tieflochbohrungen nach dem Deut­ schen Patent 44 39 953, gekennzeichnet durch ein am stirnseitigen Bereich der Vorrichtung (1) angeordnetes Spiegelelement (8) mit mindestens zwei im wesentlichen kegel- oder kegelstumpfförmigen Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) unterschiedlicher Kegelwinkel, die so angeordnet sind, daß jede der Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) denselben im wesentlichen kreisringförmigen oder kreislinienförmigen Abschnitt (19) der Innenwand (3) der Tieflochbohrung (4) als separaten Bereich (21, 23) auf die Blickrichtung der Vorrichtung (1) abbildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement (8) einen Körper (9; 9'; 9'') aus einem licht­ durchlässigen Material, insbesondere Glas, aufweist, in den die Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) eingeschliffen oder an den die Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) angeschliffen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (16, 17; 29, 30; 34, 35) mit einem reflexions­ fördernden Material versehen, insbesondere beschichtet oder be­ dampft sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper (9; 9') eine im wesentlichen kugelförmige, kugelkappenförmige oder kugelschichtförmige Gestalt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper (9'') eine im wesentlichen kegelförmige oder kegelkappenförmige Gestalt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf­ weist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen zylindrische Hülse (36) aus einem lichtdurch­ lässigen Werkstoff, insbesondere Glas, in dem das Spiegelelement (8) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Linse (18) oder ein Linsensystem, mit der bzw. mit dem die vom Spiegelelement (8) übertragenen, dem kreisringförmigen oder kreislinienförmigen Abschnitt (19) der Innenwand (3) entsprechen­ den Bereiche in zueinander konzentrische Kreisringe (21, 23) abge­ bildet werden.