DE3835981A1 - Verfahren zur pruefung der toleranzen von bohrungen - Google Patents
Verfahren zur pruefung der toleranzen von bohrungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Das Laserimpulsbohrverfahren wird angewandt, um Bohrungen geringen
Durchmessers beispielsweise an Hohlwerkstücken zu fertigen. Insbeson
dere Turbinenschaufeln weisen eine Vielzahl derartig feiner Kühlluft
bohrungen auf, die sich mittels dieses Verfahrens automatisiert mit
hoher Positioniergenauigkeit fertigen lassen.
Die Bohrungen müssen jedoch auch hinsichtlich ihres Durchmessers ge
naue Toleranzen einhalten, um im Betrieb den erforderlichen Kühlluft
durchsatz zu erzielen. Sind beispielsweise einzelne Durchmesser der
Bohrungen zu gering, so kann dies zu einer unzulässigen Überhitzung
der Turbinenschaufeln und zu deren Versagen führen. Dies wiederum kann
zum Ausfall der gesamten Gasturbinenanlage führen. Es ist daher wich
tig, die Maßhaltigkeit der gefertigten Bohrungen zu überprüfen.
Bisher geschieht dies dadurch, daß Meßstäbchen manuell in die einzel
nen Bohrungen eingeführt werden. Dieses Verfahren bedeutet einen
außerordentlich hohen Aufwand, der zudem mit hohen Kosten verbunden
ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzuge
ben, mittels dessen die Durchmesser von Bohrungen schnell und automa
tisiert geprüft werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angege
benen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß praktisch gleich
zeitig mit der Fertigung der Bohrungen die Maßhaltigkeit der Bohrungen
geprüft werden kann. Somit läßt sich gleich nach Fertigung einer Boh
rung prüfen, ob die Toleranzen eingehalten worden sind. Bei zu gerin
gen Bohrungsdurchmessern einzelner Bohrungen läßt sich sofort ein
Nacharbeiten der betreffenden Bohrung durchführen, ohne das Werkstück
erneut einzuspannen und einzurichten ist. Dadurch läßt sich eine we
sentliche Vereinfachung des Prüfungsverfahrens und des Nachbearbei
tungsverfahrens erzielen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird der Bezugswert ge
bildet durch Ermittlung der Häufigkeit der Grauwerte des Rasterbildes,
wobei dieser so gewählt wird, daß zwischen einem Maximum mit niedrigem
und einem Maximum mit hohem Grauwert zu liegen kommt. Die Punkte mit
niedrigem Grauwert sind dem Hintergrund zugeordnet, während die Punkte
mit hohem Grauwert dem hellen Bohrungsfleck zugeordnet sind. Bei Wahl
des Bezugswertes zwischen beiden Extremen läßt sich so das Rasterbild
derart binarisieren, daß der Bohrungsrand exakt festlegbar ist. Somit
läßt sich nach Durchführung der weiteren Verfahrensschritte der Boh
rungsdurchmesser recht genau bestimmen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Träg
heitsmomente zweiter Ordnung der Bohrungsquerschnittsfläche A berech
net werden, und hieraus Halbachsen einer äquivalenten Ellipsenfläche
bestimmt werden. Es ist möglich, daß die Bohrungen nicht kreisrunden
Querschnitt, sondern elliptische Form aufweisen. Dies hat seine Ursa
che darin, daß sich Verschmutzungen im Laserstrahlengang befinden
können, oder die Intensitätsverteilung der Infrarotstrahlung ungleich
mäßig ist. Die elliptische Form kann ferner durch die zum Laserstrahl
geneigt liegende Oberfläche, oder durch den gebildeten Recastlayer
(wieder erstarrte Aufschmelzungen des Materials) verursacht werden.
Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist
einen halbdurchlässigen Spiegel auf, der den Laserstrahlengang ab
lenkt. Das optische Aufzeichnungsgerät ist derart angeordnet, daß das
von der Bohrungsumgebung reflektierte Licht durch den halbdurchlässi
gen Spiegel in die Linse des Aufzeichnungsgerätes gelangt. Dies ermög
licht eine einfache Anbringung der Anordnung zur Durchführung des Ver
fahrens, da die Laserbohrvorrichtungen aus anderen Gründen Spiegel zur
Umlenkung des Laserstrahles aufweisen.
Eine alternative Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
ist im Patentanspruch 5 angegeben.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß eine weiter verbesserte Genau
igkeit der Durchmesserbestimmung erzielbar ist. Der Meßfehler liegt
bei diesem Verfahren bei etwa 0,4% bei einem Solldurchmesser von 30
Bildpunkten, und fällt bei einem Durchmesser von 150 Bildpunkten auf
0,05% ab.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Laserbohranordnung,
Fig. 2a ein Bild einer Bohrung,
Fig. 2b das Grauwerthistogramm des Bildes von 2a,
Fig. 2c das binarisierte Abbild der Bohrung,
Fig. 3 ein Bild einer Bohrung mit darüber gelegten Summenkurven.
In Fig. 1 ist ein Laser 1 gezeigt, aus dem ein Laserstrahl 2 austritt
und über zwei Spiegel 3 und 4 auf eine Bündellinse 5 geleitet wird.
Der Laserstrahl trifft nach der Bündelung auf das Werkstück 6. Als
Laser 1 ist ein Infrarotlaser geeignet, der pulsförmige Laserimpulse
abgibt, wobei die Pulsfrequenz üblicherweise zwischen 2 und 10 Hz
liegt. Der Spiegel 4 ist halbdurchlässig aufgebaut, so daß das vom
Werkstück 6 reflektierte Licht den Spiegel 4 durchdringen kann und in
das optische Aufzeichnungsgerät 21 gelangt.
Fig. 2a zeigt ein mittels einer derartigen Anordnung angefertigtes
Abbild eines Laserimpulses. Dabei ist der helle Leuchtfleck 6 zu er
kennen, der ein Abbild der Bohrung darstellt. Der Bohrungsrand 7, zur
umgebenden Werkstückfläche 8 ist jedoch unscharf ausgebildet.
Fig. 2b zeigt ein Grauwerthistogramm der Fläche gemäß Fig. 2a. Dabei
ist auf der Abszisse die Helligkeit angetragen und auf der Ordinate
die Anzahl der Bildpunkte, die eine derartige Helligkeit aufweisen.
Deutlich zu erkennen ist der erste Bereich 9, der eine große Anzahl
Bildpunkte mit einer relativ geringen Helligkeit kennzeichnet. Dieser
Bereich 9 entspricht der Werkstoffumgebung 8 gemäß Fig. 2a. Ein schma
ler Bereich 10, gebildet durch eine Anzahl Bildpunkte mit einer erheb
lich höheren Helligkeit entspricht dem Leuchtfleck 6 aus Fig. 2a. Die
Anzahl dieser Bildpunkte entspricht ferner der Fläche des Leucht
fleckes 6. Zum Zweck der Binarisierung der Abbildung aus Fig. 2a wird
ein Schwellwert 11 gewählt, der einen Helligkeitswert aufweist, der
zwischen den Helligkeitswerten des Bereiches 9 und des Bereiches 10
liegt. Jeder einzelne Bildpunkt wird nun mit diesem Schwellwert 11
verglichen, wodurch das binarisierte Bild der Bohrung gemäß Fig. 2c
entsteht. Dabei ist zu erkennen, daß der binarisierte Leuchtfleck 12
einen klar begrenzten Bohrungsrand 13 aufweist. Bei genügender Auflö
sung des Bildes wird so ein genaues Abbild der Bohrung gebildet. Die
genaue Wahl des Schwellwertes 11 erfolgt dadurch, daß eine Bimodali
tätsanalyse des Grauwerthistogramms für zwei ausgewählte Bildteile (1.
Hintergrund, 2. Bohrung) durchgeführt wird. Die Schwelle "S" wird
dabei so festgelegt, daß alle Bildpunkte, die nicht zur Bohrung zu
zählen sind (das schließt auch ein evtl. hellerer Bildpunkte der Boh
rung selbst ein) zum Hintergrund gezählt werden.
In Fig. 3 ist ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des Bohrungs
durchmessers erläutert, bei dem über das Rasterbild 14 eine Spalten
summenkurve 15 und eine Zeilensummenkurve 16 gelegt sind. Die Spalten
summenkurve 15 weist zwei Maxima 17 und 18 auf, deren Abstand dem
Bohrungsdurchmesser dx in dieser Richtung entspricht. Analog weist die
Zeilensummenkurve zwei Maxima 19 und 20 auf, mittels der ein Durchmes
ser dy bestimmbar ist. Die beiden Durchmesser dx und dy können inso
fern voneinander abweichen, als die Bohrung elliptische Form aufweisen
kann.
Claims (5)
1. Verfahren zur Prüfung der Toleranzen von Bohrungen, die mittels
Laserimpulsen in ein Werkstück eingebracht werden, gekennzeich
net durch folgende Verfahrensschritte:
- a) ein Grauwert-Rasterbild der Bohrung und der Umgebung wird während jedes Laserimpulses mittels eines optischen Aufzeich nungsgerätes in Form eines Bildpunktrasters aufgezeichnet,
- b) die Helligkeit jedes Bildpunktes wird mit einem Bezugswert verglichen und ein binarisiertes Rasterbild der Bohrung er zeugt,
- c) die Anzahl der der Bohrung zugeordneten Bildpunkte wird ermit telt und hieraus die Bohrungsquerschnittsfläche A bestimmt,
- d) aus der Bohrungsquerschnittsfläche A wird der mittlere Boh rungsdurchmesser d mittels der Kreisgleichung bestimmt,
- e) der ermittelte Bohrungsdurchmesser wird mit Toleranzwerten zur Ausgabe eines Signals zur Anzeige der Toleranzhaltigkeit ver glichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugs
wert gebildet wird durch Ermittlung der Häufigkeit der Grauwerte
des Rasterbildes (Grauwerthistogramm), wobei der Bezugswert so
gewählt wird, daß er zwischen einem Maximum mit niedrigem Grauwert
und einem Maximum mit hohem Grauwert liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trägheitsmomente zweiter Ordnung der Bohrungsquerschnittsfläche A
berechnet werden, und hieraus Halbachsen einer äquivalenten Ellip
senfläche bestimmt werden.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Auf
zeichnungsgerät mittels eines halbdurchlässigen Spiegels in den
Laserstrahlengang blickt.
5. Verfahren zur Prüfung der Toleranzen von Bohrungen, die mittels
Laserimpulsen in ein Werkstück eingebracht werden, gekennzeich
net durch folgende Verfahrensschritte:
- a) ein Grauwert-Rasterbild der Bohrung und Umgebung wird während jedes Laserimpulses mittels eines optischen Aufzeichnungsgerä tes in Form eines Bildpunktrasters aufgezeichnet,
- b) die Grauwerte der Spalten werden zu Grauwert-Spaltensummen aufaddiert, und die Grauwerte der Zeilen werden zu Grauwert- Zeilensummen aufaddiert,
- c) die Summenkurven werden differenziert,
- d) die Maxima der differenzierten Summenkurven werden einer qua dratischen Drei-Punkte-Interpolation unterzogen,
- e) aus den Abständen der Maxima werden der horizontale Durchmes ser dx und der vertikale Durchmesser dy bestimmt,
- f) die ermittelten Bohrungsdurchmesser dx und dy werden mit Tole ranzwerten zur Ausgabe eines Signals zur Anzeige der Toleranz haltigkeit verglichen.
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