专利名称：内螺纹检查探针的制作方法
内螺紋检查探针技术领域本公开内容(本发明)一般涉及用于确定物体表面的物理特性的方法 和设备，更具体地涉及用于检查和确定表面缺陷的存在的方法和设备。
背景技术：
内燃机的某些机械零件可作为再制造部件加以利用。通常，这些部件 可从原始设备上拆下，如果需要，经过清洗、检查、处理，并作为再制造 单元出售。再制造部件为这些部件的购买者提供了成本较低的选择。这些发动机部件中的某些部件例如连杆可包括螺紋孔。在工作使用期 间，在螺紋才艮部/螺紋牙底内可能会产生表面缺陷，例如裂紋。这些裂紋可 扩散并引起部件的疲劳和可能的失效，例如包括连杆体部的破裂。授予Pryor等人的U.S.专利No. 5,004,339公开了 一种用于确定物体和 物体表面的物理特性的方法和设备。将光辐射或其它电磁辐射引导到一表 面的第 一部分上。对从第 一部分反射出的辐射与从第 一部分附近的两个其 它部分反射出的辐射进行比较。重复辐射发射和比较步骤，并使用比较结 果来确定表面的物理特性，例如一个或多个缺陷的存在。该方法对于较简 单的表面如平表面来说可能有效。对于更复杂的表面，例如螺紋表面，Pryor 等人可能无法实现缺陷的充分检测。这可能是部分地由于Pryor等人无法 分辨出检测到的是缺陷，还是仅为一种表面结构，例如螺紋根部、螺紋顶 点或侧面区域。人们可能还会质疑Pryor等人认为信号良好的可靠性，因 为在用于确定表面的物理特性的比较过程中不同类型的表面结构可能在反 射光或其它电^f兹辐射方面产生差异。因此，尽管Pryor声称能够获得沿螺 紋表面的螺紋数量及其螺距，但Pryor等人在确定是否存在一个或多个缺
陷的精确度或这些缺陷的位置方面可能存在问题。这样，可能无法检测出 某些缺陷，例如那些位于螺紋孔根部的缺陷。未检测出的缺陷可能会导致 一个或多个部件的结构失效。本公开内容致力于克服上述的 一个或多个缺点。发明内容根据所公开的一个例示性实施例，提供了 一种用于检测螺紋孔中的缺 陷的设备，所述螺紋孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺紋。所述设备可 包括构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺紋接合的螺紋接合部件。所迷 设备还可包括与所述螺紋接合部件连接的探针。该探针可构造成将光引导 到所述螺紋孔的螺旋形根部上。所述探针和螺紋接合部件适于在该探针将 光持续地引导到所述螺旋形螺紋上的同时相对于所述孔旋转，使得所述光 沿所述螺旋形根部的 一段扫过。根据所公开的另 一个例示性实施例， 一种用于检测螺紋孔中的缺陷的中。可将激光或非相干光传送到所述轴内。可将所述轴调整成将激光或非 相干光投射到位于所述螺紋孔的圆周面上的斑点上。可改变激光或非相干 光的方向并将所述光投射到所述斑点上。可将激光或非相干光的反射光(reflectance)从所述螺紋孔的圓周面接收到所述轴内。所述方法还可包 括检测经反射的激光或非相干光的特性。根据所公开的又一个例示性实施例，提供了 一种用于检测螺紋孔中的 缺陷的方法，所述螺紋孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺紋。所述方法 可包括将光引导到所述螺旋形根部上的一点上。所述点可沿所述螺旋形根 部的一段的长度移动。可将所述光的反射光接收回来。所述方法还可包括 至少部分地基于所述经反射的光来确定是否存在缺陷。
图1是根据所公开的例示性实施例的光学子系统的示意图； 图2是根据所公开的例示性实施例的与螺紋孔相关的图1的探针的分 解^L图；图3是根据所公开的例示性实施例的工具的示意性透视图；图4是图3的工具经转动后的透视图；图5是图3和4的工具的轴組件的详细视图；图6是与图3和4的壳体组件和把手的部件相关的图5的轴组件的示 意图；以及图7是图3和4的工具的剖视图。
具体实施方式
参照附图，例示性光学子系统2示出为具有多个用于检查和确定例如 螺紋孔中的表面上的缺陷如裂紋的部件。在一个实施例中，光学子系统2 的部件可包括激光源或非相干光源8和表面检查装置4。在表面检查装置4 和激光源或非相干光源8之间可连接有光束分离器组件6。在所公开的一 个实施例中，可^f吏用光纤缆线17A将光束分离器组件6连接到非相干光源 8。同样，可使用另一根光纤缆线17B将光束分离器组件6连接到表面检 查装置4。表面检查装置4可包括可构造成与光纤缆线17B的一端相连的 旋转光学接头20。从旋转光学接头20到探测装置15可连接有另一根光纤 缆线17C。旋转光学接头20可有利于连接到探测装置15的光纤缆线17C 的无限制旋转。也可采用其它适于传送激光或非相干光的缆线或接头来将 光束分离器组件6连接到表面检查装置4和激光源或非相千光源8。这样，激光源或非相干光源8可向光束分离器组件6提供激光或非相 干光。至少一部分激光或非相干光可穿过光束分离器组件6并例如经由旋 转光学接头20进入表面检查装置4,再供给到探测装置15。探测装置15 可构造成接收激光或非相干光并使激光或非相干光以光束23偏转到物体 表面上。例如，图2示出插入到螺紋孔25的内部37内的探测装置15。激光或 非相干光11可经由光纤缆线17C供给到探测装置15内。探测装置15可
包括例如具有两个透镜的光束形成望远镜/光学装置(telescope)。所述透 镜可包括准直透镜3和用于将激光或非相干光11聚焦在预定尺寸和位置的 聚焦透镜5。探测装置15还可包括棱镜7。所迷望远镜可将激光或非相干光11导 到棱镜7上。棱镜7可将激光或非相干光11的方向改变到预定位置点。在 所公开的实施例中，棱镜7可包括90。转向棱镜，其可接收激光或非相干光 11并使激光或非相干光ll的方向改变为与探测装置15的纵向轴线成例如 卯°。经变向的激光或非相干光11可投射通过探测装置15的窗口 9而成为 光束23。窗口 9也可防止外来物质例如灰尘iiA探测装置15。光束23可 聚焦到具有预定尺寸和位置的点上，例如一条或多条螺紋27的根部33。 这样，上述尺寸可包括这样的斑点，该斑点的尺寸位于一条或多条螺紋27 的尺寸范围内。一旦一定量的激光或非相干光例如以光束23投射到物体表面上，则一 定量的经反射的光可被接收回到探测装置15中。棱镜7可将经反射的光的 方向变回到朝向所述望远镜。所述望远镜可使经反射的光对准回到光纤缆 线17C。这样，再回到图l,经反射的光束23可从探测装置15被传送通 过光纤缆线17C和旋转光学接头20。经反射的光束23还可进一步被传送 通过光纤缆线17B而进入光束分离器组件6。 一光检测器19可构造成从光 束分离器组件6接收至少一部分经反射的光束23。光检测器19可测量经 反射光束23的功率/能量(power)。所测得的功率可转换成电输出信号 21。电输出信号21可如下所述地确定经反射光束23的裙反射能量的变化 量。图1和2提供了所公开的用于检查和确定表面缺陷的存在的实施例的 示意图。在一个实施例中，表面检查装置4可包括计算机数字控制(CNC) 机器，该CNC机器构造成操控探测装置15的例如沿内部37的X轴、Y 轴和Z轴方向的位置。图3提供了可由所公开的实施例釆用的表面检查装 置4的另一实施例。该表面检查装置4可包括用于识别例如位于螺紋孔中 的裂紋的工具10。工具10可包括用于保持和保护工具10的部件的壳体组
件28。在一个实施例中，壳体组件28可包括上壳体组件30和下壳体组件 32。在壳体组件28上可连接例如用于运送工具10或将工具10 "^殳置就位的 把手16。转到图4，在上壳体组件30上可设置把手安装板34。可使用紧固件 68 (图3 )将把手16保持在把手安装板34上。可使用多个紧固件36将把 手安装板34固定在上壳体组件30上。可使用探针26以便于识别一个或多个缺陷，例如位于螺紋孔内表面上 的疲劳裂紋。工具10的探针26可对应于表面检查装置4的探测装置15。 此外，探针26能以与表面检查装置4的探测装置15相同的性能工作。这 样，探针26可构造成接收从激光源或非相干光源8 (例如，图1)发射的 激光或非相干光。与探测装置15—样，探针26也可包括部件，例如具有 准直透镜3和聚焦透镜5的望远镜和棱镜7，用于使激光或非相干光聚焦 并偏转到物体表面上。探针26还可构造成接收从物体表面反射的激光或非 相干光。如下文详细所述，在工具10上可连接一反射光测量装置以测量从 探针26接收到的例如从内表面一一例如包括螺紋孔的根部一一反射的能 量的量。在所公开的一个实施例中，所述望远镜和棱镜可构造成接收激光 或非相干光并使所述光与探针26的纵向轴线成90。地偏转到一表面上。在 所公开的一个实施例中，探针26还可固定到一轴12的一端。转到图5,所公开的实施例示出在一端具有螺紋14的轴12和沿其一 部分(设置)的止挡件13。轴12可插入到多个组装好的部件中。例如， 一下弹簧垫24可插在轴12的一端上并抵靠止挡件13。 一止推轴承48可 插在下弹簧垫24的一端上。弹簧22可装配在下弹簧垫24的一部分上。上 弹簧塾50的一部分可插入并装配在弹簧22的另一端上。止推轴承52可抵 靠上弹簧垫50而装配。旋转光学接头20可装配在轴12的一端上。 一剖分 式壳体组件56可封装旋转光学接头20的一部分。紧固件58可用于将剖分 式壳体组件56固定在一起。剖分式壳体组件56也可包括用于接纳例如如 图4所示的轴承锁定螺母38的螺紋54。轴承锁定螺母38不仅可便于将旋 转光学接头20保持在轴12上，还可将轴12连接到工具10的壳体组件28。
图6示出与壳体组件28的部件相关的轴组件的其它细节。剖分式壳体 组件56可被接納穿过滑轮60中的开口 61。滑轮60可例如通过定位螺钉 62固定并保持在剖分式壳体组件56上。于是，滑轮60的旋转会引起轴12的旋转。剖分式壳体组件56的螺紋54可延伸穿过上壳体组件30的开口 31。 螺紋54还可插入穿过球轴承组件64、间隔件66、球轴承组件65和把手安 装板34的开口 35。同样，轴承锁定螺母38可旋拧在剖分式壳体组件56 的对应螺紋54上。轴承锁定螺母38的适当紧固可将把手安装板34、上壳 体组件30和轴12上的部件以稳固可靠的布置保持在一起。如图3所示， 附装有探针26的轴12的端部可延伸穿过下壳体组件32的开口 29。下壳 体组件32可使用 一个或多个紧固件46附装到上壳体组件30上以形成完整 的壳体组件28。回到图4,驱动单元18示出为连接到支承体42。 一轴承锁定螺母44 可旋拧在驱动单元18的一部分上以将其保持在支承体42上。支承体42 可使用一个或多个紧固件40安装到上壳体组件30上。如图7所示，在支在驱动单元18上可连接一驱动滑轮单元72。 一驱动带70可将滑轮60连 接至驱动滑轮单元72。这样，驱动单元18的旋转可经由将滑轮60连接到 驱动滑轮单元72的驱动带70的连接而引起轴12的旋转。驱动单元18可 由各种装置驱动，例如包括电动机，或与之相连的任意其它适当的驱动机 构。光纤缆线74可连接在旋转光学接头20和探针26之间。当轴12由驱 动单元18驱动旋转时，旋转光学接头20可为与^M目连的光纤缆线74提供 无限制旋转。工业实用性所公开的表面检查装置4可应用于任意系统，例如需要检查和检测表 面结构上的缺陷的系统。这些表面结构可包括例如位于螺紋孔内表面上的 裂紋。在工作时，可向表面检查装置4的探测装置15提供来自激光源或非 相干光源8的激光或非相干光。探测装置15可将激光或非相干光以聚焦到 一点的光束23发射到例如物体表面上。在所公开的一个实施例中，光束 23与探测装置15的表面成大约90。地发射到物体表面上。上述物体表面可 包括螺紋孔25的螺紋27。为了增大检测出在螺紋27的表面上所存在缺陷的可能性，希望将光束 23直接投射到螺紋27的根部33中。这可能需要相对于螺紋27对光束23 进行调节。于是，可能需要调节探测装置15的位置以使光束23精确地对 准螺紋27的根部33。在所公开的一个实施例中，表面检查装置4可包括CNC机器。该CNC 机器可操控要在例如沿X轴、Y轴和Z轴的方向上进行调节的探测装置 15的位置。于是，探测装置15的位置可沿螺紋孔25的内部37的竖直轴 线进行调节。这可包括将从探测装置15发射的光束23与螺紋孔25的螺紋 27的根部33对准。此外，通过经由CNC机器使探测装置15例如沿Z轴 旋转可使光束23以旋转的方式沿螺紋扫过。如前所述，探测装置15还可构造成例如从螺紋孔25的内部37的表面 接收光束23的反射光。经反射的光束23可从探测装置15被传送回到光束 分离器組件6。光检测器19 (例如连接到光束分离器组件6)可接收至少 一部分经反射的光束23。光检测器19可测量经反射的光束23的功率。所 测得的功率可转换成电输出信号21。电输出信号21可例如以电压进行度 量而被量化，并进一步被分析。在一个实施例中，表面缺陷可用被反射能 量大小的变化(也可转换成一个或多个电压测量值)来指示。所述电压测 量值可用于与其它电压测量值进行比较。可例如在一段时间内按照被反射 能量大小的变化对所测得的电压范围进行分析。这些电压范围例如可在内 部37的一部分上进行测量。不规则表面，例如用裂紋表示的表面缺陷可使 被投射的光束23发生散射。其结果可能包括，更少的激光或非相干光返回 到^l笨测装置15，并且因此由光检测器19测得的功率更少。因此，通it^f 与所测得的经反射光束23的功率相对应的所测得的电压范围进行分析，可 确定表面缺陷例如位于螺紋孔25内的裂紋的存在和位置。
在所公开的另一实施例中，表面检查装置4能可替换地包括所公开的 工具IO。如前所述，可向工具10的探针26提供来自激光源或非相干光源 8的激光或非相干光。同样，探针26能以与探测装置15相同的性能工作。 这可包括将激光或非相干光以光束23发射到物体表面上。在所公开的一个 实施例中，光束23与探针26的表面成大约卯。地发射到物体表面上。上述 物体表面可包括螺紋孔25的螺紋27。与前述实施例一样，希望将光束23直接投射到螺紋27的根部33中以 便增大检测出在螺紋27的表面上所存在缺陷的可能性。这可能需要相对于 螺紋27对光束23进行调节.于是，可能需要调节探针26的位置以使光束 23对准螺紋27的4艮部33。轴12的探针端可定向成将探针26插入到一部件的螺紋孔25中。工具 10的螺紋14可与孔25的相配内螺紋27对齐。驱动单元18可驱动轴12 以使螺紋14旋转而与孔25的相配内螺紋27接合。随着螺紋14与孔25 的内螺紋27接合，探针26可通过所述孔的一段长度。上述螺紋接合有利 于以光束23发射激光或非相干光的揮:针26沿目标区域的对准。这可确保 光束23覆盖所有目标区域以检测例如在螺紋27的根部33中的潜在缺陷。轴12的转动可沿螺紋孔25向下引导探针26。从探针26发射(例如 与探针26的侧面成90°)的光束23可扫过孔25,包括具有内螺紋27的部 分。例如，光束23可扫过一条或多条内螺紋27的根部33以检查它们是否 受损。当光束23扫过螺紋孔25的内部37的表面时，从孔25的内表面(例 如内螺紋27的根部33 )会反射一定量的激光或非相干光。探针26可构造 成例如从螺紋孔25的内部37的表面接收光束23的反射光。在所公开的一 个实施例中，经反射的光束23可从探针26被传送回到光束分离器组件6。 光检测器19 (例如连接到光束分离器组件6)可接收至少一部分经反射的 光束23。光检测器19可测量经反射的光束23的功率。所测得的功率可转 换成电输出信号21。电输出信号21可例如以电压进行度量而被量化，并 进一步被分析。同样，通过对与所测得的经反射光束23的功率相对应的所 测得的电压范围进行分析，可确定表面缺陷例如位于螺紋孔25内的裂紋的 存在和位置。随着摞:针26插入螺紋孔25内，所述孔的顶表面可能与下弹簧垫24 接触。螺紋14持续旋入螺紋孔25中会引起弹簧22的压缩。因此，沿轴 12的长度方向会产生轴向力而在外螺紋14和所述孔的内螺紋27之间形成 紧密螺紋接合。这会减小螺紋相互之间的"游隙，，或松配合。所公开的紧 密螺紋接合有利于探针26在孔25内的对准以便对螺紋27的根部33进行 检查和检测任何缺陷。所公开的轴向力可将相互配合的螺紋保持为可靠一 致的(consistent)接合(状态)，从而探针26可将激光或非相干光更精 确地瞄准和保持在特定位置，例如包括螺紋27的根部33。将相互配合的 螺紋保持成所公开的可靠一致接合还可允许探针26例如从孔25的内部37 的表面更精确地接收激光或非相干光的经反射的量。本领域的技术人员显然明白可对所公开的设备和方法作出各种修改和 变型而不会脱离^^开内容的范围。例如，可设置附加的或替换的结构以 使^l针26相对于孔25的螺紋27定位。这可包括将轴12的螺紋14限定成 包括任意结构，例如螺紋接合部件，该螺紋接合部件可构造成与孔25的螺 紋27物理地接触以保持探针26的位置。因此，在一个示例中，工具10 可包括构造成与孔25的螺紋27相配合的球轴承。在另一示例中，工具IO 可包括接纳在孔25的螺紋27内的一个或多个可沿径向扩张的装置以保持 探针26的位置。此外，鉴于本说明书，所述设备和方法的其它实施例对于 本领域技术人员而言也是显而易见的。例如，所述的一些实施例可用于检 查孔25的其它表面结构，例如包括具有无螺紋表面的内部区域37。在表 面检查装置4包括CNC机器的一实施例中，该CNC机器可操控要在例如 沿X轴、Y轴和Z轴的方向上进行调节的探测装置15的位置。因此，在 所公开的一个实施例中，探测装置15的位置可沿孔25的无螺紋部分的内 部37的竖直轴线进行调节。这可包括使从探测装置15发射的光束23扫过 孔25的上述无螺紋部分。所述扫过的运动可包括经由CNC机器使探测装 置15例如沿Z轴旋转。应当指出，本说明书以及示例应当认为仅仅是例 示性的，本公开内容的真正范围由所附权利要求及其等效物来指定。
权利要求
1、一种用于检测螺纹孔中的缺陷的设备，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹，所述设备包括构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺纹接合的螺纹接合部件；与所述螺纹接合部件连接的探针，该探针构造成将光引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上，其中所述探针和螺纹接合部件适于在该探针将光持续地引导到所述螺旋形螺纹上的同时相对于所述孔旋转，使得所述光沿所述螺旋形根部的一段扫过。
2、 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述探针构造成使所述光 在一点处聚焦到所述螺紋孔的螺旋形根部上。
3、 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述探针构造成将所述光
4、 如权利要求l所述的设备，其特征在于，还包括对准部件，该对准 部件用于在所述螺玟接合部件和所述至少一条螺紋之间产生偏压力，以便 增大所述螺紋接合部件和所述至少一条螺紋之间的接合紧密度。
5、 一种用于检测螺紋孔中的缺陷的方法，所迷螺紋孔具有至少一条带 有螺旋形根部的螺紋，所述方法包括将光引导到所述螺旋形根部上的一点上；使所述点沿所述螺旋形根部的 一段的长度移动；将所述光的反射光接收回来；以及至少部分地基于所述经反射的光来确定是否存在缺陷。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述移动步骤包括在将光 持续地引导到所述螺旋形根部上的同时使所述点相对于所述孔旋转，使得 所述光沿所述螺旋形根部的 一段扫过。
7、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括使所述光在所述点 处聚焦到所述螺旋形根部上。
8、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括基于所迷至少一条 螺紋的位置来定位所述光。
9、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述引导步骤包括在所述 孔内沿纵向轴线引导光，并将所述光与所述纵向轴线成卯。地投射到所述螺 旋形根部上的所述点上。
10、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括测量 所接收到的经反射的光的功率。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测螺纹孔中的缺陷的设备，所述螺纹孔具有至少一条带有螺旋形根部的螺纹。所述设备可包括构造成与所述螺纹孔的所述至少一条螺纹接合的螺纹接合部件。所述设备还可包括与所述螺纹接合部件连接的探针。该探针可构造成将光引导到所述螺纹孔的螺旋形根部上。所述探针和螺纹接合部件适于在该探针将光持续地引导到所述螺旋形螺纹上的同时相对于所述孔旋转，使得光沿所述螺旋形根部的一段扫过。
文档编号G01N21/88GK101153853SQ20071016168
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者C·A·基尼, M·B·克莱因 申请人:卡特彼勒公司