專利名稱：內螺紋檢查探針的制作方法
內螺紋檢查探針技術領域本公開內容(本發(fā)明)一般涉及用于確定物體表面的物理特性的方法 和設備，更具體地涉及用于檢查和確定表面缺陷的存在的方法和設備。
背景技術：
內燃機的某些機械零件可作為再制造部件加以利用。通常，這些部件 可從原始設備上拆下，如果需要，經過清洗、檢查、處理，并作為再制造 單元出售。再制造部件為這些部件的購買者提供了成本較低的選擇。這些發(fā)動機部件中的某些部件例如連桿可包括螺紋孔。在工作使用期 間，在螺紋才艮部/螺紋牙底內可能會產生表面缺陷，例如裂紋。這些裂紋可 擴散并引起部件的疲勞和可能的失效，例如包括連桿體部的破裂。授予Pryor等人的U.S.專利No. 5,004,339公開了 一種用于確定物體和 物體表面的物理特性的方法和設備。將光輻射或其它電磁輻射引導到一表 面的第 一部分上。對從第 一部分反射出的輻射與從第 一部分附近的兩個其 它部分反射出的輻射進行比較。重復輻射發(fā)射和比較步驟，并使用比較結 果來確定表面的物理特性，例如一個或多個缺陷的存在。該方法對于較簡 單的表面如平表面來說可能有效。對于更復雜的表面，例如螺紋表面，Pryor 等人可能無法實現缺陷的充分檢測。這可能是部分地由于Pryor等人無法 分辨出檢測到的是缺陷，還是僅為一種表面結構，例如螺紋根部、螺紋頂 點或側面區(qū)域。人們可能還會質疑Pryor等人認為信號良好的可靠性，因 為在用于確定表面的物理特性的比較過程中不同類型的表面結構可能在反 射光或其它電^f茲輻射方面產生差異。因此，盡管Pryor聲稱能夠獲得沿螺 紋表面的螺紋數量及其螺距，但Pryor等人在確定是否存在一個或多個缺
陷的精確度或這些缺陷的位置方面可能存在問題。這樣，可能無法檢測出 某些缺陷，例如那些位于螺紋孔根部的缺陷。未檢測出的缺陷可能會導致 一個或多個部件的結構失效。本公開內容致力于克服上述的 一個或多個缺點。發(fā)明內容根據所公開的一個例示性實施例，提供了 一種用于檢測螺紋孔中的缺 陷的設備，所述螺紋孔具有至少一條帶有螺旋形根部的螺紋。所述設備可 包括構造成與所述螺紋孔的所述至少一條螺紋接合的螺紋接合部件。所迷 設備還可包括與所述螺紋接合部件連接的探針。該探針可構造成將光引導 到所述螺紋孔的螺旋形根部上。所述探針和螺紋接合部件適于在該探針將 光持續(xù)地引導到所述螺旋形螺紋上的同時相對于所述孔旋轉，使得所述光 沿所述螺旋形根部的 一段掃過。根據所公開的另 一個例示性實施例， 一種用于檢測螺紋孔中的缺陷的中?？蓪⒓す饣蚍窍喔晒鈧魉偷剿鲚S內。可將所述軸調整成將激光或非 相干光投射到位于所述螺紋孔的圓周面上的斑點上?？筛淖兗す饣蚍窍喔?光的方向并將所述光投射到所述斑點上?？蓪⒓す饣蚍窍喔晒獾姆瓷涔?reflectance)從所述螺紋孔的圓周面接收到所述軸內。所述方法還可包 括檢測經反射的激光或非相干光的特性。根據所公開的又一個例示性實施例，提供了 一種用于檢測螺紋孔中的 缺陷的方法，所述螺紋孔具有至少一條帶有螺旋形根部的螺紋。所述方法 可包括將光引導到所述螺旋形根部上的一點上。所述點可沿所述螺旋形根 部的一段的長度移動?？蓪⑺龉獾姆瓷涔饨邮栈貋?。所述方法還可包括 至少部分地基于所述經反射的光來確定是否存在缺陷。


圖1是根據所公開的例示性實施例的光學子系統的示意圖； 圖2是根據所公開的例示性實施例的與螺紋孔相關的圖1的探針的分 解^L圖；圖3是根據所公開的例示性實施例的工具的示意性透視圖；圖4是圖3的工具經轉動后的透視圖；圖5是圖3和4的工具的軸組件的詳細視圖；圖6是與圖3和4的殼體組件和把手的部件相關的圖5的軸組件的示 意圖；以及圖7是圖3和4的工具的剖視圖。
具體實施方式
參照附圖，例示性光學子系統2示出為具有多個用于檢查和確定例如 螺紋孔中的表面上的缺陷如裂紋的部件。在一個實施例中，光學子系統2 的部件可包括激光源或非相干光源8和表面檢查裝置4。在表面檢查裝置4 和激光源或非相干光源8之間可連接有光束分離器組件6。在所公開的一 個實施例中，可^f吏用光纖纜線17A將光束分離器組件6連接到非相干光源 8。同樣，可使用另一根光纖纜線17B將光束分離器組件6連接到表面檢 查裝置4。表面檢查裝置4可包括可構造成與光纖纜線17B的一端相連的 旋轉光學接頭20。從旋轉光學接頭20到探測裝置15可連接有另一根光纖 纜線17C。旋轉光學接頭20可有利于連接到探測裝置15的光纖纜線17C 的無限制旋轉。也可采用其它適于傳送激光或非相干光的纜線或接頭來將 光束分離器組件6連接到表面檢查裝置4和激光源或非相千光源8。這樣，激光源或非相干光源8可向光束分離器組件6提供激光或非相 干光。至少一部分激光或非相干光可穿過光束分離器組件6并例如經由旋 轉光學接頭20進入表面檢查裝置4,再供給到探測裝置15。探測裝置15 可構造成接收激光或非相干光并使激光或非相干光以光束23偏轉到物體 表面上。例如，圖2示出插入到螺紋孔25的內部37內的探測裝置15。激光或 非相干光11可經由光纖纜線17C供給到探測裝置15內。探測裝置15可
包括例如具有兩個透鏡的光束形成望遠鏡/光學裝置(telescope)。所述透 鏡可包括準直透鏡3和用于將激光或非相干光11聚焦在預定尺寸和位置的 聚焦透鏡5。探測裝置15還可包括棱鏡7。所迷望遠鏡可將激光或非相干光11導 到棱鏡7上。棱鏡7可將激光或非相干光11的方向改變到預定位置點。在 所公開的實施例中，棱鏡7可包括90。轉向棱鏡，其可接收激光或非相干光 11并使激光或非相干光ll的方向改變?yōu)榕c探測裝置15的縱向軸線成例如 卯°。經變向的激光或非相干光11可投射通過探測裝置15的窗口 9而成為 光束23。窗口 9也可防止外來物質例如灰塵iiA探測裝置15。光束23可 聚焦到具有預定尺寸和位置的點上，例如一條或多條螺紋27的根部33。 這樣，上述尺寸可包括這樣的斑點，該斑點的尺寸位于一條或多條螺紋27 的尺寸范圍內。一旦一定量的激光或非相干光例如以光束23投射到物體表面上，則一 定量的經反射的光可被接收回到探測裝置15中。棱鏡7可將經反射的光的 方向變回到朝向所述望遠鏡。所述望遠鏡可使經反射的光對準回到光纖纜 線17C。這樣，再回到圖l,經反射的光束23可從探測裝置15被傳送通 過光纖纜線17C和旋轉光學接頭20。經反射的光束23還可進一步被傳送 通過光纖纜線17B而進入光束分離器組件6。 一光檢測器19可構造成從光 束分離器組件6接收至少一部分經反射的光束23。光檢測器19可測量經 反射光束23的功率/能量(power)。所測得的功率可轉換成電輸出信號 21。電輸出信號21可如下所述地確定經反射光束23的裙反射能量的變化 量。圖1和2提供了所公開的用于檢查和確定表面缺陷的存在的實施例的 示意圖。在一個實施例中，表面檢查裝置4可包括計算機數字控制(CNC) 機器，該CNC機器構造成操控探測裝置15的例如沿內部37的X軸、Y 軸和Z軸方向的位置。圖3提供了可由所公開的實施例釆用的表面檢查裝 置4的另一實施例。該表面檢查裝置4可包括用于識別例如位于螺紋孔中 的裂紋的工具10。工具10可包括用于保持和保護工具10的部件的殼體組
件28。在一個實施例中，殼體組件28可包括上殼體組件30和下殼體組件 32。在殼體組件28上可連接例如用于運送工具10或將工具10 "^殳置就位的 把手16。轉到圖4，在上殼體組件30上可設置把手安裝板34?？墒褂镁o固件 68 (圖3 )將把手16保持在把手安裝板34上?？墒褂枚鄠€緊固件36將把 手安裝板34固定在上殼體組件30上?？墒褂锰结?6以便于識別一個或多個缺陷，例如位于螺紋孔內表面上 的疲勞裂紋。工具10的探針26可對應于表面檢查裝置4的探測裝置15。 此外，探針26能以與表面檢查裝置4的探測裝置15相同的性能工作。這 樣，探針26可構造成接收從激光源或非相干光源8 (例如，圖1)發(fā)射的 激光或非相干光。與探測裝置15—樣，探針26也可包括部件，例如具有 準直透鏡3和聚焦透鏡5的望遠鏡和棱鏡7，用于使激光或非相干光聚焦 并偏轉到物體表面上。探針26還可構造成接收從物體表面反射的激光或非 相干光。如下文詳細所述，在工具10上可連接一反射光測量裝置以測量從 探針26接收到的例如從內表面一一例如包括螺紋孔的根部一一反射的能 量的量。在所公開的一個實施例中，所述望遠鏡和棱鏡可構造成接收激光 或非相干光并使所述光與探針26的縱向軸線成90。地偏轉到一表面上。在 所公開的一個實施例中，探針26還可固定到一軸12的一端。轉到圖5,所公開的實施例示出在一端具有螺紋14的軸12和沿其一 部分(設置)的止擋件13。軸12可插入到多個組裝好的部件中。例如， 一下彈簧墊24可插在軸12的一端上并抵靠止擋件13。 一止推軸承48可 插在下彈簧墊24的一端上。彈簧22可裝配在下彈簧墊24的一部分上。上 彈簧塾50的一部分可插入并裝配在彈簧22的另一端上。止推軸承52可抵 靠上彈簧墊50而裝配。旋轉光學接頭20可裝配在軸12的一端上。 一剖分 式殼體組件56可封裝旋轉光學接頭20的一部分。緊固件58可用于將剖分 式殼體組件56固定在一起。剖分式殼體組件56也可包括用于接納例如如 圖4所示的軸承鎖定螺母38的螺紋54。軸承鎖定螺母38不僅可便于將旋 轉光學接頭20保持在軸12上，還可將軸12連接到工具10的殼體組件28。
圖6示出與殼體組件28的部件相關的軸組件的其它細節(jié)。剖分式殼體 組件56可被接納穿過滑輪60中的開口 61?；?0可例如通過定位螺釘 62固定并保持在剖分式殼體組件56上。于是，滑輪60的旋轉會引起軸12的旋轉。剖分式殼體組件56的螺紋54可延伸穿過上殼體組件30的開口 31。 螺紋54還可插入穿過球軸承組件64、間隔件66、球軸承組件65和把手安 裝板34的開口 35。同樣，軸承鎖定螺母38可旋擰在剖分式殼體組件56 的對應螺紋54上。軸承鎖定螺母38的適當緊固可將把手安裝板34、上殼 體組件30和軸12上的部件以穩(wěn)固可靠的布置保持在一起。如圖3所示， 附裝有探針26的軸12的端部可延伸穿過下殼體組件32的開口 29。下殼 體組件32可使用 一個或多個緊固件46附裝到上殼體組件30上以形成完整 的殼體組件28。回到圖4,驅動單元18示出為連接到支承體42。 一軸承鎖定螺母44 可旋擰在驅動單元18的一部分上以將其保持在支承體42上。支承體42 可使用一個或多個緊固件40安裝到上殼體組件30上。如圖7所示，在支在驅動單元18上可連接一驅動滑輪單元72。 一驅動帶70可將滑輪60連 接至驅動滑輪單元72。這樣，驅動單元18的旋轉可經由將滑輪60連接到 驅動滑輪單元72的驅動帶70的連接而引起軸12的旋轉。驅動單元18可 由各種裝置驅動，例如包括電動機，或與之相連的任意其它適當的驅動機 構。光纖纜線74可連接在旋轉光學接頭20和探針26之間。當軸12由驅 動單元18驅動旋轉時，旋轉光學接頭20可為與^M目連的光纖纜線74提供 無限制旋轉。工業(yè)實用性所公開的表面檢查裝置4可應用于任意系統，例如需要檢查和檢測表 面結構上的缺陷的系統。這些表面結構可包括例如位于螺紋孔內表面上的 裂紋。在工作時，可向表面檢查裝置4的探測裝置15提供來自激光源或非 相干光源8的激光或非相干光。探測裝置15可將激光或非相干光以聚焦到 一點的光束23發(fā)射到例如物體表面上。在所公開的一個實施例中，光束 23與探測裝置15的表面成大約90。地發(fā)射到物體表面上。上述物體表面可 包括螺紋孔25的螺紋27。為了增大檢測出在螺紋27的表面上所存在缺陷的可能性，希望將光束 23直接投射到螺紋27的根部33中。這可能需要相對于螺紋27對光束23 進行調節(jié)。于是，可能需要調節(jié)探測裝置15的位置以使光束23精確地對 準螺紋27的根部33。在所公開的一個實施例中，表面檢查裝置4可包括CNC機器。該CNC 機器可操控要在例如沿X軸、Y軸和Z軸的方向上進行調節(jié)的探測裝置 15的位置。于是，探測裝置15的位置可沿螺紋孔25的內部37的豎直軸 線進行調節(jié)。這可包括將從探測裝置15發(fā)射的光束23與螺紋孔25的螺紋 27的根部33對準。此外，通過經由CNC機器使探測裝置15例如沿Z軸 旋轉可使光束23以旋轉的方式沿螺紋掃過。如前所述，探測裝置15還可構造成例如從螺紋孔25的內部37的表面 接收光束23的反射光。經反射的光束23可從探測裝置15被傳送回到光束 分離器組件6。光檢測器19 (例如連接到光束分離器組件6)可接收至少 一部分經反射的光束23。光檢測器19可測量經反射的光束23的功率。所 測得的功率可轉換成電輸出信號21。電輸出信號21可例如以電壓進行度 量而被量化，并進一步被分析。在一個實施例中，表面缺陷可用被反射能 量大小的變化(也可轉換成一個或多個電壓測量值)來指示。所述電壓測 量值可用于與其它電壓測量值進行比較?？衫缭谝欢螘r間內按照被反射 能量大小的變化對所測得的電壓范圍進行分析。這些電壓范圍例如可在內 部37的一部分上進行測量。不規(guī)則表面，例如用裂紋表示的表面缺陷可使 被投射的光束23發(fā)生散射。其結果可能包括，更少的激光或非相干光返回 到^l笨測裝置15，并且因此由光檢測器19測得的功率更少。因此，通it^f 與所測得的經反射光束23的功率相對應的所測得的電壓范圍進行分析，可 確定表面缺陷例如位于螺紋孔25內的裂紋的存在和位置。
在所公開的另一實施例中，表面檢查裝置4能可替換地包括所公開的 工具IO。如前所述，可向工具10的探針26提供來自激光源或非相干光源 8的激光或非相干光。同樣，探針26能以與探測裝置15相同的性能工作。 這可包括將激光或非相干光以光束23發(fā)射到物體表面上。在所公開的一個 實施例中，光束23與探針26的表面成大約卯。地發(fā)射到物體表面上。上述 物體表面可包括螺紋孔25的螺紋27。與前述實施例一樣，希望將光束23直接投射到螺紋27的根部33中以 便增大檢測出在螺紋27的表面上所存在缺陷的可能性。這可能需要相對于 螺紋27對光束23進行調節(jié).于是，可能需要調節(jié)探針26的位置以使光束 23對準螺紋27的4艮部33。軸12的探針端可定向成將探針26插入到一部件的螺紋孔25中。工具 10的螺紋14可與孔25的相配內螺紋27對齊。驅動單元18可驅動軸12 以使螺紋14旋轉而與孔25的相配內螺紋27接合。隨著螺紋14與孔25 的內螺紋27接合，探針26可通過所述孔的一段長度。上述螺紋接合有利 于以光束23發(fā)射激光或非相干光的揮:針26沿目標區(qū)域的對準。這可確保 光束23覆蓋所有目標區(qū)域以檢測例如在螺紋27的根部33中的潛在缺陷。軸12的轉動可沿螺紋孔25向下引導探針26。從探針26發(fā)射(例如 與探針26的側面成90°)的光束23可掃過孔25,包括具有內螺紋27的部 分。例如，光束23可掃過一條或多條內螺紋27的根部33以檢查它們是否 受損。當光束23掃過螺紋孔25的內部37的表面時，從孔25的內表面(例 如內螺紋27的根部33 )會反射一定量的激光或非相干光。探針26可構造 成例如從螺紋孔25的內部37的表面接收光束23的反射光。在所公開的一 個實施例中，經反射的光束23可從探針26被傳送回到光束分離器組件6。 光檢測器19 (例如連接到光束分離器組件6)可接收至少一部分經反射的 光束23。光檢測器19可測量經反射的光束23的功率。所測得的功率可轉 換成電輸出信號21。電輸出信號21可例如以電壓進行度量而被量化，并 進一步被分析。同樣，通過對與所測得的經反射光束23的功率相對應的所 測得的電壓范圍進行分析，可確定表面缺陷例如位于螺紋孔25內的裂紋的 存在和位置。隨著摞:針26插入螺紋孔25內，所述孔的頂表面可能與下彈簧墊24 接觸。螺紋14持續(xù)旋入螺紋孔25中會引起彈簧22的壓縮。因此，沿軸 12的長度方向會產生軸向力而在外螺紋14和所述孔的內螺紋27之間形成 緊密螺紋接合。這會減小螺紋相互之間的"游隙，，或松配合。所公開的緊 密螺紋接合有利于探針26在孔25內的對準以便對螺紋27的根部33進行 檢查和檢測任何缺陷。所公開的軸向力可將相互配合的螺紋保持為可靠一 致的(consistent)接合(狀態(tài))，從而探針26可將激光或非相干光更精 確地瞄準和保持在特定位置，例如包括螺紋27的根部33。將相互配合的 螺紋保持成所公開的可靠一致接合還可允許探針26例如從孔25的內部37 的表面更精確地接收激光或非相干光的經反射的量。本領域的技術人員顯然明白可對所公開的設備和方法作出各種修改和 變型而不會脫離^^開內容的范圍。例如，可設置附加的或替換的結構以 使^l針26相對于孔25的螺紋27定位。這可包括將軸12的螺紋14限定成 包括任意結構，例如螺紋接合部件，該螺紋接合部件可構造成與孔25的螺 紋27物理地接觸以保持探針26的位置。因此，在一個示例中，工具10 可包括構造成與孔25的螺紋27相配合的球軸承。在另一示例中，工具IO 可包括接納在孔25的螺紋27內的一個或多個可沿徑向擴張的裝置以保持 探針26的位置。此外，鑒于本說明書，所述設備和方法的其它實施例對于 本領域技術人員而言也是顯而易見的。例如，所述的一些實施例可用于檢 查孔25的其它表面結構，例如包括具有無螺紋表面的內部區(qū)域37。在表 面檢查裝置4包括CNC機器的一實施例中，該CNC機器可操控要在例如 沿X軸、Y軸和Z軸的方向上進行調節(jié)的探測裝置15的位置。因此，在 所公開的一個實施例中，探測裝置15的位置可沿孔25的無螺紋部分的內 部37的豎直軸線進行調節(jié)。這可包括使從探測裝置15發(fā)射的光束23掃過 孔25的上述無螺紋部分。所述掃過的運動可包括經由CNC機器使探測裝 置15例如沿Z軸旋轉。應當指出，本說明書以及示例應當認為僅僅是例 示性的，本公開內容的真正范圍由所附權利要求及其等效物來指定。
權利要求
1、一種用于檢測螺紋孔中的缺陷的設備，所述螺紋孔具有至少一條帶有螺旋形根部的螺紋，所述設備包括構造成與所述螺紋孔的所述至少一條螺紋接合的螺紋接合部件；與所述螺紋接合部件連接的探針，該探針構造成將光引導到所述螺紋孔的螺旋形根部上，其中所述探針和螺紋接合部件適于在該探針將光持續(xù)地引導到所述螺旋形螺紋上的同時相對于所述孔旋轉，使得所述光沿所述螺旋形根部的一段掃過。
2、 如權利要求l所述的設備，其特征在于，所述探針構造成使所述光 在一點處聚焦到所述螺紋孔的螺旋形根部上。
3、 如權利要求l所述的設備，其特征在于，所述探針構造成將所述光
4、 如權利要求l所述的設備，其特征在于，還包括對準部件，該對準 部件用于在所述螺玟接合部件和所述至少一條螺紋之間產生偏壓力，以便 增大所述螺紋接合部件和所述至少一條螺紋之間的接合緊密度。
5、 一種用于檢測螺紋孔中的缺陷的方法，所迷螺紋孔具有至少一條帶 有螺旋形根部的螺紋，所述方法包括將光引導到所述螺旋形根部上的一點上；使所述點沿所述螺旋形根部的 一段的長度移動；將所述光的反射光接收回來；以及至少部分地基于所述經反射的光來確定是否存在缺陷。
6、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述移動步驟包括在將光 持續(xù)地引導到所述螺旋形根部上的同時使所述點相對于所述孔旋轉，使得 所述光沿所述螺旋形根部的 一段掃過。
7、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括使所述光在所述點 處聚焦到所述螺旋形根部上。
8、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括基于所迷至少一條 螺紋的位置來定位所述光。
9、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述引導步驟包括在所述 孔內沿縱向軸線引導光，并將所述光與所述縱向軸線成卯。地投射到所述螺 旋形根部上的所述點上。
10、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述確定步驟包括測量 所接收到的經反射的光的功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測螺紋孔中的缺陷的設備，所述螺紋孔具有至少一條帶有螺旋形根部的螺紋。所述設備可包括構造成與所述螺紋孔的所述至少一條螺紋接合的螺紋接合部件。所述設備還可包括與所述螺紋接合部件連接的探針。該探針可構造成將光引導到所述螺紋孔的螺旋形根部上。所述探針和螺紋接合部件適于在該探針將光持續(xù)地引導到所述螺旋形螺紋上的同時相對于所述孔旋轉，使得光沿所述螺旋形根部的一段掃過。
文檔編號G01N21/88GK101153853SQ20071016168
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權日2006年9月29日
發(fā)明者C·A·基尼, M·B·克萊因 申請人:卡特彼勒公司