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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen
Vermessung von Werkstücken
mit einer Axialverzahnung zur Beurteilung von Qualitätsmerkmalen.
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Axialverzahnungen,
wie beispielsweise eine Hirth-Stirnverzahnung werden wegen der Fähigkeit, hohe
Drehmomente bei kleinen Abmessungen verschleißfest übertragen zu können, beispielsweise
an Gelenkwellen und Radlagereinheiten in Kraftfahrzeugen verwendet.
Vorteile solcher Stirnverzahnungen sind eine hohe Plan- und Rundlaufgenauigkeit,
eine hohe Betriebssicherheit und einfachste Montage.
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Um
diese Vorteile wirksam ausnutzen zu können, ist es in der Produktion
notwendig, dass die Axialverzahnungen auf das Einhalten bestimmter Qualitätsmerkmale überprüft werden.
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Qualitätsmerkmale
und wichtige Eigenschaften solcher Verzahnungen sind insbesondere
Formschlüssigkeit,
Teilgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Zu einer guten Drehmomentübertragung
ist es besonders wichtig, dass alle Zähne und Zahngründe der
Verzahnung vollständig
ausgeformt sind und keine Risse oder sonstigen Schäden aufweisen.
Die Teilgenauigkeit sichert die Genauigkeit der Winkellagen welche
die durch die Verzahnung gekoppelten Teile zueinander einnehmen.
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Abweichung des Abtriebes
von einer Sollposition bei Wiederholvorgängen.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, Verzahnungen einer Einzelfehlerprüfung zu
unterziehen. Dabei werden verschiedene Bestimmungsgrößen insbesondere
von Zahnrädern,
wie zum Beispiel Flankenform, Zahndicke, Zahnweite mit konditionellen
mechanischen Messgeräten
einzeln geprüft.
Zum Beispiel werden Zahnräder
einer Sammelfehlerüberprüfung unterzogen.
Sie dient der Bestimmung der gleichzeitigen Auswirkung von Form-
und Lagefehlern der Zahnflanken durch Abwälzen des zu prüfenden Zahnrades
mit einem Lehrzahnrad.
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Bisher
werden Axialverzahnungen einer mechanischen Lehrenprüfung unterzogen.
Dabei kann durch den entsprechenden Aufwand einer Lehrenprüfung immer
nur eine stichprobenartige Prüfung
erfolgen. Weiterhin ist es bei dieser Art der Prüfung nicht möglich, Materialfehlstellen
zu detektieren, oder die korrekte Verzahnungsausformung und Konzentrizität zu bewerten.
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Bekannt
ist es weiterhin, magnetische Sensoranordnungen zur Prüfung von
magnetischen oder magnetoresistiven Encodern zu verwenden, wie es beispielsweise
bei der Prüfung
von ABS-Encodern für
die Kraftfahrzeugtechnik der Fall ist. Dabei werden Einzelteilungsfehler
und Summenteilungsfehler zur Qualitätsbewertung der Encoder herangezogen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Prüfung von
Axialverzahnungen bereitzustellen, womit bei Bedarf auch eine hundertprozentige
Prüfung
der geforderten Qualitätsmerkmale
aller Bauteile mit einem geringen Aufwand und in kurzer Zeit möglich ist.
Als maßgebliche
Qualitätsmerkmale
werden dabei eine vollständige
Ausformung von Zahn und Lücke
sowie Teilgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit angesehen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung
gemäß dem unabhängigen Anspruch
9 gelöst.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass es nunmehr
möglich
ist, die Prüfung aller
Bauteile innerhalb einer kurzen Zeit vorzunehmen und die Qualität einer
Axialverzahnung besser beurteilen zu können, da mehrere Parameter
der Verzahnung berührungslos
bestimmt werden können.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein für die Prüfung magnetischer oder ferromagnetischer
Encoder verwendetes Prüfverfahren
und entsprechende Anordnungen geeignet zu modifizieren, um sie für die Prüfung mechanischer
Bauteile mit Axialverzahnung nutzbar zu machen.
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Obwohl
das erfindungsgemäße Verfahren und
die Anordnung zu dessen Ausführung
generell für
alle Verzahnungen, also sowohl Radial- als auch Axialverzahnungen
geeignet sind, wird im Folgenden nur Bezug auf die Prüfung einer
Axialverzahnung genommen. Der Fachmann erkennt aber ohne Weiteres,
dass mit einfachen Modifikationen auch Radialverzahnungen geprüft werden
können.
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Erfindungsgemäß wird zunächst die
Kontur einer Verzahnung mittels eines Sensors erfasst. Auf mögliche Sensorarten
und Anordnungen zur Erfassung der Kontur wird an späterer Stelle
detailliert eingegangen.
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Das
Aufeinanderfolgen von Zahn und Zahngrund (Zahnlücke) der Verzahnung wird wie
eine periodische Funktion betrachtet, wobei ein Nulldurchgang der
Amplitude beim Übergang
vom Zahn zum Zahngrund und umgekehrt erfolgt. Die periodische Funktion
wird als Flankensignal bezeichnet. Eine Signalperiode wird durch
einen Zahn und einen Zahngrund abgebildet.
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Zur
Bewertung einer vollständigen,
fehlerfreien Ausformung von Zahn und Zahngrund wird von einer Auswertungseinheit
das Flankensignal ausgewertet, indem zunächst eine Berechnung des Integrals
des Flankensignals über
eine Signalperiode erfolgt. Dieses Integral muss im Idealfall nahezu
Null sein, damit sichergestellt ist, dass der Zahn bezogen auf sein
Volumen genauso ausgeformt ist wie das vom Zahngrund eingenommene
Volumen. Wenn bei bestimmten Verzahnungsgestaltungen gezielt unterschiedlich
ausgebildete Zähne
und Zahnlücken
verwendet werden (beispielsweise um den Verschleiß an den
Zahnspitzen zu reduzieren), kann dies bei der integrativen Bestimmung
der Volumina berücksichtigt werden.
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Eine
Auswertung des Maximalwertes und des Minimalwertes der Amplitude
einer Signalperiode ermöglicht
es, eine vollständige
Ausformung eines Zahnes und eines Zahngrundes zu kontrollieren.
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Liegt
das berechnete Integral außerhalb
eines vorgegebenen Toleranzbereiches, oder wird ein vorgegebener
Maximalwert der Amplitude nicht erreicht, so wird ein Formfehlersignal
generiert, welches einen Fehler in der Ausformung von Zahn und Zahngrund
signalisiert, wozu beispielsweise Fehlstellen oder Beschädigungen
im Zahn, Materialeinschlüsse
oder auch Risse im Zahngrund gehören.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann zusätzlich
eine Periodendauer des Flankensignals bestimmt und ausgewertet werden,
um die Positionsgenauigkeit der Zähne zu überprüfen. Weicht die ermittelte
Periodendauer von einer Vorgabe ab, so wird ein Positionsfehler
generiert, welches einen Fehler in der Positionsgenauigkeit eines
Zahnes signalisiert. Zur Bewertung der Teilgenauigkeit (Teilungsgenauigkeit)
werden entsprechend der geforderten Winkellagen entsprechend viele
Signalperioden ausgewertet.
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Um
in einer weitergebildeten Ausführungsform
eine Wiederholgenauigkeit einer Zahnfolge zu bestimmen, wird das
Flankensignal über
alle Signalperioden ausgewertet. Die Aufzeichnung des Flankensignals
erfolgt in einer vorteilhaften Ausführungsform über die gesamte Zahnbreite.
Dies kann durch eine Neupositionierung des Sensors oder des zu prüfenden Werkstücks oder
auch durch die Verwendung eines zwei- oder dreidimensionalen Sensorarrays
erfolgen.
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Ein
zweidimensionales Sensorarray kann beispielsweise durch eine Sensorzeile
gebildet werden, welche in radialer Richtung der Verzahnung angeordnet
ist. Somit tasten mehrere Sensoren einen Zahn und eine Lücke auf
verschiedenen Teilkreisen gleichzeitig ab. Die so aufgezeichneten
einzelnen Teilflankensignale eines Zahnes und einer Lücke können addiert
(d. h. über
die Zahnbreite integriert) werden, bevor das Flankensignal wie oben
beschrieben, über
eine Signalperiode integriert wird.
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Durch
die Erfassung der Teilflankensignale über die gesamte Zahnbreite
kann auch die Formgenauigkeit und Konzentrizität der Verzahnung beurteilt
werden.
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Als
Sensoren zur Erfassung des Flankensignals bzw. der Teilflankensignale
sind sowohl Sensoren zur berührungslosen
Wegmessung, als auch zur Magnetfeldmessung geeignet. Genannt werden
hierfür
beispielsweise Magnetfeldsensoren, induktive Sensoren, Laser-Arrays,
sowie Wirbelstrom- und Ultraschallsensoren. Letztere können gleichzeitig
zur Erkennung und Auswertung von Rissen und Materialstörungen unterhalb
der Oberfläche
verwendet werden. Ebenso ist eine Kombination verschiedener Sensoren
möglich.
Die Verwendung von Magnetfeldsensoren ist natürlich nur bei der Ver messung magnetisierbarer
Werkstücke
möglich.
Für die
Vermessung von Kunststoffteilen können z.B. optische Wegmesssensoren
eingesetzt werden.
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Selbstverständlich können auch
3d-Scanner und Bildverarbeitungseinheiten als Signalquellen verwendet
werden, um das erfindungsgemäße Verfahren
zur Anwendung zu bringen.
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Die
Leserichtung der Sensoren ist hauptsächlich die axiale Richtung,
aber auch eine radiale Leserichtung oder eine Kombination von radial
und axial lesenden Sensoren ist möglich. Durch eine Schräganordnung
des Sensors bzw. der Sensoren wird ein elliptischer Messfleck erhalten,
wodurch beispielsweise in der Bildverarbeitung ein Zahn und ein Zahngrund über die
gesamte Zahnbreite mit nur einer Messung (Bilderfassung) ausgewertet
kann.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Hirth-Stirnverzahnung;
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2 einen
prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Vermessung einer Axialverzahnung;
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3 eine
Prinzipskizze der Vermessung der Axialverzahnung;
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4 eine
zweite Anordnung zur Vermessung der Axialverzahnung mit radialer
Sensoranordnung;
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5 Prinzipdarstellung
von Schablonen zur Vermessung einer Verzahnung;
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6 Prinzipdarstellung
der Verwendung einer Schablone während
der Messung eine Zahnes.
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1 zeigt
ein Werkstück 01 mit
einer endseitigen Axialverzahnung 02, welche als eine Hirth-Stirnverzahnung
mit geraden Flanken ausgeführt
ist. Solche und weitere Verzahnungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hinsichtlich ihrer Qualitätsmerkmale überprüft werden.
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Eine
gestrichelt dargestellte Mittellinie 03 wird zur Definition
eines Zahnes 04 und eines Zahngrundes 06 herangezogen.
Die Axialverzahnung 02 setzt sich aus einer Folge von Zähnen 04 und
Zahngründen 06 zusammen,
wobei die räumliche
Ausdehnung von einem Zahn 04 und einem Zahngrund 06 in Umfangsrichtung
einer Periodenlänge
x entspricht. Die Ausdehnung eines Zahnes 04 in radialer
Richtung wird als Zahnbreite z definiert. Die Kontur der Verzahnung
kann als periodische Funktion mit n Perioden betrachtet werden,
wobei n der Anzahl der Zähne
bzw. Zahngründe
entspricht.
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In 2 ist
eine Anordnung zur Vermessung einer Axialverzahnung mit axialer
Sensoranordnung dargestellt. Ein rotationssymmetrisches magnetisierbares
Werkstück 01 mit
der stirnseitigen Verzahnung 02 ist in einer Aufnahme 09 drehbar
um eine Drehachse 11 gelagert. Dargestellt ist das Werkstück 01 im
Längsschnitt.
Eine Antriebsspindel 12 ist mit der Aufnahme 09 antriebsbeweglich
verbunden. Ein Sensor 13, beispielsweise ein Hall-Sensor
mit einem Magneten, ist in axialer Richtung auf die Verzahnung 02 gerichtet.
Der Sensor 13 ist hinsichtlich seiner Position verstellbar
und mit einem Messabstand a von einer Werkstückauflage 14 entfernt
positioniert. Wird nun die Aufnahme 09 mit dem Werkstück 01 in
eine Drehung um die Drehachse 11 versetzt, so wird der Sensor 13 ein
veränderliches
Signal generieren, da Zahn und Zahngrund hinsichtlich ihrer Permeabilität unterschiedlich
sind. In einer Signalverarbeitungseinheit 16 werden die
Signale des Sensors 13 empfangen, zu einem Flankensignal
aufbreitet und in einer nicht dargestell ten Auswertungseinheit entsprechend ausgewertet.
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Anhand 3 wird
das Prinzip der Erfassung der Kontur einer Verzahnung erläutert. Dabei werden
unabhängig
von der tatsächlichen
Form der Verzahnung die in 1 erläuterten
Begriffe der Verzahnung verwendet. Der Sensor 13 ist mit
dem Messabstand a von der Werkstückauflage 14 über dem Werkstück 01 positioniert.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Sensorarray verwendet wird, dass sich über die
gesamte Zahnbreite z senkrecht zur Bildebene erstreckt. Nun wird
entweder das Werkstück 01 unter dem
Sensor 13 horizontal hindurchbewegt oder der Sensor 13 wird über dem
Werkstück 01 hinwegbewegt.
Dabei erfasst der Sensor 13 ein Flankensignal 17,
dessen Amplitudenverlauf bei der Verwendung eines Wegsensors der
Abstandsänderung
zwischen dem Sensor und dem jeweils abgetasteten Oberflächenbereich
der Verzahnung entspricht. Der hier dargestellte Amplitudenverlauf
entsteht bei der Verwendung eines Magnetfeldsensors, wobei Volumenunterschiede
durch unterschiedliche relative Permeabilitäten von Zahn 04 und
Zahngrund 06 repräsentiert werden.
Die Kontur beschreibt also den Oberflächenverlauf der Verzahnung
entlang des vorgegebenen Messweges, der sich für eine vollständige Prüfung über die
gesamte Verzahnung erstrecken kann. Dabei wird die Mittellinie 03 zwischen
Zahn 04 und Zahngrund 06 als Nulllinie des Koordinatensystems für das Flankensignal 17 angenommen.
Die Mittellinie 03 ist dabei so platziert, dass das oberhalb
dieser Linie liegende Volumen der Zähne gleich groß dem unterhalb
der Linie liegenden Volumen der Zahnlücken ist. Mit T ist die Periodendauer
des Flankensignals 17, bzw. mit x die Periodenlänge von
Zahn 04 plus Zahngrund 06, dargestellt. Für das richtige
Verständnis
des in 3 gezeigten Signalverlaufs ist zu erwähnen, dass
der tatsächliche
Signalverlauf zumindest bei der Verwendung eines Wegsensors ebenso
wie die Zahnform eine stufige Form aufweisen wird.
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Wenn
in der Auswertungseinheit das Integral des Flankensignals 17 über eine
Periodenlänge
T gebildet wird, können
aus dem Ergebnis Rückschlüsse auf
die Ausformung von Zahn und Zahngrund gezogen werden: Ist das In tegral
nämlich
gleich Null, so bedeutet dies, dass der Zahn genau komplementär ausgeformt
ist, wie der Zahngrund. Ein Toleranzbereich ist hier zulässig und
kann in Abhängigkeit
von der zu prüfenden
Verzahnung definiert werden.
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Die
Auswertung der Amplitude des Flankensignals ermöglicht die Ermittlung der absoluten
Höhe HZ des Zahnes 04 bzw. HG des
Zahngrundes 06.
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Da
der Messabstand a des Sensors 13 von der Werkstückauflage 14 bekannt
ist, kann durch die Ermittlung des Abstandes k des Zahngrundes 06 vom
Sensor 13 in der zweiten Halbwelle einer Signalperiode
auf die Höhe
des Werkstückes 01 geschlossen
werden. Dies ermöglicht
bei flacheren Werkstücken
eine rein rechnerische Nachführung
des Sensors 13, ohne dass eine Neupositionierung des Sensors 13 nötig wird.
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Durch
die Auswertung der Periodendauer T können Rückschlüsse auf die Teilgenauigkeit
und Wiederholgenauigkeit gezogen werden. Zur Bestimmung der Teilgenauigkeit
müssen
entsprechend der geforderten Winkellagen mehrere Periodenlängen der
Verzahnung zusammengefasst werden. Die Wiederholgenauigkeit wird
durch Auswertung aller Periodenlängen
einer Verzahnung ermittelt.
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4 zeigt
eine abgewandelte Anordnung zur Vermessung der Verzahnung mit einer
Sensoranordnung in radialer Richtung.
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Das
Werkstück 01 mit
der Axialverzahnung 02 ist wie in 1 beschrieben,
in der Aufnahme 09 positioniert, welche mit Hilfe der Antriebsspindel 12 in eine
Drehbewegung versetzt wird, wie sie mit dem Pfeil angegeben ist.
Der Sensor 13 ist radial zur Drehachse 11 auf
die Verzahnung 02 gerichtet. Die Signale des Sensors 13 werden
zu einer nicht dargestellten Signalverarbeitungseinheit weitergeleitet
und in der Auswertungseinheit ausgewertet.
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Eine
solche Anordnung ist auch zur Vermessung einer Radialverzahnung
geeignet, wobei das Messprinzip gemäß 3 angewendet
wird.
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Für die Verbesserung
des Messergebnisses bei radialer Sensoranordnung können Schablonen 18 den
Messbereich definieren, wie sie beispielhaft in 5 dargestellt
sind. Die Schablonen 18 bilden die optimale Zahnform bzw.
Zahngrundform in positiver oder negativer Weise nach, um das Messsignal
im Vergleich mit der Schablone generieren zu können.
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6 zeigt
dazu beispielhaft die Anwendung einer Zahnform-Schablone 18,
welche bei der Messung den Zahn 04 abdecken soll. Der Sensor
tastet einen Messfleck 19 ab und stell im dargestellten
Beispiel fest, dass ein Maximalwert des Messsignals überschritten
wird, da der Zahn 04 die Schablone 18 überschreitet.
Dies kann aufgrund eines zu groß ausgebildeten
Zahns oder eines fehlerhaft positionierten Zahns der Fall sein.
Mit Hilfe weiterer Schablonen können
ergänzende
Messungen vorgenommen werden.
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weitere Größen
- a
- Messabstand
- k
- Abstand
des Sensors vom Zahngrund
- x
- Periodenlänge eines
Zahnes und eines Zahngrundes
- HZ
- Höhe eines
Zahnes
- HG
- Höhe eines
Zahngrundes
- T
- Periodendauer
des Flankensignals
- z
- Zahnbreite