DE102009023722A1

DE102009023722A1 - Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds von Zahnrädern

Info

Publication number: DE102009023722A1
Application number: DE102009023722A
Authority: DE
Inventors: Matthis Laass; Nico Matuschek; Johann Aigner; Franz Feix
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds mindestens einer Zahnflanke eines Zahnradzahns, mit folgenden Schritten: - Auftragen eines Markierungsmittels auf die mindestens eine Zahnflanke, - Testlauf des Zahnrads, wobei das Zahnrad unter vorgegebenen Drehzahl- und Drehmomentbedingungen mit einem anderen Zahnrad kämmt, - Aufnehmen eines digitalen Farbbilds der mindestens einen Zahnflanke mittels einer Digitalkamera. Das Farbbild wird anschließend auf der Basis eines vorgegebenen Schwellwerts oder mehrerer vorgegebener Schwellwerte in ein Binärbild bzw. in mehrere Binärbilder transformiert. Das mindestens eine Binärbild wird dann anhand mindestens eines Vergleichskriteriums mit einem zugeordneten Referenzkriterium verglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds eines Zahnrads gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 198 40 969 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Anmeldung gehören ferner die US 5 373 735 , EP 824 679 B1 , WO 2008 076060 A1 sowie die DE 36 38 726 A1 .
Zur Analyse der Verzahnungstragbilder eines Radsatzes werden die Zähne der miteinander kämmenden Zahnräder mit einer pastenartigen Substanz bestrichen. Anschließend wird der Radsatz in einer Prüfmaschine bei einer vorgegebenen Drehzahl und einer definierten Drehmomentbelastung betrieben. Nach dem „Prüflauf” wird das Tragbild eines oder beider Zahnräder des Radsatzes in einer Sichtkontrolle, d. h. mit bloßem Auge, mit dem Soll-Tragbild eines Referenzradsatzes verglichen. Eine „Dokumentation” der Tragbilder erfolgt bislang häufig mittels Fotografien, welche freihändig durchgeführt werden und somit nur eine geringe Reproduzierbarkeit aufweisen. Eine derartige Sichtprüfung ist naturgemäß subjektiv geprägt. Eine exakte, objektiv wiederholbare Bestimmung der Lage und Größe der Tragbilder der Zahnräder auf den jeweiligen Zahnflanken ist hiermit nicht möglich.
Bei dem in der eingangs erwähnten DE 198 40 969 A1 beschriebenen Verfahren wird das Tragbild einer Hypoidverzahnung auf der Basis von Grauwertbildern durchgeführt. Eine Schwierigkeit dabei ist, dass zwischen der Zahnflanke und dem zu analysierenden Tragbild nur ein relativ geringer Kontrast besteht, was eine genauere Analyse des Tragbilds erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds eines Zahnrads, insbesondere eines Zahnrads mit Hypoidverzahnung anzugeben, das eine möglichst exakte und objektive Bewertung des Tragbilds ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds mindestens einer Zahnflanke eines Zahnradzahns, wobei zunächst ein Markierungsmittel auf die mindestens eine Zahnflanke aufgetragen und anschließend ein „Prüflauf” durchgeführt wird. Vorzugsweise wird das Markierungsmittel auf alle Zahnflanken des zu untersuchenden Zahnrads aufgebracht. In dem Prüflauf kämmt das Zahnrad unter vorgegebenen Drehzahl- und Drehmomentbedingungen mit einem anderen Zahnrad. Zudem sind die geometrischen Bedingungen des Zahneingriffs vorgegeben, was eine Voraussetzung für spätere Vergleiche bzw. Referenzierungen ist. So ist z. B. für eine zu untersuchende Kegelradstufe die Position des Antriebskegelrads relativ zu dem Tellerrad vorgegeben.
Nach oder „dynamisch” während des Testlaufs wird von der zu untersuchenden Zahnflanke mittels einer Kamera, vorzugsweise mittels einer Digitalkamera (CCD Kamera) eine Farbbildaufnahme gemacht.
Gemäß der Erfindung erfolgt die eigentliche Tragbildanalyse nicht auf der Basis der Farbbildaufnahme, sondern auf der Basis eines bzw. mehrerer hieraus erzeugter Binärbilder. Hierzu wird das Farbbild auf der Basis eines vorgegebenen Schwellwerts oder auf der Basis mehrerer vorgegebener Schwellwerte in ein Binärbild bzw. in mehrere Binärbilder transformiert. Das bzw. die Binärbilder werden dann anhand mindestens eines Vergleichs kriteriums mit einem zugeordneten Referenzkriterium verglichen, was letztlich eine qualitative Bewertung des Tragbilds ermöglicht.
Der Begriff „Binärbild” beschreibt eine Rastergrafik, deren Pixel lediglich zwei verschiedene Farben, z. B. Schwarz bzw. Weiß, annehmen können. Jedes Pixel kann also mit einem Bit gespeichert werden. Mathematisch kann ein Binärbild durch eine Matrize beschrieben werden, deren Felder z. B. aus Nullen bzw. Einsen bestehen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das von der (Digital-)Kamera aufgenommene Farbbild in dem sogenannten RGB-Format, gespeichert. Viele moderne Digitalkameras können Farbbilder wahlweise in einem RGB-Format speichern. Der Begriff „RGB-Format” bedeutet, dass für Farbanteile der drei Farben Rot, Grün und Blau eines Bildes getrennte Teilbilder existieren und in jedem Teilbild die Helligkeit der einzelnen Pixel als „Grauwerte” angezeigt wird.
Vorzugsweise wird das erfasste Farbbild vor dem Abspeichern im RGB-Format mittels eines Softwaretools eingelesen und auf den auszuwertenden Bildbereich „zugeschnitten”.
In einem weiteren Schritt wird das im RGB-Format vorliegende Bild mittels einer Transformationssoftware in ein sogenanntes HSV-Format transformiert. Das Akronym „HSV” steht für „Hue”, „Saturation” und „Value”. Der sogenannte HSV-Farbraum ist ein dreidimensionaler Raum bzw. ein Farbmodell, welches die Farbe der einzelnen Pixel eines Bildes durch ihren jeweiligen Farbton (Hue), ihre jeweilige Farbsättigung (Saturation) und ihre jeweilige Helligkeit (Value) beschreibt. Die für eine Bildtransformation vom RGB-Format in das HSV-Format erforderlichen Abbildungsvorschriften sind aus der Fachliteratur hinlänglich bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben werden.
Das im HSV-Format vorliegende Bild einer zu untersuchenden Zahnflanke kann anschließend mittels einer linearen Abbildung Pixel für Pixel in ein Graustufenformat transformiert werden. Die Transformationsvorschrift für die einzelnen Pixel p_xy eines Bildes, das aus x Zeilen und y Spalten besteht, kann z. B. folgendermaßen aussehen: pxy, Graustufenformat = a·Huexy + b·Saturationxy + c·Helligkeitxy;
Das ”Graustufenbild” zeigt die zu untersuchende Zahnflanke als „Schwarz-Weiß-Bild”, d. h. in verschiedenen Graustufen. Die Transformation vom HSV-Format in ein Graustufenformat hoher Auflösung hat den Vorteil, dass das Tragbild sehr kontrastreich darstellbar ist, was für die weitere Analyse wichtig ist.
Zur späteren Bestimmung der Lage des Tragbilds muss der Bildbereich der die Zahnflanke darstellt selektiert werden. Dieser Bereich wird auch „Region of Interest” (ROI) genannt. Die Selektion des ROI kann z. B. „manuell” mittels einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware erfolgen oder auch automatisiert, sofern die Software in der Lage ist, Zahnflankenbereiche von Bildbereichen außerhalb der zu untersuchenden Zahnflanke zu unterscheiden.
Auf der Basis des Grauwertbildes wird dann eine Schwellwertanalyse durchgeführt. Sehr anschaulich kann dies in einem Histogramm dargestellt werden. Auf der Abszisse können die unterschiedlichen Graustufen des Grauwertbildes aufgetragen werden. Das Grauwertbild kann beispielsweise aus 2⁸ = 256 Graustufen bestehen. Auf der Ordinate wird die Häufigkeit der einzelnen Graustufen des Grauwertbildes aufgetragen, d. h. wie oft Pixel der einzelnen Grauwertstufen im Grauwertbild vorkommen. Anschließend wird ein Schwellwert bzw. werden mehrere Schwellwerte definiert. Mittels einer Schwellwertfunktion, welche z. B. sämtlichen Grauwerten unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts eine „Null” zuordnet und allen Grauwerten oberhalb des Schwellwerts eine „Eins” zuordnet, kann aus dem Grauwertbild ein Binärbild erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung werden vorzugsweise mindestens oder genau zwei Binärbilder erzeugt. Die Schwellwerte für die Erzeugung der Binärbilder werden so gewählt, dass eines der Binärbilder möglichst exakt den sogenannten „Kerntragbereich” des Tragbilds zeigt und ein anderes bzw. das andere Binärbild möglichst exakt den sogenannten „Gesamttragbereich” des Tragbilds zeigt.
Für eine Bewertung eines zu analysierenden Tragbilds können die beiden Binärbilder grafisch überlagert dargestellt und mit einem Referenz- bzw. Optimaltragbild anhand eines oder mehrerer Vergleichskriterien verglichen werden. Vor der Auswertung bzw. Überlagerung der Binärbilder kann eine Flächenselektierung durchgeführt werden, wodurch Störflächen, die außerhalb des Gesamttragbilds liegen, unterdrückt (z. B. geschwärzt) werden.
Ferner können sowohl das Kern- als auch das Gesamttragbild isoliert einer morphologischen Kantenglättung unterzogen werden. Diese „Glättungsoperation” sorgt für relativ glatte Tragbildränder; kleinste Störpixel, welche das spätere Auswertungsergebnis verfälschen könnten, werden dabei eliminiert. Zudem sorgt dieses Verfahren für die Eliminierung von auftretenden Störflächen innerhalb des Tragbilds. Diese Filterung ermöglicht eine anschließende Flächenselektion und ist Voraussetzung für die Wahl der für das Tragbild repräsentativen Binärbilder.
Auf Basis der einzelnen Binärbilder oder der überlagerten Binärbilder kann automatisiert mittels einer entsprechenden Auswertesoftware die Position und die Geometrie des Kern- und des Gesamttragbilds ermittelt bzw. berechnet werden. Für die eigentliche Tragbildanalyse kann das Tragbild zeilen- oder spaltenweise abgescannt werden. Beispielsweise können die „Extremwerte bzw. Extrems des Tragbilds” für jede Hauptrichtung des Kern- oder Gesamttragbilds ermittelt werden und z. B. farblich markiert und dargestellt werden. Ferner kann der (minimale) Abstand des Kern- oder Gesamt tragbilds zum Zahnflankenrand bzw. zum Rand des Zahns ermittelt bzw. berechnet werden. Insbesondere kann das Minimum, d. h. der kleinste Abstand des Kern- bzw. Gesamttragbilds zur Zahnflanke ermittelt werden. Durch entsprechende Algorithmen kann zusätzlich zur Position bzw. Lage des Kern- bzw- Gesamttragbilds auf der Zahnflanke auch dessen Flächeninhalt, Flächenschwerpunkt, Länge und Breite sowie der Winkel der Hauptträgheitsachsen des Tragbilds bestimmt und graphisch dargestellt werden. All diese Eigenschaften können bei der Qualitätskontrolle als „Vergleichskriterien” verwendet, d. h. mit zugeordneten Referenz- bzw. Optimalwerten verglichen werden.
Die von der Auswertesoftware gelieferten Messdaten wie z. B. Tragbild-position, Tragbildfläche, Tragbildschwerpunkt etc. können als ASCII Daten gespeichert und mittels eines handelsüblichen Softwarepakets weiterverarbeitet werden. Von der Auswertesoftware generierte Visualisierungen können im datenreduzierten JPEG-Format gespeichert werden.
Aufgrund der Möglichkeit der Speicherung der Messdaten in üblichen Dateiformaten können diese in gängigen Datenbanksystemen für eine systematische Analyse bereitgestellt und z. B. für eine Prozesssteuerung, die Qualitätskontrolle und/oder die Entwicklung genutzt werden.
Das beschrieben Verfahren kann auch unabhängig von Prüfmaschinen für Verzahnungen angewendet werden. Denkbar ist eine Anwendung in der Getriebemontage vor dem Verschießen des Getriebes bzw. vor dem Aufbringen des Getriebedeckels. Der Testlauf kann also im bereits vormontierten Getriebe stattfinden. Das auf einer Prüfmaschine generierte Verzahnungstragbild eines Referenzradsatzes kann dann mit dem Verzahnungstragbild des Radsatzes im aufgebauten Getriebe verglichen werden, was eine optimale Montage des Radsatzes im Getriebe ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19840969 A1 [0002, 0004]
- US 5373735 [0002]
- EP 824679 B1 [0002]
- WO 2008076060 A1 [0002]
- DE 3638726 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung und Bewertung des Tragbilds mindestens einer Zahnflanke eines Zahnradzahns, mit folgenden Schritten: – Auftragen eines Markierungsmittels auf die mindestens eine Zahnflanke, – Testlauf des Zahnrads, wobei das Zahnrad unter vorgegebenen Drehzahl- und Drehmomentbedingungen mit einem anderen Zahnrad kämmt, – Aufnehmen eines Farbbilds der mindestens einen Zahnflanke mittels einer Kamera, insbesondere eines digitalen Farbbilds mittels einer Digitalkamera, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbbild auf der Basis eines vorgegebenen Schwellwerts oder mehrerer vorgegebener Schwellwerte in ein Binärbild bzw. in mehrere Binärbilder transformiert wird und dass das mindestens eine Binärbild anhand mindestens eines Vergleichskriteriums mit einem zugeordneten Referenzkriterium verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbbild in ein Grauwertbild zwischentransformiert wird und dass das Grauwertbild auf der Basis des mindestens einen Schwellwerts in ein bzw. mehrere Binärbilder transformiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbbild in genau zwei Binärbilder transformiert wird, wobei der erste Schwellwert so gewählt ist, dass das zugeordnete erste Binärbild einen Kerntragbereich des Tragbilds abbildet und der zweite Schwellwert so gewählt ist, dass das zugeordnete zweite Binärbild den Gesamttragbereich des Tragbilds abbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Binärbilder einander überlagert graphisch dargestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbbild in einem RGB-Format gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das im RGB-Format vorliegende Farbbild in ein HSV-Format transformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im HSV-Format vorliegende Farbbild mittels einer linearen Abbildung in ein Graustufenformat transformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das im Graustufenformat vorliegende Farbbild auf der Basis des mindestens einen vorgegebenen Schwellwerts in das mindestens eine Binärbild transformiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbbild der mindestens einen Zahnflanke bei drehendem Zahnrad während des Testlaufs oder im Anschluss an den Testlauf bei stehendem Zahnrad aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Binärbilder mindestens einer morphologischen Operation unterzogen werden, wodurch eine Glättung von Bildkanten erreicht wird und/oder die Anzahl von Störpixeln reduziert wird und/oder Flächen generiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad in ein Getriebe eingebaut und der Testlauf mit dem in das Getriebe eingebauten Zahnrad durchgeführt wird.