DE102015204554B4

DE102015204554B4 - Verfahren zum Prüfen von Zahnrädern

Info

Publication number: DE102015204554B4
Application number: DE102015204554.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Annast; Anton Wildfeuer; Huchen MScZhang
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2035-03-14
Also published as: DE102015204554A1; WO2016146276A1; US20170356824A1; CN107003207B; US10371597B2; CN107003207A

Abstract

Prüfvorrichtung zum Durchführen eines optischen Prüfverfahrens für ein Zahnrad mit, einer ersten Kamera zum Erfassen von Bilddaten von einer ersten Art von Zahnflanken des zu prüfenden Zahnrads, einem Positionssensor zum Ermitteln einer Drehstellung des zu prüfenden Zahnrades, einer Steuerungseinrichtung zum Auswerten der von diesem Positionssensor ermittelten Drehstellung und zum Ansteuern der Kamera auf Basis dieser Drehstellung und einer ersten Beleuchtungseinrichtung die zum Beleuchten eines Bereichs des zu prüfenden Zahnrads eingerichtet ist, der zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Zahnrädern mit wenigstens einer optischen Prüfmethode. Optische Prüfverfahren und Vorrichtungen zum Durchführen dieser sind aus dem Stand der Technik, insbesondere DE 10 2009 023 722 A1 , bekannt.
Nachfolgend wird die Erfindung in Zusammenhang mit Kegelrad- und Hypoidzahnrädern für Großserienachsgetriebe von Kraftfahrzeugen beschrieben, dies ist jedoch nicht als eine Beschränkung der Erfindung zu verstehen.
Die Zahnräder für derartige Achsgetriebe werden vor ihrer Verwendung auf sogenannten Laufprüfmaschinen hinsichtlich geometrischer Abweichungen, beispielsweise Rundlauf, und hinsichtlich weiterer Parameter, beispielsweise der Lage- und Größe des Tragbildes, geprüft. Damit soll bereits vor der tatsächlichen Verwendung dieser das Lauf- und Geräuschverhalten der miteinander in Eingriff befindlichen Zahnräder beurteilt werden.
Neben den genannten Parametern ist das Lauf- und Geräuschverhalten noch von weiteren Einflussfaktoren abhängig. Zu diesen Einflussfaktoren zählen beispielsweise Materialablagerungen oder Abtragungen auf den Zahnflanken, allgemein Oberflächenbeschädigungen, und die Art und Weise der Feinbearbeitung der Zahnflanken, sogenannte Mikrogeometrie der Zahnflanken.
Bisherige optische Prüfverfahren basieren meist auf einem Farbauftragverfahren, bei welchem auf wenigstens eines der Zahnräder und hier insbesondere auf die Zahnflanken, eine Prüffarbe aufgetragen wird.
Danach werden die beiden Zahnräder auf der Laufprüfmaschine miteinander in Eingriff gebracht und mit einem Prüfdrehmoment beaufschlagt. Durch Abwälzen der Zahnräder wird der Farbauftrag in den Bereichen, in welchen sich die Zahnräder zur Bewegungsübertragung kontaktieren, abgetragen. Sobald sich ein stationärer Zustand dieses Farbabtrags eingestellt hat, werden einzelne Bilddaten von der Zahnflanke mit einem Kamerasystem erfasst wenn sich die Zahnräder im Stillstand befinden. Durch eine entsprechende Bilddatenauswertung kann die Tragbildlage und -größe automatisiert bewertet werden.
Die US 2006/0029257 A1 und die US 2007/0058854 A1 und die US 5 373 735 A befassen sich mit Vorrichtungen und Verfahren zum Prüfen von Zahnrädern.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Prüfverfahren für Zahnradpaare, insbesondere mit gekreuzten Achsen, anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß werden zwei unterschiedlichen optischen Prüfmethoden zur Beurteilung des Lauf- und Geräuschverhaltens des Zahnradpaares durchgeführt. Dabei werden diese optischen Prüfmethoden, wenigstens aber die Erfassung von Bilddaten, ausgeführt, während ein zu prüfendes Zahnrad mit einer Prüfdrehzahl rotiert. Als Zahnrad im Sinne der Erfindung sind insbesondere Zahnräder zur formschlüssigen Bewegungs- und Leistungsübertragung zu verstehen, vorzugsweise Stirnräder, Kegel- oder Hypoidräder, Schnecken- oder Schraubräder und Kronräder.
Um eine besonders exakte Bilddatenerfassung zu ermöglichen, ist wenigstens ein Positionssensor vorgesehen, welcher die Drehstellung des zu prüfenden Zahnrades erfasst, sobald sich dieses in einer Prüfstellung befindet, wird eine Kamera derart angesteuert, dass diese Bilddaten von einer Zahnflanke dieses Zahnrades erfasst und zur Weiterverarbeitung durch eine der optischen Prüfmethoden bereitstellt.
Weiter ist die erste optische Prüfmethode insbesondere dazu vorgesehen um Beschädigungen an der zu prüfenden Zahnflanke, insbesondere der Oberfläche dieser, zu beurteilen und die zweite optische Prüfmethode ist insbesondere dazu vorgesehen, die Ausbildung eines Tragbildes, beziehungsweise die Größe und Lage einer Kontaktfläche zwischen dem zu prüfenden Zahnrad und einem weiteren Zahnrad, welches mit diesem in Eingriff bringbar ist, zu beurteilen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen vor dem Ausführen der zweiten optischen Prüfmethode eine Prüfmediumsschicht, insbesondere einen Tragbildlack, auf die zu prüfenden Bereiche des Zahnrades aufzutragen.
Weiter vorteilhaft ist es vorgesehen, dass eine der optischen Prüfmethoden wenigstens teilweise zeitgleich zu einer weiteren Prüfmethode, welche insbesondere auf der Messung einer Zahnradgeometrie beruht, ausführbar ist. Insbesondere ist unter einer derartigen weiteren Prüfmethode eine Rundlaufprüfung, eine Einflankenwälzprüfung oder andere, insbesondere Standard, Zahnradmessprozeduren zu verstehen.
Dadurch, dass die Prüfmediumsschicht vor der zweiten optischen Prüfmethode und vorzugsweise zwischen den beiden optischen Prüfmethoden, aufgetragen wird, kann mit der ersten Prüfmethode besonders gut die Mikrogeometrie, insbesondere also die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens einer der Zahnflanken beurteilt werden, während mit der zweiten Prüfmethode, insbesondere die Tragbildlage und -größe, besonders gut beurteilbar ist. Weiter vorzugsweise werden mehrere erste Prüfmethoden und oder mehrere zweite Prüfmethoden ausgeführt.
Im Sinne der Erfindung ist eine Prüfvorrichtung zum Durchführen eines optischen Prüfverfahrens mit einer Zahnradprüfmaschine, insbesondere mit gekreuzten oder parallelen Achsen, kombinierbar oder in diese integrierbar. Vorzugsweise ist eine derartige Prüfvorrichtung zum Prüfen wenigstens eines Zahnradpaares vorgesehen und kann dieses dazu mit einer vorgebbaren Drehzahl antreiben und mit einem vorgebbaren Drehmoment belasten. Weiter vorzugsweise ist die Prüfvorrichtung zum Aufnehmen von Messwerten eingerichtet, insbesondere zum Durchführen einer Rundlaufprüfung und einer Einflankenwälzprüfung, weiter vorzugsweise ist die Prüfvorrichtung als eine Laufprüfmaschine, insbesondere für Kegel- oder Hypoidräder oder eine Prüfmaschine zum Prüfen von Stirnrädern ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung ist unter der Prüfstellung, die Stellung des zu prüfenden Zahnrades zu verstehen, in welcher von einer der Kameras Bilddaten von dem zur Überprüfung vorgesehenen Bereich des Zahnrades aufnehmbar sind. Vorzugsweise ist unter der Prüfstellung ein bestimmter Drehweg zu verstehen, welchen das zu prüfende Zahnrad während der Belichtungsdauer der Kamera, welche die Bilddaten erfasst, überstreicht.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Zahnflanke der Bereich eines Zahnrades zu verstehen, der unmittelbar von einem weiteren Zahnrad zur Bewegungsübertragung auf dieses weitere Zahnrad kontaktierbar ist. Im Sinne der Erfindung ist unter einer ersten Art von Zahnflanken eine erste Gruppe von Zahnflanken eines Zahnrades zu verstehen, welche sich bezüglich ihrer geometrischen Eigenschaften wenigstens ähnlich oder identisch sind. Vorzugsweise sind unter einer ersten Art von Zahnflanken sämtliche Vorderflanken und unter einer zweiten Art von Zahnflanken sämtliche Rückflanken eines Zahnrades zu verstehen. Weiter vorzugsweise sind unter einer ersten Art von Zahnflanken die Schub- oder Zugflanken und unter einer zweiten Art von Zahnflanken die Zug- oder Schubflanken zu verstehen, so dass durch diese beiden Arten von Zahnflanken insbesondere sämtliche Zahnflanken eines Zahnrades erfasst sind.
Im Sinne der Erfindung ist unter der Bilddatenerfassung die Erfassung eines, insbesondere optischen, Abbildes, wenigstens einer Zahnflanke oder einer Art von Zahnflanken zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist unter den erfassen Bilddaten ein Foto wenigstens einer Zahnflanke des zu prüfenden Zahnrades zu verstehen und bevorzugt wenigstens ein Farbbild einer solchen Zahnflanke, weiter vorzugsweise mehrerer Zahnflanke und besonders bevorzugt sämtlicher Zahnflanken.
Weiter vorzugsweise sind die Bilddaten derart erfasst, dass diese auf einer Datenverarbeitungsanlage mittelbar oder unmittelbar speicherbar und von dieser verarbeitbar sind, insbesondere liegen diese in Form wenigstens eines Digitalbildes vor. Vorzugsweise ist unter der Bilddatenerfassung damit die Aufnahme eines digitalen Bildes, vorzugsweise eines digitalen Farbbildes zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer ersten Prüfmethode eine auf den erfassten Bilddaten basierende Methode zu verstehen, wobei für die erste Prüfmethode die Erfassung der Bilddaten vor dem Auftrag der Prüfmediumsschicht auf die Zahnflanken erfolgt.
Weiter ist im Sinne der Erfindung unter einer zweiten Prüfmethode eine auf den erfassten Bilddaten basierende Methode zu verstehen, wobei für die zweite Prüfmethode die Bilddaten nach dem Auftrag der Prüfmediumsschicht auf die Zahnflanken erfolgt. Weiter vorzugsweise können mehrere erste und/oder mehrere zweite Prüfmethoden durchgeführten werden.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung als ein kamerabasiertes Prüfsystem in die Laufprüfmaschine integrierbar. Vorzugsweise weist die Prüfvorrichtung wenigstens eine, vorzugsweise aber zwei Kameras, insbesondere digitale Kameras, auf. Diese Kameras sind in einem oder mehreren Schutzgehäusen mit vorzugsweise wenigstens einer Schutzklappe angeordnet. Weiter vorzugsweise weist das kamerabasierte Prüfsystem eine Beleuchtungseinrichtung auf. Dabei ist das Schutzgehäuse derart ausgebildet, dass die Kameras vor Verschmutzung und äußeren mechanischen Einflüssen geschützt sind. Weiter ist die Beleuchtung derart eingerichtet, dass mit dieser wenigstens eine Zahnflanke, welche zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist, beleuchtbar ist. Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung ein Beleuchtungsgehäuse zum Schutz vor äußeren Einflüssen auf, bevorzugt ist die Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer der Kameras in diesem Schutzgehäuse angeordnet. Vorzugsweise ist die Beleuchtungseinrichtung als eine stroboskopische Lichtquelle ausgebildet. Vorzugsweise ist darunter zu verstehen, dass die Beleuchtungseinrichtung zeitweise Lichtstrahlen zur Beleuchtung der Zahnflanke aussendet, welche zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist (erster Betriebsmodus) und zeitweise keine Lichtstrahlen für diese Beleuchtung aussendet (zweiter Betriebsmodus).
Vorzugsweise weist die Prüfvorrichtung mehrere Beleuchtungsvorrichtungen auf, vorzugsweise entspricht die Anzahl der Beleuchtungseinrichtungen der Anzahl der Kameras, welche zur Bilddatenerfassung vorgesehen sind. Vorzugsweise kann für mehrere Beleuchtungseinrichtungen eine Lichtquelle vorgesehen sein, bevorzugt weist jede Beleuchtungseinrichtung eine eigene Lichtquelle auf. Weiter vorzugsweise ist die Anzahl der Beleuchtungseinrichtungen geringer als die Anzahl der Kameras. Vorzugsweise wird eine, bevorzugt zwei und besonders bevorzugt werden drei oder eine Vielzahl von
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere auf Grund der Oberflächenbeschaffenheit von Zahnrädern, eine bestimmte Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung zu einer besonders vorteilhaften Bilddatenerfassung beiträgt. Vorzugsweise ist die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung aus einem bestimmten Bereich ausgewählt, dieser ist vorzugsweise größer als 200000 lux, weiter vorzugsweise größer als 400000 lux, bevorzugt größer als 550000 lux und weiter vorzugsweise kleiner als 1200000 lux, vorzugsweise kleiner als 750000 lux und bevorzugt kleiner als 650000 lux und ganz besonders bevorzugt ist die Beleuchtungsstärke wenigstens im Wesentlichen 610000 lux. Weiter vorzugsweise ist die Beleuchtungsstärke von wenigstens zwei Beleuchtungseinrichtung gleich groß und bevorzugt ist die Beleuchtungsstärke aller Beleuchtungseinrichtung gleich. Weiter vorzugsweise ist die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung steuerbar, vorzugsweise dimmbar.
Weiter wurde festgestellt, dass die Bilddatenerfassung vorteilhaft beeinflussbar ist, wenn die Beleuchtungseinrichtung in einem bestimmten Abstandsbereich von dem zur Bilddatenerfassung vorgesehenen Bereich des zu prüfenden Zahnrades angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Abstand der Beleuchtungseinrichtung von diesem Bereich größer ist als 10 mm, weiter vorzugsweise größer ist als 25 mm, bevorzugt größer ist als 50 mm und besonders bevorzugt größer ist als 125 mm und weiter vorzugsweise kleiner als 750 mm, vorzugsweise kleiner als 500 mm, bevorzugt kleiner als 300 mm und besonders bevorzugt kleiner als 250 mm und ganz besonders bevorzugt wenigsten im Wesentlichen 200 mm ist. Weiter vorzugsweise wurde festgestellt, dass sich die Kombination aus Beleuchtungsstärke und Abstand der Beleuchtungseinrichtung besonders vorteilhaft auf die erfassten Bilddaten auswirken.
Weiter ist das optische Prüfsystem so eingerichtet, dass mit einer der Kameras die Bilddaten der Zahnflanken der Schub-(Schubflanke) und mit der anderen die Zahnflanken der Zugseite (Zugflanke) des zu prüfenden Zahnrades erfassbar sind. Insbesondere durch diese Aufteilung der Kameras ist ein besonders effizientes Prüfen der Zahnräder ermöglicht.
Vorzugsweise werden die Bilddaten mit einer bestimmten Belichtungsdauer oder Belichtungszeit erfasst, welche aus nachfolgend dargestelltem Bereich ausgewählt ist. Unter der Belichtungsdauer/-zeit ist im Sinne der Erfindung die Zeitspanne zu verstehen, in der ein photosensibles Medium (z. B. CMOS- oder CCD-Sensor) zur Aufzeichnung eines Bildes, also zur Erfassung der Bilddaten, dem Licht ausgesetzt ist. Es hat sich gezeigt, dass bei kurzen Belichtungsdauern die Qualität der erfassten Bilddaten nicht ausreichend ist, insbesondere weil bekannte optische Kameras die Bilddaten nicht schnell genug erfassen können. Weiter hat sich gezeigt dass eine lange Belichtungsdauer ebenfalls zu einer nicht ausreichenden Qualität der erfassten Bilddaten führt. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Belichtungsdauer die aus einem Bereich ausgewählt ist, der vorzugsweise größer ist als 2 μs (Mikrosekunden), weiter vorzugsweise größer ist als 25 μs und bevorzugt größer ist als 70 μs und weiter kleiner ist als vorzugsweise 500 μs, weiter vorzugsweise kleiner ist als 250 μs, bevorzugt kleiner ist als 120 μs und ganz besonders bevorzugt ist die Belichtungszeit, wenigstens im Wesentlichen, 100 μs. Insbesondere bei einer derartigen Belichtungsdauer ist es ermöglicht, Bilddaten mit ausreichender Qualität in kurzer Zeit zu erfassen. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass beide Kameras mit einer Belichtungsdauer aus diesem Bereich für die Belichtungsdauer arbeiten, vorzugsweise arbeiten die Kameras mit der gleichen Belichtungsdauer.
Um qualitative ausreichend gute Bilder der Zahnflanken aufzunehmen, ist es vorzugsweise vorgesehen, wenigstens eine der Kameras, vorzugsweise beide, mittels dieses wenigstens einen Positionssensors anzusteuern, beziehungsweise die Bilddatenerfassung mittels dieses Positionssensors zu triggern. Dabei ist unter diesem Ansteuern insbesondere zu verstehen, dass die Kamera Bilddaten von dem zu prüfenden Bereich des Zahnrades erfasst. Der Positionssensor ist also dazu eingerichtet, die Drehstellung wenigstens eines der Zahnräder, vorzugsweise des zu prüfenden Zahnrades, zu erfassen. Diese Erfassung der Drehstellung kann unmittelbar an einem der Zahnräder erfolgen oder mittelbar an einer Welle, welche direkt oder über eine Übersetzung mit einem der Zahnräder verbunden ist. Weiter vorzugsweise wird die Beleuchtungseinrichtung ebenfalls basierend auf dieser erfassten Drehstellung angesteuert. Vorzugsweise gibt die Beleuchtungseinrichtung in Abhängigkeit von einer Umlauffrequenz des zu prüfenden Zahnrades, beziehungsweise der Prüfdrehzahl, Lichtstrahlen zur Beleuchtung des Bereichs der zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist ab. Vorzugsweise kann die Ansteuerung der Belichtungseinrichtung mittelbar über eine der Kameras erfolgen.
Beispielsweise werden während eines ersten Prüfdurchlaufs, bei welchem beispielsweise eine Rundlaufprüfung durchgeführt wird, die Zahnflanken per Kamerasystem (erste und/oder zweite Kamera und wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung) ohne auftragen einer Prüfmediumsschicht, also ohne Auftrag eines Tragbildlacks, aufgenommen (Bilddatenerfassung). Durch derartige Bilddaten ist dann die Oberflächenbeschaffenheit der Zahnflanken besonders gut beurteilbar. Diese Bilddaten dienen insbesondere zur Prüfung, ob Beschädigungen an der Zahnflankenoberfläche vorhanden sind, beispielsweise zur Beurteilung ob die Zahnflanken ausgeläppt sind. Solche „Fehler” der Zahnflanken können insbesondere mit einer der ersten optischen Prüfmethoden erkannt werden.
Vorzugsweise kann, nach dem die erste optische Prüfmethode durchgeführt wurde, beziehungsweise nach dem die Bilddaten für diese erfasst wurden, eine Prüfmediumsschicht auf das zu prüfende Zahnrad aufgetragen werden, insbesondere um Bilddaten für eine der zweiten optischen Prüfmethoden zu erfassen.
Weiter vorzugsweise ist es auch ermöglicht, dass die Bilddaten für die zweite optische Prüfmethode erfasst werden, ohne dass zuvor Bilddaten für eine der ersten optischen Prüfmethode erfasst wurden.
Nach der Farbauftragung, insbesondere also dem Aufbringen der Prüfmediumsschicht, werden die Tragbilder des zu prüfenden Zahnrades, beispielsweise während der Einflankenwälzprüfung, erfasst. Diese Bilddaten dienen zur Tragbilddetektion und -auswertung bzw. zur Prüfung, ob Fresser vorhanden sind. Insbesondere durch einen derartigen Prüfablauf ist die Effizienz weiter steigerbar.
Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können die Zahnflanken sowohl auf Beschädigungen und ausgeläppte Zahnflanken geprüft, als auch, insbesondere durch Auftragen einer Prüfmediumsschicht auf das zu prüfende Zahnrad, hinsichtlich der Tragbildausbildung geprüft werden. Erfindungsgemäß ist dies ohne ein Umspannen und weiter vorzugsweise ohne eine dadurch verursachte Unterbrechung in dem Prüfablauf ermöglicht.
Erfindungsgemäß schützt das Schutzgehäuse die Prüfvorrichtung und insbesondere die Kameras und weiter vorzugsweise auch die Beleuchtungseinrichtung. Vorzugsweise wird die Prüfvorrichtung derart geschützt, dass kein Prüfmedium an die Kameras und vorzugsweise auch nicht an die Beleuchtungseinrichtung gelangt. Insbesondere durch dieses Schutzgehäuse ist eine besonders hohe Wartungsfreiheit der Vorrichtung erreichbar und damit ist die Effizienz des Prüfsystems steigerbar.
Vorzugsweise werden die Bilddaten in Form von Farbbildern erfasst. Es hat sich gezeigt, dass mit Farbbildern eine besonders gute Fehlererkennung auf der Zahnflankenoberfläche erreichbar ist.
Die Auswertung und Bearbeitung der erzeugten Bilddaten wird in den verschiedenen Prüfmethoden, insbesondere erste und zweite Prüfmethode, nach vorzugsweise unterschiedlichen Algorithmen automatisch durchgeführt.
Vorzugsweise wird für die Erkennung von Fehlern, insbesondere um Beschädigungen im Bereich eines Zahnkopfes und vorzugsweise um Fehler an den Kopfkanten des zu prüfenden Zahnrades nachfolgend dargelegte erste Prüfmethode durchgeführt:

1. mittels eines Filters sind Objektdetails hervorhebbar, vorzugsweise ist die Kopfkante hervorhebbar (Unsharp Masking),
2. die Bilddaten in ein Grauwertbild transformiert,
3. die Farb- beziehungsweise Grauwertewerte invertiert,
4. Rauschen durch eine Medianfilterung verringert und somit die Schadstelle hervorgehoben,
5. ein Binärbild mittels des Segmentierungsverfahrens mit adaptiver Schwellwertmethode erzeugt,
6. das Binärbild auf den entsprechenden zu untersuchenden Bereich der Zahnflank, insbesondere den Bereich der Kopfkante, reduziert,
7. und noch einmal gefiltert, um nur noch eventuelle Schadstellen auf dem Bild darzustellen,
8. und so sind die Flächen der Schadstelle in dem untersuchten Bereich der Zahnflane identifizierbar.

Aus den aufgenommenen Bilddaten ist eine Fehlerfläche für eine einzelne, mehrere einzelne oder alle Zahnflanken, berechenbar. Dabei ergibt sich eine Fehlerfläche insbesondere in einer Abweichung eines Farb- oder Grauwerts von einem vorgebbaren Mittelwert.
Somit ist es ermöglicht, vorzugsweise eine kumulierte oder bevorzugt eine Einzelfehlerfläche zu berechnen und bei einem Überschreiten von Schwellwerten für einen Einzelfehler oder der gesamten Fehlerfläche werden diese als Beschädigung des untersuchten Zahnflankenbereichs interpretiert. Dabei beschreiben derartige Schwellenwerte vorzugsweise eine relative Fläche in Bezug auf die gesamte Fläche einer Zahnflanke oder eine absolute Flächengröße. Mit einer differenzierteren Methode ist auch die Schwere der Fehler in Abhängigkeit von der Feherlfläche bewertbar.
Nachfolgend wird eine Prüfmethode beschrieben, welche für die Fehlererkennung an nicht vollständig ausgeläppten Zahnflanken, also zur Erkennung von Oberflächenbeschädigungen an der zu prüfenden Zahnflanke, geeignet ist. Eine solche Prüfmethode ist als eine erste Prüfmethode anwendbar.
Dabei beruht diese Prüfmethode darauf, dass sich ausgeläppte Zahnflanken durch eine hellere und lichtreflektierende Oberfläche auszeichnen, diese können durch eine entsprechende Prüfmethode erkannt werden. Für die Erkennung derartiger Fehler wird vorgeschlagen dass,

1. mittels eines Filters Objektdetails der Zahnflanke hervorgehoben (Unsharp Masking),
2. das Bild in ein Grauwertbild transformiert,
3. Löcher (ein Gebiet mit dunklen Pixeln umgeben von helleren Pixeln) ausgefüllt,
4. Rauschen durch eine Medianfilterung verringert,
5. ein Binärbild mittels des Segmentierungsverfahrens mit adaptiver Schwellwertmethode erzeugt,
6. das Binärbild auf den entsprechenden zu untersuchenden Bereich (in diesem Fall Zahnflanke) reduziert,
7. kleine Ausreißer der gefunden Fläche werden heraus gefiltert,
8. und so die Fläche des Läppbereiches identifiziert

In einem weiteren Verfahrensschritt sind die so bearbeiteten Bilddaten mit einem Soll-Bereich für die Feinbearbeitung, insbesondere dem Soll-Läppbereich vergleichbar. Dieser Vergleich kann insbesondere in Form einer Differenzbildung oder Bildung einer Verhältniszahl erfolgen. Abschließend ist das Vergleichsergebnis mit einem Schwellwert vergleichbar wird dieser Schwellwert erreicht oder unterschritten so wird die Zahnflanke als nicht ausgeläppt definiert.
Mit den aufgenommenen Bilddaten sind auch weitere Fehler der Zahnflanken beurteilbar. Bei sogenannten Fressern handelt es sich im Sinne der Erfindung um Punktabdrücke durch Materialablagerungen und Materialabtragungen oder -ausbrüchen auf der Oberfläche der Zahnflanken. Um diese zu detektieren wird eine weitere optische Prüfmethode vorgeschlagen, welche ebenfalls auf Bilddaten basiert welche vorzugsweise vor oder bevorzugt nach dem Auftragen der Prüfmediumsschicht, insbesondere des Tragbildlacks, erfasst sind. Für diese Prüfmethode wird vorgeschlagen dass,

1. mittels eines Filters Objektdetails der Zahnflanke hervorgehoben (Unsharp Masking),
2. das Bild in ein Grauwertbild transformiert,
3. Rauschen durch eine Medianfilterung verringert,
4. ein Binärbild mittels des Segmentierungsverfahrens mit adaptiver Schwellwertmethode erzeugt,
5. das Binärbild auf den entsprechenden zu untersuchenden Bereich (in diesem Fall Zahnflanke) reduziert,
6. kleine Ausreißer heraus gefiltert,
7. und so die die Schadstelle bestimmt

Ist die Fläche der mit dieser Prüfmethode bestimmten Schadstelle größer als ein vorgebbarer Schwellenwert, ist diese Schadstelle als ein Fresser auf der Zahnflanke identifizierbar.
Bisherige optische Prüfverfahren zur Auswertungen des Tragbildes, wie diese beispielsweise in der DE 10 2009 023 722 A1 vorgeschlagen sind, basieren darauf, aus dem aufgenommen Farbbild-Bilddaten ein Grauwertbild zu Erzeugen und mittels eines bekannten Segmentierungsverfahrens mit globaler Schwellwertmethode ein Binärbild zu generieren. Dieses Binärbild ist zur Auswertung und Beurteilung des Tragbildes nutzbar.
Für diese zweite optische Prüfmethode, also die Prüfmethode die angewendet wird, nach dem eine Prüfmediumsschicht auf die Zahnflanken aufgetragen wurde, wird, insbesondere um ein qualitativ hochwertigeres Binärbild des Tragbildes zu erhalten, die Verwendung eines Segmentierungsverfahrens mit aktiver Kontur der Zahnflanken vorgeschlagen. Bei dieser zweiten optischen Prüfmethode wird die Objektkontur, insbesondere durch eine in einem Optimierungsverfahren bestimmte oder eine vorgebbare parametrische Kurve beschrieben und so ist die Fläche des Tragbildes genauer definierbar.
Das so erzeugte Ist-Bild wird dann vorzugsweise mit Soll-Kriterien, beispielsweise einer Mindesttragbildgröße, einer bestimmten Schwerpunktlage des Tragbilds oder weiteren geometrischen minimalen beziehungsweise maximalen Erstreckungen verglichen. Insbesondere durch derartige Vergleiche kann auf eventuelle Fehler des Tragbildes geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prüfvorrichtung an einer Einrichtung zum Prüfen von Stirnrädern (Ritzel/Rad) verwendbar. Eine derartige Einrichtung weist zum Aufnehmen eines Stirnradpaares achsparallele Wellen auf. Vorzugsweise ist wenigstens eine Kamera und wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung zum Erfassen von Bilddaten für zumindest eine der optischen Prüfmethoden auf eine Art der Zahnflanken, beispielsweise Rückflanke Ritzel, Vorflanke Ritzel, Rückflanke Rad, Vorflanke Rad, eines zu prüfenden Stirnrades ausgerichtet. Vorzugsweise sind mehrere Kameras und weiter vorzugsweise mehrere Beleuchtungseinrichtungen an dieser Einrichtung angeordnet, bevorzugt ist für jede zu prüfenden Art von Zahnflanken wenigstens eine Kamera und wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung an dieser Einrichtung angeordnet. Vorzugsweise sind für die Prüfung von Stirnrädern zwei Kameras und zwei Beleuchtungseinrichtungen an dieser Einrichtung angeordnet.
Bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgend dargestellten Figuren in teilweise schematisierter Art und Weise dargestellt.
Dabei zeigt:
1: eine perspektivische Ansicht der Prüfeinrichtung,
2: einen exemplarischen Verfahrensablauf,
3: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Prüfeinrichtung.
In 1 ist das zu prüfende Zahnradpaar 5 als ein Tellerrad 5a welches durch das Kegelritzel 5b kontaktierbar ist dargestellt. Die Zahnflanken des Tellerrades 5a werden mit der Laufprüfmaschine (nicht dargestellt) geprüft, dazu weist diese gekreuzte Achse auf. Zur Erfassung der Bilddaten von den Zahnflanen ist eine erste Kamera 1 und eine zweite Kamera 2 in einem Schutzgehäuse 3 angeordnet. In diesem Schutzgehäuse 3 ist auch die Beleuchtung 4 angeordnet.
Die erste Kamera 1 ist zur Erfassung der Bilddaten von der Schubseite der Zahnflanken ausgerichtet, die zweite Kamera 2 ist zur Erfassung der Bilddaten von der Zugseite der Zahnflanken.
Weiter weist die Prüfvorrichtung wenigstens einen berührungslosen Positionssensor 6 zur Erfassung der Drehstellung des Tellerrades 5a auf. Die Bilddatenerfassung wird mittels der vom Positionssensor 6 erfassten Drehstellung derart gesteuert, dass von den unterschiedlichen Zahnflanken Bilddatenerfasst werden, wenn sich diese in der jeweils gleichen Position befinden. Die von den Kameras 1, 2 erfassten Bilddaten werden auf eine elektronische Datenverarbeitungsanlage (nicht dargestellt) übertragen. Weiter kann auf dieser Datenverarbeitungsanlage das erfindungsgemäße Prüfverfahren ausgeführt werden.
In 2 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens exemplarisch dargestellt. Dabei ist in 2a die Drehzahl der Laufprüfmaschine über der Zeit, in 2b die Aktivität der Kameras über der Zeit und in 2c die Auswertetätigkeit der Datenverarbeitungsanlage über der Zeit dargestellt.
Zunächst wird das zu prüfende Zahnradpaar auf der Laufprüfmaschine aufgenommen und ausgerichtet. Danach wird beispielsweise der Rundlauf des Zahnradpaares geprüft, dazu wird dieses mit einer ersten Prüfdrehzahl n1 angetrieben. Dabei sind die Zahnflanken vorzugsweise metallisch blank. Weiter werden mit der ersten und der zweiten Kamera sowohl Bilddaten von den Zug- und den Schubflanken erfasst 1K. Diese Bilddaten werden wenigstens einer ersten Prüfmethode zugeführt da damit insbesondere solche Fehler besonders gut erkennbar sind, welche die Feingeometrie/Oberflächenbeschaffenheit der Zahnflanken betreffen.
Insbesondere werden die erfassten Bilddaten, vorzugsweise unmittelbar, nach dem Erfassen ausgewertet 1W. Somit ist es ermöglicht, dass, wenn die identifizierten Fehler auf den Zahnflanken einen Schwellwert übersteigen, der Prüfablauf an dieser Stelle beendet wird. Weiter ist es auch ermöglicht, dass nur ein Teil der erfassten Bilddaten ausgewertete wird oder diese zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgewertet werden.
Nachdem Fortsetzten des Prüfverfahrens wird zunächst die Prüfmediumsschicht auf die Zahnflanken aufgebracht, dies geschieht vorzugsweise bei einer relativ geringen Drehzahl n2, vorzugsweise ist diese geringer als die Prüfdrehzahl n1, um dadurch insbesondere einen gleichmäßigen Schichtauftrag zu ermöglichen.
Im weiteren Verlauf des Prüfverfahrens werden sowohl die Tragbilder der Zugflanken 2K, wie auch der Schubflanken 3K nacheinander durch Bilddatenerfassung und Ausführen einer der zweiten optischen Prüfmethoden untersucht. Dazu wird das Zahnradpaar mit der Prüfdrehzahl n3 angetrieben und mit Prüfdrehmoment beaufschlagt. Die Bilddatenerfassung und -auswertung 2W, 2K, 3W, 3K ist gleichzeitig mit weiteren Prüfmethoden, beispielsweise mit einer Einflankenwälzprüfung, durchführbar.
Das erfindungsgemäße Prüfverfahren ist somit in den „normalen” Prüfablauf integrierbar und trotz einer Verbesserung der Bewertung der Zahnräder, entsteht praktisch kein zeitlicher Nachteil.
Dabei ist der dargestellte Prüfablauf exemplarisch. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ist es ermöglicht die optischen Prüfmethoden einzeln und unabhängig auszuführen oder in Kombination miteinander, dabei ist es bevorzugt, dass zunächst eine der ersten optischen Prüfmethoden ohne Auftrag einer Prüfmediumsschicht und nach dieser eine zweite optische Prüfmethode mit einem Auftrag der Prüfmediumsschicht ausgeführt wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Prüfen von Zahnrädern. Die Vorrichtung weist eine erste Kamera 1 mit einer Beleuchtungseinrichtung 4a und eine zweite Kamera 2 mit einer weiteren Beleuchtungseinrichtung 4b auf. Die erste Beleuchtungseinrichtung 4a ist in einem ersten Beleuchtungsabstand l1 zur Beleuchtung einer ersten Art von Zahnflanken und die zweite Beleuchtungseinrichtung ist in einem Beleuchtungsabstand l2, zur Beleuchtung einer zweiten Art von Zahnflanken angeordnet. Die erste Kamera 1 ist, also zum Erfassen der Bilddaten von den Zahnflanken der Zugseite des zu prüfenden Zahnrades 5a eingerichtet und die zweite Kamera 2 ist zum Erfassen der Bilddaten von der zweiten Art der Zahnflanken der Schubseite eingerichtet. Der Positionssensor 6 erfasst berührungslos die Drehstellung des zu prüfenden Zahnrades 5a und steuert eine der Kameras 1, 2 und die zu dieser zugeordnete Beleuchtungseinrichtung 4a, 4b an, wenn sich der zur Bilddatenerfassung vorgesehene Bereich des Zahnrads 5a, also die zu prüfende Zahnflanke, in einer Prüfstellung befindet.
Ist die Prüfstellung durch den Positionssensor 6 erkannt, wird die Beleuchtungseinrichtung in ihren ersten Betriebszustand versetzt, und die Zahnflanken werden beleuchtet, so dass von der zugeordneten Kamera Bilddaten erfasst werden können. Nachdem die Bilddaten erfasst sind, wir die Beleuchtungseinrichtung wieder in ihren zweiten Betriebszustand versetzt.

Claims

Verfahren zum Prüfen wenigstens eines Zahnrads (5a, 5b) mit einer Prüfvorrichtung mit einer ersten Kamera (1) zum Erfassen von Bilddaten von einer ersten Art von Zahnflanken des zu prüfenden Zahnrads (5a), einem Positionssensor (6) zum Ermitteln einer Drehstellung des zu prüfenden Zahnrades (5a), einer Steuerungseinrichtung zum Auswerten der von diesem Positionssensor (6) ermittelten Drehstellung und zum Ansteuern der Kamera (1) auf Basis dieser Drehstellung und einer ersten Beleuchtungseinrichtung (4a), die zum Beleuchten eines Bereichs des zu prüfenden Zahnrads (5a) eingerichtet ist, der zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist, wobei diese Prüfvorrichtung zum Beaufschlagen von Zahnrädern (5a, 5b) mit einem vorbestimmbaren Prüfdrehmoment und zum Antreiben dieser mit einer vorbestimmbaren Prüfdrehzahl (n1, n3) eingerichtet ist und eine kamerabasierte Prüfeinrichtung zum Ausführen einer optischen Prüfmethode aufweist, bei welcher Bilddaten erfass- und auswertbar sind, mit den Schritten: Bereitstellen eines Zahnradpaares (5) mit zwei Zahnrädern (5a, 5b), Aufnehmen der Zahnräder (5a, 5b) auf der Prüfvorrichtung, Antreiben der Zahnräder (5a, 5b) mit einer Prüfdrehzahl (n1, n3) Erfassen der Drehstellung des zu prüfenden Zahnrades (5a) mittels eines Positionssensors (6), Auswerten dieser Drehstellung und Ansteuern wenigstens einer Kamera (1, 2) zur Bilddatenerfassung, wenn sich das zu prüfende Zahnrad (5a) in einer Prüfdrehstellung befindet, Verarbeiten der erfassten Bilddaten mit einer ersten optischen Prüfmethode, dadurch gekennzeichnet, dass bevor eine zweite optische Prüfmethode ausgeführt wird, eine Prüfmediumsschicht, insbesondere ein Tragbildlack, auf wenigstens einer ersten Art der Zahnflanken aufgetragen wird, dass die Zahnräder (5a, 5b) für die zweite Prüfmethode mit der zweiten Prüfdrehzahl (n3) angetrieben werden und in einer ersten Phase mit einem positiven Prüfdrehmoment beaufschlagt werden, welches zu einem wenigstens teilweisen Abtrag der Prüfmediumsschicht auf der ersten Art von Zahnflanken führt, dass Bilddaten von dieser Art der Zahnflanken zur Auswertung erfasst werden, wenn sich ein quasi stationärer Zustand der Prüfmediumsschicht eingestellt hat und, dass in einer zweiten Phase dieser Prüfmethode die Zahnräder (5a, 5b) mit einem negativen Prüfdrehmoment beaufschlagt werden, welches zu einem wenigstens teilweisen Abtrag der Prüfmediumsschicht auf der zweiten Art von Zahnflanken führt und, dass weitere Bilddaten von dieser Art der Zahnflanken zur Auswertung erfasst werden, wenn sich ein quasi stationärer Zustand dieser Prüfmediumsschicht eingestellt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtungen (4a, 4b) einen ersten und einen zweiten Betriebszustand aufweist, dass die Beleuchtungseinrichtung (4a, 4b) im ersten Betriebszustand eine Lichtstrahlung zum Beleuchten eines Bereichs des zu prüfenden Zahnrades (5a), der zur Bilddatenerfassung vorgesehen ist, abgibt, dass die Beleuchtungseinrichtung (4a, 4b) im zweiten Betriebszustand keine solche Lichtstrahlung abgibt, dass die Beleuchtungseinrichtung (4a, 4b), insbesondere unmittelbar, bevor Bilddaten von diesem Bereich erfasst werden in den ersten Betriebszustand versetzt wird, dass die Beleuchtungseinrichtung (4a, 4b), insbesondere unmittelbar, nachdem Bilddaten von diesem Bereich erfasst sind, in den zweiten Betriebszustand versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, das Prüfmedium auf Zahnflanken beider Arten von Zahnflanken, des zu prüfenden Zahnrades (5a) aufgetragen wird, vorzugsweise auf alle Zahnflanken dieses Zahnrads (5a).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (5a, 5b) für die erste Prüfmethode mit der ersten Prüfdrehzahl (n1) angetrieben werden und in einer ersten Phase mit einem ersten positiven Prüfdrehmoment beaufschlagt werden und Bilddaten von wenigstens einer Vorderflanke des zu prüfenden des Zahnrads (5a) oder beider Zahnräder (5a, 5b), erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, während einer zweiten Phase die Zahnräder mit einem zweiten Prüfdrehmoment, welches dem ersten Prüfdrehmoment entgegengerichtet ist, beaufschlagt werden und dass während der zweiten Phase von wenigstens einer Rückflanke des zu prüfenden Zahnrads (5a) oder beider Zahnräder (5a, 5b) Bilddaten erfasst werden.