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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten einer Getriebeprüf- bzw. Messvorrichtung, insbesondere zur Vermessung des Zahnflankenspiels von Getriebezahnrädern.
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Bei der üblichen Prüfung von Getrieben, insbesondere des Zahnflankenspiels, wird bislang die sogenannte statische Messmethode der Einflankenwälzprüfung angewandt. Dabei wird das Zahnflankenspiel (= Verdrehflankenspiel) nur in einigen wenigen Eingriffsstellungen der zu messenden Zahnräder, zum Beispiel mittels Inkrementalgebern oder Drehwinkelgebern vermessen. Die dabei anfallenden Datenmengen sind dementsprechend gering. Eine derartige Messmethode ist unkritisch bezüglich der Datenerfassung, -übertragung und -verarbeitung hinsichtlich Speicherbedarf und Geschwindigkeit.
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An moderne Getriebe werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit, Lebensdauer, sowie des Geräuschverhaltens u. ä. gestellt. Aus diesem Grund ist es wichtig, den Prozess der Getriebeherstellung, bzw. Montage, einer ständigen Kontrolle und Prüfung zu unterziehen, um Abweichungen und Toleranzen möglichst gering zu halten und somit die erforderliche Qualität zu gewährleisten. Diesen Anforderungen genügt die statische Messmethode grundsätzlich nicht. Daher kommen bei hohen Qualitätsansprüchen dynamische Messmethoden zum Einsatz. Dabei wird während den Umdrehungen der Zahnräder eine Vielzahl von Messwerten aufgenommen, jeder Zahn wird gegen jeden möglichen Zahn vermessen. Dazu sind, falls keine 1:1 Übersetzung vorliegt, eine Vielzahl von Umdrehungen notwendig.
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Aufgrund der geforderten hohen Messgenauigkeit bei der Vermessung von Zahnrädern im Mikrometerbereich, fallen beispielsweise während einer Zahnradumdrehung von 360° bis zu 360.000 Datensätze zur Verarbeitung an. Wird die Messung selbst zusätzlich „in-line”, also in die Montagelinie integriert, durchgeführt, so fallen enorme Datenmengen zur Aufzeichnung und Auswertung an. Durch eine Integration in den Montageprozess muss der Messprozess selbst in der Taktzeit der übrigen Montagelinie durchgeführt werden, was eine schnelle Signalverarbeitung wünschenswert macht.
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Aus der
DE 33 11 618 C2 ist ein Verfahren zur Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten eine Getriebeprüf- bzw. Messvorrichtung bekannt, wobei jeweils an der Antriebs- und an der Abtriebswelle des zu vermessenden Getriebes ein Drehgeber zum Erfassen der Winkelstellung angeordnet ist. Dieser Drehgeber tastet zu vorgegebenen Zeitpunkten die aktuelle Stellung einer Welle des Getriebes ab und liefert ein dieser Stellung entsprechendes Signal.
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Die
DE 34 02 933 A1 offenbart ein Messsystem zur Erfassung der relativen und absoluten Bewegungen zwischen schnell rotierenden Wellen, das einen inkrementalen Drehgeber, ein Differenzwinkel-Messgerät, einen Messdatenzwischenspeicher und einen Mikrocomputer umfasst. Das Messsystem ist auf alle Messprobleme anwendbar, bei denen ein analoges oder digitales Messsignal für den Differenzwinkelverlauf von rotierenden Maschinenteilen benötigt wird.
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Aus der
JP 01165929 A schließlich ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Flankenspiels einer Zahnradanordnung entnehmbar, wobei zur Verbesserung der Messgenauigkeit die Genauigkeiten der Rotationsübertragung bei einer Vorlauf- und Rücklaufmessung durch eine entsprechende Recheneinheit berechnet und das Flankenspiel zwischen einem Paar von Zahnrädern. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erfassung der Messdaten einer dynamischen Prüfung des Zahnflankenspiels von Getrieben anzugeben.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens anhand der Merkmale des Kennzeichenteiles des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes zeigen.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass es durch die Erfassung von Drehgebersignalen an der Antriebs- und an der Abtriebswelle und deren elektronische Weiterverarbeitung möglich wird, bei einer aufgezwungen Drehung der Antriebswelle, die Winkelabweichung der Abtriebswelle zur Antriebswelle zu jedem Zeitpunkt und für jede Zahnrad-Zahn Paarung, für die dynamische Prüfung des Zahnflankenspiels mit bei modernen Getrieben gewünschter hoher Genauigkeit, zu erfassen. Ebenfalls können durch Drehrichtungsumkehr die Winkelabweichungen der gegenüberliegenden Zahnflanken erfasst werden, wodurch eine Bestimmung des Zahnflankenspiels möglich wird.
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Es ist vorgesehen, dass die Drehgebersignale digitalisiert und in einem Datenpuffer gespeichert werden, wodurch sie einer einfachen Weiterverarbeitung zugänglich werden und die Messwerte vom Takt einer weiteren Auswerteeinheit unabhängig aufgenommen werden können. Die Löschung des Datenpuffers verhindert, falls es bei nachfolgenden Messdurchläufen zu Fehlern in der Messwerterfassung kommt, dass dieser Fehler unbemerkt bleibt.
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Zur weiteren Verarbeitung, bzw. Auswertung der Daten ist eine Übertragung über eine Profibus-DP Schnittstelle, bzw. über ein Profibus-DP Netz an eine weitere Auswerteeinheit, z. B. einen handelsüblichen IBM-kompatiblen PC möglich. Der PROFIBUS ist ein herstellerunabhängiger, offener Feldbus nach der internationalen Norm EN 50170. Vorteilhaft ist, dass beim Anschluss von Sensoren über Feldbussysteme der Verkabelungsaufwand und die Anzahl der Leitungen zwischen Messgerät und Folge-Elektronik minimiert wird. Die elektrischen Eigenschaften des PROFIBUS-DP entsprechen dem RS-485-Standard, daher ist es besonders einfach Erweiterungen oder Ergänzungen durchzuführen, z. B. andere Rechnersysteme als Auswerteeinheit zu verwenden.
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Diese genannte Verfahrensweise wird erfindungsgemäß auch in der entgegen gesetzten Drehrichtung durchgeführt, wobei es dadurch möglich wird, ein reales Zahnflankenspiel aus der Differenz aus den für beide Drehrichtungen gewonnenen Datensätze zu errechnen, welches Aufschluss über das dynamische Zahnflankenspiel gibt.
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Aus den übertragenen Inhalten des Datenpuffers können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform fortlaufende Messreihen gebildet werden, wodurch bei einer Vielzahl von übertragenen Datenpuffern eine eindeutige Zuordnung der einzelnen Werte zu den einzelnen Messpositionen für eine spätere Auswertung vereinfacht wird.
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In Weiterentwicklungen der eben genannten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Messwert der Abtriebswelle vom korrespondierenden Wert der Antriebswelle in der weiteren Auswerteeinheit subtrahiert wird bzw. visuell, insbesondere als fortlaufende Kurve, dargestellt wird. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Kontrolle, bzw. einen Gesamtüberblick, über die Schwankungsbreite bzw. die Gleichmäßigkeit der vom Antriebsstrang auf den Abtriebsstrang aufgezwungenen Verdrehung. Auch nicht speziell geschultem Personal ist somit eine einfache Kontrolle möglich.
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Durch die Visualisierung dieser Kurven und durch Berechnung und Gegenüberstellung des minimalen, maximalen und mittleren Zahnflankenspiels mit minimal und maximal zulässigen Zahnflankenspielen kann schnell und sicher eine Bewertung der Getriebe erfolgen.
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Nach einer Weiterbildung des Verfahrens kann zum späteren Abrufen zu Reklamations- oder Kontrollzwecken eine Archivierung der gewonnenen Daten durchgeführt werden, was in solchen Fällen eine schnelle und einfache Aussage über die Qualität des ausgelieferten Getriebes zulässt.
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Möglich ist auch, dass die gewonnenen Daten auf das Montagesystem selbst rückwirken. Vorteilhaft hierbei ist es, dass durch vergleichen dieser Daten mit den Messergebnissen der Vermessung der Getriebegehäuse bzw. der Zahnräder vor der Montage zum fertigen Getriebe, eine Optimierung des Montagesystems und des Montageprozesses hinsichtlich der erreichbaren Toleranzen und somit der Qualität möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll mit nachfolgenden Ausführungsbeispielen und anhand von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
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1 eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, als Blockschaltbild;
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2 eine Ausführungsvariante des Verfahrens nach 1, als Flussdiagramm;
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3 die prinzipielle Vorrichtung zur Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten einer Getriebeprüf- bzw. Messvorrichtung, als Blockschaltbild;
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4 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung nach 3, als Blockschaltbild.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiteres können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild.
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Erfassungseinheiten 1 und 2 sind jeweils einer Antriebswelle 3 und einer Abtriebswelle 4 zugeordnet, auf denen neben den Zahnrädern, jeweils Drehgeber 5 und 6 angeordnet sind. Ein zu prüfendes Getriebe 7 beinhaltet unter anderem zusätzlich verschiedene Lager und Anlageelemente, die hier nicht dargestellt sind. Die Drehgeber 5, 6 liefern Absolutwerte der Winkelstellung der Antriebswelle 3, bzw. der Abtriebswelle 4, können aber auch als Inkrementalgeber ausgeführt sein, die Impulssignale liefern, deren Frequenz von der eingestellten Drehzahl des zu prüfendes Getriebes 7 und der Winkelauflösung der verwendeten Drehgeber 5, 6 abhängt.
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Der an der Antriebswelle 3 angeordneter Drehgeber 5 tastet die Werte für die momentane Winkelstellung der Welle ab. Diese Signale können beispielsweise photoelektrischer, magnetischer, optischer oder rein elektrischer Natur sein. Eben solche Werte tastet der an der Abtriebswelle 4 angeordnete zweite Drehgeber 6 ab. Beide Werte werden dabei zu vorgegebenen Zeitpunkten von den Erfassungseinheiten 1 und 2 erfasst und stehen ihrer Weiterverwendung zur Verfügung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um die Beschreibung nicht unnötig umfangreich zu gestalten, zeigt dieses Flussdiagramm einen möglichen Gesamtverfahrensablauf unter Einbeziehung der möglichen Weiterbildungen der Erfindung.
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Nach einem Startimpuls, der mit Anlaufen des Getriebes 7 gegeben wird, beginnt, nach Abwarten einer einstellbaren Einlaufzeit 20, eine Vorlaufmessung 21. Das Aggregat wird dabei mit einer vorgegebenen Drehzahl n angetrieben.
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Im Verfahrensschritt Nr. 22 werden die Daten des Drehgebers 5 der Antriebswelle 3 ausgelesen und der momentane Winkelwert Xi (z. B. i = 1) von der Erfassungseinheit 1 erfasst. Diese Signale werden in Digitalwerte umgewandelt. Weiters werden die Nulldurchgänge, d. h. die erfolgten ganzen Umdrehungen werden erfasst, digitalisiert und gezählt. Dieser Wert wird mit 360° multipliziert und zum Drehgeberwert addiert.
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Im Schritt 23 werden zeitgleich die Daten des Drehgebers 6 der Abtriebswelle 4 ausgelesen und der momentane Winkelwert Yi (z. B. i = 1) von der Erfassungseinheit 2 erfasst. Die Nulldurchgangsauswertung dazu erfolgt analog zu Schritt 22.
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Im Schritt 24 werden diese beiden Werte in einen beispielsweise 2 mal 50 Werte fassenden Datenpuffer geschrieben und der Zähler i um 1 erhöht.
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Falls der Datenpuffer, wie in Schritt 25 geprüft wird, danach noch nicht vollständig beschrieben ist, wird mit den Schritten 22 und 23 fortgefahren. Falls doch, wird der Inhalt des Puffers über einen Datenbus, insbesondere über ein Profibus-DP Netz, an eine weitere Auswerteeinheit weitergegeben, der Zähler i und der Puffer werden gelöscht. In der Auswerteeinheit werden aus diesen verschiedenen, beispielsweise 2 mal 50 Werte – Datenblöcken Xi und Yi, zwei fortlaufende Messreihen Xj und Yj gebildet.
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Schritt 27 prüft, ob gerade die Vorlaufmessung oder die Rücklaufmessung durchgeführt wurde. Im Falle der Vorlaufmessung folgt im Schritt 28 in der Auswerteeinheit 13 eine Berechnung der Differenzwerte der beiden Messreihen Xj und Yj, Kj = Xj – Yj. Physikalisch bedeuten diese Differenzwerte die Schwankungen der Verdrehwinkel der Wellen 3 und 4 aufgrund von Maßungenauigkeiten der Zahnradzähne. Weiteres erfolgt eine graphische Darstellung dieser Werte Ki durch eine Auswerteeinheit 17.
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Schritt 29 leitet im Falle, dass die Vorlaufmessung noch nicht zu Ende ist, zu den Schritten 22 und 23 weiter.
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Falls die Vorlaufmessung beendet ist, wird im Schritt 30 die Drehrichtung umgekehrt und nach dem Abwarten der Einlaufzeit 31 die Rücklaufmessung 32 gestartet.
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Die Schritte 22 bis 26 erfolgen analog zur Vorlaufmessung, Schritt 27 leitet jedoch zu Schritt 33 weiter. Hier erfolgt in der Auswerteeinheit wieder eine Berechnung der Differenzwerte der beiden Messreihen Xi und Yj, Lj = Xj – Yj. Physikalisch bedeuten diese Differenzwerte wiederum die Schwankungen der Verdrehwinkel der beiden Wellen 3 und 4 aufgrund von Maßungenauigkeiten der Zahnradzähne, diesmal jedoch auf der gegenüberliegenden Zahnradzahnseite. Wiederum erfolgt eine graphische Darstellung dieser Werte Lj durch die Auswerteeinheit 17.
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Parallel dazu erfolgt die Berechnung des realen Zahnflankenspiels ZFSj = (Kj – Lj)f aus der Differenz der Vorlaufmessung zur Rücklaufmessung, noch multipliziert mit dem Teilkreisfaktor f und erfolgt vorher eine Anpassung der Werte Kj und Lj, dahingehend, dass eine Datenreihe praktisch umgedreht werden muss, da aufgrund der Drehrichtungsumkehr der letzte Wert von KK mit dem ersten Wert von korrespondiert.
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Schritt 34 führt, falls die Rücklaufmessung noch nicht beendet ist, zurück zu den Schritten 22 und 23.
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3 zeigt eine prinzipielle Vorrichtung zur Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten einer Getriebeprüf- bzw. Messvorrichtung als Blockschaltbild.
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In dieser Fig. ist das zu prüfende Getriebe 7 mit den beiden Drehgebern 5 und 6 gezeigt, die die aktuellen Winkelstellungen der Antriebs und Abtriebswelle 3, 4 aufnehmen.
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An den Ausgängen der Drehgeber 5, 6 sind die Erfassungseinheiten 1, 2 angeschlossen, die ein der Winkelstellung proportionales, vorzugsweise elektrisches, Signal erzeugen. Zähleinrichtungen 8, 9 stellen die Daten zur Ermittlung der vollständigen Umdrehungen bereit, die wiederum den Erfassungseinheiten 1, 2 zugeführt werden.
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Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgeführt, dass die verwendeten elektronischen Elemente auf einer oder mehreren Flachleiterplatinen angeordnet werden. Diese Platine kann hinsichtlich ihrer Energieversorgung und Schnittstellen eigenständig ausgeführt sein, d. h. sie kann in eine Vielzahl von Messsystemen integriert werden. Weiters ist es möglich, diese Platine in Form einer Steckkarte für handelsübliche Computer auszuführen. Die notwendigen Versorgungsspannungen und die Platine selbst sind in 3 nicht dargestellt.
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Analog/Digital-Wandler 10 und 11 wandeln die von den beiden Erfassungseinheiten 1 und 2 erfassten Drehgeberwerte in entsprechende Digitalwerte um und stellen diese Werte an ihren Ausgängen zu ihrer Weiterverwendung bereit.
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Ein Taktgeber 12 steuert die beiden Erfassungseinheiten 1 und 2, sowie die beiden Analog/Digital-Wandler 10 und 11, bezüglich der gewünschten Erfassungs- bzw. Umwandlungsfrequenz an.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung nach 3 als Blockschaltbild.
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In dieser Fig. ist wiederum das zu prüfende Getriebe 7 mit den beiden Drehgebern 5 und 6 gezeigt, die die aktuellen Winkelstellungen der Antriebs- und Abtriebswelle 3, 4 erfassen.
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An den Ausgängen der Drehgeber 5, 6 sind die Erfassungseinheiten 1, 2 angeschlossen, die ein der Winkelstellung proportionales, vorzugsweise elektrisches, Signal erzeugen. Die beiden Zähleinrichtungen 8, 9 stellen die Daten zur Ermittlung der vollständigen Umdrehungen bereit, die wiederum den Erfassungseinheiten 1, 2 zugeführt werden.
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Das Digitalisieren der vorzugsweise elektrischen Signale erfolgt in den an den Ausgängen der Erfassungseinheiten 1 und 2 angeschlossenen Analog/Digital-Wandlern 10 und 11.
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Ein Mikrokontroller 13 liest periodisch die Ausgänge der Analog/Digital-Wandler 10, 11 aus, wertet die Anzahl der Nulldurchgänge aus und legt die erhaltenen, bzw. berechneten Daten in einem Datenpuffer 14 ab.
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Der Taktgeber 12 steuert den Mikrocontroller 13, die beiden Erfassungseinheiten 1 und 2, sowie die beiden Analog/Digital-Wandler 10 und 11, bezüglich der gewünschten Erfassungs- bzw. Umwandlungsfrequenz an.
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Vorteilhafterweise ist es möglich, dass der Mikrokontroller 13 mehrere elektronische Baugruppen, wie z. B. die Analog/Digital-Wandler 10, 11 oder den Datenpuffer 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in sich vereint. Die notwendigen Energiequellen sind in 4 nicht dargestellt.
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Der Datenpuffer 14 ist mit einer Datenübertragungsschnittstelle 15, insbesondere einer Profibus-DP Schnittstelle, über entsprechende Busleitungen 16 mit einer Auswerteeinheit 17, insbesondere einem IBM-kompatiblen PC, verbunden. Die Auswerteeinheit 17 übernimmt eine Weiterverarbeitung, bzw. Auswertung der Daten, visualisiert diese mit einer Anzeigeeinheit 18 und sichert die Daten in einer Speichereinheit 19 zur späteren Verwendung zu Kontroll- oder Reklamationszwecken.
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Die einzelnen in den 1; 2; 3; 4 gezeigten Ausführungen können den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erfassungseinheit
- 2
- Erfassungseinheit
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Drehgeber
- 6
- Drehgeber
- 7
- Getriebe
- 8
- Zähleinrichtung
- 9
- Zähleinrichtung
- 10
- Analog/Digital-Wandler
- 11
- Analog/Digital-Wandler
- 12
- Taktgeber
- 13
- Mikrokontroller
- 14
- Datenpuffer
- 15
- Datenübertragungsschnittstelle
- 16
- Busleitung
- 17
- Auswerteeinheit
- 18
- Anzeigeeinheit
- 19
- Speichereinheit
- 20
- Schritt
- 21
- Schritt
- 22
- Schritt
- 23
- Schritt
- 24
- Schritt
- 25
- Schritt
- 26
- Schritt
- 27
- Schritt
- 28
- Schritt
- 29
- Schritt
- 30
- Schritt
- 31
- Schritt
- 32
- Schritt
- 33
- Schritt
- 34
- Schritt
