DE19718494A1 - Berührungsloses Messen der Maß- und Formabweichungen gekrümmter Oberflächen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung von Objekten, insbesondere Zahnräder, Kegelräder, Schnecken mittels projizierten Streifenmustern und der Korrektur von Rund- und Planlauffehlern der Mittenachse der Meßspindel.

In der Patentschrift von DE 41 42 676 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung insbesondere von Zahnrädern beschrieben, die einen Drehtisch zur Aufnahme des Zahnrades mittels eines motorisch linear verschiebbaren Tisches bewegt, um den Abstand zum Stativ mit dem Meßkopf verstellen zu können. Der Meßkopf mißt gleichzeitig optisch flächenhaft die beiden Zahnflanken eines Zahnes mittels Streifenprojektionsverfahrens, bestehend aus zwei Strahlen- Projektionsebenen mit zugehörigen Kameraaufnahmesystemen und dem nachgeschalteten Rechner mit Monitor und Printer zur Ausgabe der Meßgrößen.

Der Meßkopf ist um seine Achse schwenkbar angeordnet. Diese Schwenkachse weist einen rechten Winkel zur Drehtischachse auf. Die Drehachse des Drehtisches liegt in der Symmetrieebene, ebenso die Schwenkachse des Meßkopfes. Zur Reduzierung der Temperaturempfindlichkeit der Meßanordnung ist am Drehtisch bzw. an der Aufspannung für das Zahnrad ein Kalibrierkörper, z. B. ein Zylinder mit bekannten Maßen angeordnet. Von der im Meßkopf angeordneten Kamera werden die Bilder aufgenommen und von dem Rechner ausgewertet. Kompensiert werden die thermischen Einflüsse auf das Meßgerät durch die gleichzeitige Messung des Zahnrades und des Kalibrierkörpers.

Diese Anordnung bedingt, daß die Drehachse des Drehtisches und die Schwenkachse des Meßkopfes exakten Rund- und Planlauf besitzen müssen. Zusätzlich muß die Drehachse des Drehtisches und die Schwenkachse des Meßkopfes sich in einem Punkt des Raumes schneiden. Diese hochgenauen, geometrisch-mechanischen Voraussetzungen sind nur durch aufwendig und präzise gefertigte mechanische Bauelemente zu erreichen und damit sehr kostenträchtig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch neuartige Konfiguration des Meßgerätes, insbesondere der Streifenprojektor- und Kameranovellierung, ein einfaches, preiswertes und schnell messendes Gerät zu schaffen, welches Zahnräder, Kegelräder, Schnecken und andere verzahnte Körper prüft. Des weiteren werden mittels geeigneter Rechenalgorithmen die Rundlauffehler der Mittenachse der Meßspindel korrigiert.

Die Meßeinrichtung beinhaltet einen motorischen Antrieb und Ist-Wert-Winkeldecoder für die Meßspindel mit Planfläche zum Spannen von Zahnrädern oder mit einer Meßspitze und Gegenspitze zur Aufnahme von Kalibriermeßdornen oder Wellen mit Verzahnungen, einen Querschlitten, ebenfalls motorisch bewegt, und Ist-Wert-Positionsgeber und eine Stativhalterung für Streifenprojektor- und Kamerahalterung sowie Steuerung und Rechner mit den zugehörigen Geräten wie Bildschirm, Eingabe- und Ausgabegeräte, wie Tastatur und Plotter.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein Streifenprojektor mittig und senkrecht mit Abstand zur Verzahnungsebene positioniert wird und somit mehrere Zähne beleuchtet und mindestens eine Kamera so angeordnet ist, daß sie die rechten und linken Zahnflanken erfaßt. Diese Anordnung ermöglicht, daß gleichzeitig mindestens zwei rechte und zwei linke Zahnflanken gleichzeitig gemessen werden können. Durch Weiterschaltung des Zahnrades mittels Meßspindel werden alle Zahnflanken flächig mittels Punktgitter gemessen, so daß daraus vom Rechner die Formabweichungen wie Zahnteilungs-, Rundlauf-, Schrägungswinkel-, Profil- und Flankenlinienabweichung ermittelt und vom Plotter angegeben werden kann. Wird nach jeder Meßwertaufnahme und Meßwertspeicherung um eine Zahnteilung weitergeschaltet, werden die Zahnflanken mehrfach gemessen, so daß zufällige Fehler bei der Rechenauswertung mittels Rechenroutinen erkannt und eliminiert, zumindestens minimiert werden können.

Bei Vorrichtungen, die zur Messung von größeren Zahnrädern ausgelegt sind, kann es sinnvoll sein, zwei oder mehr Streifenprojektoren anzuordnen, um für die größere Meßfläche die geforderte Meßgenauigkeit mit entsprechend hoher Auflösung zu erreichen. Vorzugsweise werden zwei Projektoren symmetrisch zur Mittenachse der Meßspindel so angeordnet, daß die Meßfläche rechts und links neben der Mittenachse beginnt und dabei keine oder eine geringe Überdeckung besteht. Dementsprechend werden auch zwei oder mehrere Kameras zur Meßwertermittlung eingesetzt.

Beim Messen von schräg verzahnten Zahnrädern verdecken zumindestens bei größeren Schrägungswinkeln die von der Kamera zu erfassenden Flanken einer Zahnradhälfte die dahinterliegenden Zahnflanken. Durch schräg symmetrische Anordnung von vier Kameras können links und rechts verzahnte Zahnräder gemessen werden. Dabei werden entweder die linke obere und rechte untere oder rechte obere und linke untere Kameras zur Meßwerterfassung ausgelesen.

Es kommen vorzugsweise CCD-Kameras zum Einsatz, welche die auf das Zahnrad vom Projektor mit Streifengitter projizierten Streifen in vielen Punkten aufnehmen. Diese einzelnen Kamerapixel können entsprechenden Beobachtungswinkeln zugeordnet und somit auch berechnet werden. Der Rechner erstellt eine Istwerte-Oberflächen-Matrix. Die Sollwerte- Oberflächen-Matrix berechnet der Rechner aus den eingegebenen Zahnrad-Daten wie Modul, Zähnezahl, Profilverschiebungsfaktor, Zahnbreite, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel usw. Unter Anwendung der Approximationsrechnung vergleicht der Rechner die berechneten Soll- Koordinaten aller Zahnflanken mit den zugehörigen, gemessenen Ist-Koordinatenwerten. Das Ende der iterativen Approximationsrechnung ist erreicht, wenn bezüglich der vorgegebenen Zielfunktion (zum Beispiel minimale Fehlerquadratsumme nach Gauß oder Minimum der maximalen Abweichung nach Tschebycheff) die größte Übereinstimmung der Ist- und Soll-Werte gefunden ist. Wird der Rechenvorgang nach dem kompletten Messen aller Zähne durchgeführt, kann eine optimale rechnerische Einpassung der Ist-Verzahnungs-Daten in die Soll-Verzahnung vorgenommen werden.

Beim Messen der Zahnräder können diese direkt auf die Planfläche der Meßspindel gespannt werden. Verzahnte Wellen werden zwischen Spitzen aufgenommen. Zahnräder mit Bohrung werden in der Regel auf einen leicht konischen Nulldorn geschoben. Auch aufgrund dieser notwendigen Aufnahme zwischen Spitzen ergeben sich aufwendige Konstruktionen für die Spindel und Gegenspitze mit deren Halterung, wenn sie mit exaktem Rund- und Planlauf versehen sein müssen. Eine wesentlich kostengünstigere mechanische Konstruktion ergibt sich, wenn Rund- und Planlauffehler sowie Fluchtungsfehler der Spitzen vom Rechner kompensiert werden. Es ist daher vorgesehen, daß beim Meßdurchgang gleichzeitig auch der Rundlauffehler des Nulldorns mitgemessen wird. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig der Planlauf an einer in dem Nulldorn eingeschliffenen Kalibriernut ebenfalls mitgemessen, so daß auch Planlauffehler der Spindel mitgemessen werden. Diese gemessenen Rund- und Planlauffehler können von Rechnern den Sollwertdaten überlagert und dadurch auf einfache Weise eliminiert werden, so daß dadurch die Herstellungskosten für eine solche Vorrichtung deutlich gesenkt werden können.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Meßvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht des Zahnrades mit Projektorlinse und mit den auswertbar beleuchteten Zahnflanken;

Fig. 3 die Vorderansicht des Zahnrades mit der Projektionsfläche und mit den beleuchteten Zahnflächenhälften;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Strahlengänge der Streifenprojektoren und Kameras;

Fig. 5 eine Anordnung der Kameras bei der Messung von schräg verzahnten Zahnrädern;

Fig. 6 eine Draufsicht des Zahnrades mit der Mittenabweichung zur theoretischen Mittenachse der Meßspindel und deren Ortskurve sowie dem Streifenprojektor mit Strahlengang;

Fig. 7 die zugehörige Vorderansicht des Zahnrades mit Projektionsfläche und beleuchteter Fläche des Kalibriermeßdornes mit Kalibriernut.

Die Vorrichtung in Fig. 1 besteht aus einem Grundgestell 1, das einen Querschlitten 18 mit vertikal angeordneter Meßspindel 13 und gegenüberliegender Gegenspitze 17 und dazwischen den Kalibrier-Meßdorn 15 mit aufgeschobenem Zahnrad 10 trägt. Auf dem Grundgestell 1 ist ein Stativ 28 angeordnet, welches die Halterung 29 für Streifenprojektor 20 und Kamera 31 und Kamera 34 trägt.

Zu der Meßvorrichtung gehört auch der Rechner mit Steuerung 2 und der Bildschirm 3.

Fig. 2 zeigt ein Zahnrad 10 in Draufsicht, welches mit dem Streifenprojektor 20 mittig beleuchtet wird und in dem die äußere Begrenzung der Projektionsfläche auf dem Zahnrad erkennbar ist. Rechts und links von der Mittelachse des Lichtkegels sind mehrere linke bzw. rechte Flanken des Zahnrades vollständig beleuchtet.

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht des Zahnrades 10 mit der mittig zentrierten Projektionsfläche 21 und den auswertbaren rechten und linken Zahnflanken.

Die Fig. 4 zeigt die Anordnung der rechten und linken Streifenprojektorlinse 22 und 24 mit den zugehörigen Strahlengängen. Die Kameralinsen zeigen die Anordnung der zugehörigen Kameras. Über die Kameralinse oben rechts (33) und unten rechts (36) werden die von der Streifenprojektorlinse rechts (22) beleuchteten Fläche gemessen. Über die Kameralinse 39 oben links und unten links (42) werden die von der über die Streifenprojektorlinse links (24) ausgestrahlten Streifenmuster ausgelesen.

In Fig. 5 ist die von dem Streifenprojektor ausgesandte Projektionsfläche 21 dargestellt, welche mittig und senkrecht auf eine Schrägverzahnung eines Zahnrades fällt. Fällt die Blickrichtung der Kameralinse 33 und 42 annähernd mit Schrägungswinkel auf die Verzahnung, ergeben sich keine Abdeckungen durch die davor liegenden Zähne. Über die Kameralinse 39 und 36 können die Meßwerte der Zahnflanken nur unzureichend ausgelesen werden, da sie zum Teil durch die Flanken von den davor liegenden Zähnen verdeckt sind. Daher ist es vorteilhaft, vier Kameras anzuordnen, deren Blickrichtung je paarweise diagonal gegenüber mit annähernd dem Schrägungswinkel der Verzahnung anzuordnen, damit Zahnräder sowohl mit rechtem als auch mit linkem Steigungswinkel gemessen werden können.

Fig. 6 zeigt den Streifenprojektor 20 und das Zahnrad 10 mit Kalibriermeßdorn in der Draufsicht. Die Mitte des Kalibriermeßdornes liegt nicht auf der theoretischen Mittenachse der Meßspindel 14 und läuft mit einem Rundlauffehler auf der Ortskurve 19 um.

Fig. 7 zeigt die Seitenansicht von der Fig. 6 mit dem Zahnrad 10, welches auf den Kalibriermeßdorn 14 aufgenommen ist. Die Projektionsfläche 21 umfaßt mittig Teile des Zahnrades 10 und auch Teile des Kalibriermeßdornes 14 mit der Kalibriernut, welche für die Ermittlung des Planlauffehlers geeignet ist.

Ohne Korrektur gehen Rundlauffehler in die Meßwerte ein. Um Rund- und Planlauffehler des Zahnrades, hervorgerufen durch Spindelfehler oder Aufnahmefehler des Meßdornes zwischen den nicht fluchtenden Aufnahmespitzen, im Meßergebnis elementieren zu können, ist vorgesehen, unterhalb und oberhalb des Zahnrades 10 den Kalibriermeßdorn 15 von der oder den Kameras mit auszumessen. Für diesen Vorgang muß die Meßspindel sich um eine Umdrehung drehen. Dabei werden die Rund- und Planlauffehler vor der Kamera aufgenommen und an den Rechner weitergeleitet, gespeichert und so aufbereitet, daß sie rechnerisch von den gemessenen Verzahnungswerten abgezogen werden können. Diese Rund- und Planlaufmessung kann zusammen mit dem Verzahnungs-Meßvorgang, aber auch getrennt zu einem nicht dargestellten Kalibrierdorn oder einer Kalibrierscheibe vor dem Verzahnungs- Meßablauf durchgeführt werden. Die vom Rechner durchzuführende Korrekturrechnung ist dabei identisch, Verzahnungs-Ist-Werte und Rund- und Planlauffehler sind im Rechner ausgewertet und gespeichert und werden danach mittels geeigneter Rechenverfahren voneinander abgezogen.

Bezugszeichenliste

1

Grundgestell

2

Rechner

3

Bildschirm

10

Zahnrad

11

rechte Flanke

12

linke Flanke

13

Meßspindel

14

theoretische Mittenachse der Meßspindel

15

Kalibrier-Meßdorn

16

Kalibriernut

17

Reitstockspitze

18

Querschlitten

19

Rundlauffehler-Ortskurve des Zahnrades

20

Streifenprojektor

21

Projektionsfläche

22

Streifenprojektorlinse, rechts

23

Projektionsfläche rechts

24

Streifenprojektorlinse links

25

Projektionsfläche links

28

Stativ

29

Streifenprojektor und Kamera-Halterung

30

Kamera

31

Kamera rechts oben

32

Kameraabtastfläche rechts oben

33

Kameralinse rechts oben

34

Kameralinse rechts unten

35

Kameraabtastfläche rechts unten

36

Kameraabtastfläche rechts unten

37

Kamera links oben

38

Kameraabtastfläche links oben

39

Kameraabtastfläche links oben

40

Kamera links unten

41

Kameraabtastfläche links unten

42

Kameraabtastfläche links unten

Claims (9)

1. Verfahren zum berührungslosen optischen Messen von Objekten auch mit komplexer Oberflächenform, insbesondere verzahnte Teile, mit Hilfe zumindestens eines Streifenprojektors, der eine Vielzahl von Streifen auf die zu messenden Oberfläche aussendet und zumindestens einer Kamera, die in der Lage ist, die von der Oberfläche reflektierten Streifen aufzunehmen und die Daten an den Rechner weiterzuleiten, wobei das Meßobjekt bei der Meßwertaufnahme stillsteht und die gesamten Meßdaten vom Rechner zwischenspeichert; dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein Zahnrad ist, welches durch Anwendung von relativ großflächiger Streifenprojektorbeleuchtung und dementsprechend großflächiger Meßdatenerfassung mittels Kamera, zwei oder mehr Zähne eines Zahnrades bei einem Meßschritt erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten Meßdaten beim Messen eines Zahnrades vom Rechner gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Meßwertaufnahme und Meßwertspeicherung um eine Zahnteilung weitergeschaltet wird, um zufällige Fehler durch Mehrfachvermessung jedes Zahnes und Rechenroutinen eliminieren zu können.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Meßwertaufnahme und Meßwertspeicherung um zwei oder mehr Zahnteilungen weitergeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Streifenprojektor- Kamera-System gleichzeitig auch an Kalibriermeßdorn-Flächen oder Meßzylinderflächen Rund- und/oder Planlauffehler der Vorrichtung ermittelt und vom Rechner den gemessenen Ist-Meßwerten überlagert und dadurch eliminiert werden.

6. Vorrichtung zur optischen Messung von Objekten wie Zahnräder, Kegelräder und Schnecken, welche mittels eines oder mehrerer Streifenprojektoren großflächig das Meßobjekt beleuchten und das eine oder mehrere Kameras die von dem Streifenprojektor beleuchtete Fläche erfassen kann, wobei die Kamera bzw. mehrere Kameras zu dem Streifenprojektor bzw. Projektoren winklig zueinander versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Streifenprojektorfläche und Kameraaufnahmefläche so mittig angeordnet sind, daß sie zwei oder mehrere rechte und linke Flanken des Objekts erfassen können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenprojektionsfläche mittig und die Symmetrieachse senkrecht auf die auszumessende verzahnte Fläche fallen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kameras so winklig und axial versetzt zu der Mittenachse der Streifenprojektion sind, daß auch Schrägverzahnungen gemessen werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierdorn oder andere zur Verzahnung rund- und/oder planlaufende Zylinder zur Ermittlung von Rund- und/oder Planlaufabweichungen der Vorrichtung ermittelt werden können.