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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen oder Prüfen eines Zahnrad-Bauteils.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei der Bearbeitung von Zahnradbauteilen spielt das Messen und Prüfen der Topografie der Zahnflanken eine wichtige Rolle.
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Es gibt daher unterschiedlichste Mess- und Prüfvorrichtungen, die entweder mit einem taktilen Taster, mit einem optischen Sensor oder einer Kombination aus beiden ausgestattet sind um Bauteile untersuchen zu können. Vor allem in der industriellen Produktion von Zahnradbauteilen ist die Geschwindigkeit und Robustheit der Mess- und Prüfprozesse von grosser Bedeutung.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung für das Messen oder Prüfen von Zahnradbauteilen bereit zu stellen, die es ermöglicht die Topografie der Zahnflanken eines Zahnradbauteils schnell und zuverlässig zu messen oder zu prüfen.
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Insbesondere geht es um eine Vorrichtung, die automatisiert betrieben werden kann.
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Vor allem geht es hier um das das Messen oder Prüfen von schrägverzahnten Zahnradbauteilen, wie zum Beispiel schrägverzahnten Zylinderrädern.
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Die Vorrichtung der Erfindung ist speziell zum berührungslosen Messen oder Prüfen eines Zahnrad-Bauteils ausgelegt, das mit mindestens eine erste Zahnflanke, eine zweite Zahnflanke und eine Rotationsachse aufweist. Diese Vorrichtung umfasst
- - eine erste Detektorvorrichtung mit einem optischen Sender und Empfänger, die so relativ zu der ersten Zahnflanke angeordnet sind, dass Licht, das von dem optischen Sender ausgesendet wird, die erste Zahnflanke so trifft und dort gestreut und/oder reflektiert wird, dass ein Anteil des gestreuten und/oder reflektieren Lichts von dem Empfänger empfangbar ist,
- - eine zweite Detektorvorrichtung mit einem optischen Sender und Empfänger, die so relativ zu der zweiten Zahnflanke angeordnet sind, dass Licht, das von dem optischen Sender ausgesendet wird, die zweite Zahnflanke so trifft und dort gestreut wird, dass ein Anteil des gestreuten Lichts von dem Empfänger empfangbar ist.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen wird das Licht von dem optischen Sender entlang einer optischen Achse ausgesendet, die nicht radial zu der Rotationsachse verläuft. Vorzugsweise wird das Licht, von dem optischen Sender entlang einer optischen Achse ausgesendet, die relativ zu der Rotationsachse einen seitlichen Versatz aufweist, d.h. die optischen Achsen der beiden Detektorvorrichtungen schneiden sich nicht mit der Rotationsachse.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen sind die beiden Detektorvorrichtungen gegenläufig oder gegengleich angeordnet, d.h. der optische Sender der ersten Detektorvorrichtung ist oberhalb des Empfängers der ersten Detektorvorrichtung angeordnet und der optische Sender der zweiten Detektorvorrichtung ist unterhalb des Empfängers der zweiten Detektorvorrichtung angeordnet. Diese gegenläufige oder gegengleiche Konstellation hat den Vorteil, dass gleichzeitig z.B. eine linke Zahnflanke und eine rechte Zahnflanke einer Zahnlücke abgetastet werden können, oder dass gleichzeitig z.B. eine linke Zahnflanke und eine rechte Zahnflanke eines Zahnes abgetastet werden können.
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Es ist ein weiterer Vorteil einer gegenläufigen oder gegengleichen Konstellation, dass es beim Messen oder Prüfen von schrägverzahnten Zahnradbauteilen zu weniger Problemen mit Abschattungen kommt.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen sind der optische Sender und der Empfänger der ersten Detektorvorrichtung entlang einer ersten Längsachse angeordnet und der optische Sender und der Empfänger der zweiten Detektorvorrichtung sind entlang einer zweiten Längsachse angeordnet. Die beiden Detektorvorrichtungen können so relativ zum Zahnradbauteil angeordnet sein, dass die erste Längsachse und die zweite Längsachse parallel zueinander verlaufen. Insbesondere können die beiden Detektorvorrichtung können so relativ zum Zahnradbauteil angeordnet sein, dass die erste Längsachse und die zweite Längsachse parallel zu der Rotationsachse verlaufen.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Vorrichtung speziell zum Messen oder Prüfen von schrägverzahnten Zahnradbauteilen ausgelegt, wobei die erste Längsachse parallel zur Flankenlängsrichtung eines ersten Zahnes und die zweite Längsachse parallel zur Flankenlängsrichtung eines zweiten Zahnes verlaufen.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Vorrichtung so ausgelegt und sind die beiden Detektorvorrichtung so angeordnet, dass das Licht von dem optischen Sender der ersten Detektorvorrichtung entlang einer ersten optischen Achse und das Licht von dem optischen Sender der zweiten Detektorvorrichtung entlang einer zweiten optischen Achse ausgesendet wird, wobei die erste optische Achse und die zweite optische Achse parallel zueinander verlaufen.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen ist die Vorrichtung so ausgelegt und sind die beiden Detektorvorrichtung so angeordnet, dass das Licht von dem optischen Sender der ersten Detektorvorrichtung entlang einer ersten optischen Achse und das Licht von dem optischen Sender der zweiten Detektorvorrichtung entlang einer zweiten optischen Achse ausgesendet wird, wobei die erste optische Achse schräg steht zu der zweiten optischen Achse.
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Insbesondere können die beiden optischen Achsen so schräg angeordnet sein, dass sie sich überkreuzen. Vorteilhafterweise werden bei einer Vorrichtung mit sich kreuzenden optischen Achsen Mittel eingesetzt, um ein Übersprechen der beiden Detektorvorrichtung zu verhindern.
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Vorzugsweise sind die Detektorvorrichtungen bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen als Triangulationsdetektoren ausgelegt, wobei es besonders vorteilhaft ist die Detektorvorrichtungen so ausgelegt, dass deren Detektoren Streulicht empfangen und aufbereiten.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines schrägverzahnten Zahnradbauteils und einer Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines schrägverzahnten Zahnradbauteils und einer Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines schrägverzahnten Zahnradbauteils und einer weiteren Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Zahn eines Zahnradbauteils und durch eine Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 5 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Zahn eines Zahnradbauteils und durch eine weitere Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 6 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Zahnlücke eines Zahnradbauteils und durch eine weitere Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 7 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Zahnlücke eines Zahnradbauteils und durch eine weitere Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst;
- 8 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Zahnlücke eines Zahnradbauteils und durch eine weitere Vorrichtung, die zwei Detektorvorrichtungen umfasst.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe verwendet, die auch in einschlägigen Publikationen und Patenten Verwendung finden. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung dieser Begriffe lediglich dem besseren Verständnis dienen soll. Der erfinderische Gedanke und der Schutzumfang der Patentansprüche soll durch die spezifische Wahl der Begriffe nicht in der Auslegung eingeschränkt werden. Die Erfindung lässt sich ohne weiteres auf andere Begriffssysteme und/oder Fachgebiete übertragen. In anderen Fachgebieten sind die Begriffe sinngemäß anzuwenden.
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Anhand der 1 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ist sind mehrere Zähne eines schrägverzahnten Zahnradbauteils 1 gezeigt. Im Bereich einer Zahnlücke 5, die von einer linken Zahnflanke 3 und einer rechten Zahnflanke 2 begrenzt wird, sind zwei Detektorvorrichtungen D1 und D2 gezeigt.
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In der schematische Darstellung der 1 weist jede der beiden Detektorvorrichtungen D1 und D2 ein rechteckiges Gehäuse auf. Die Gehäuse sind hier transparent dargestellt, um Elemente zeigen zu können, die ansonsten verdeckt wären. Die Form und Anordnung der Gehäuse kann bei allen Ausführungsformen auch anders sein als hier gezeigt.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen können die jeweils eine Längsachse LA1, LA2 aufweisen. Vorzugsweise sind bei allen Ausführungsformen der optische Sender S1 und der Empfänger E1 der ersten Detektorvorrichtung D1 entlang einer ersten Längsachse LA1 angeordnet und der optische Sender S2 und der Empfänger E2 der zweiten Detektorvorrichtung D2 sind entlang einer zweiten Längsachse LA2 angeordnet, wie in 1 schematisch dargestellt.
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Um die Darstellung nicht zu überfrachten, sind die Sender S1, S2 jeweils durch einen Kreis und die beiden Empfänger E1, E2 jeweils durch ein graues Rechteck symbolisiert. Die beiden Empfänger E1, E2 haben vorzugsweise eine längliche (beispielweise rechteckige) Empfangsfläche, die es ermöglicht Streulicht zu empfangen, das je nach Lage und Abstand der Zahnflanke entlang der Längsachse LA1 oder LA2 wandern kann.
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In 1 ist einen gegengleiche bzw. gegenläufige Konstellation der Detektorvorrichtungen D1, D2 gezeigt, die sich dadurch auszeichnet, dass z.B. bei der ersten Detektorvorrichtung D1 der Sender S1 unten und der Empfänger E1 oben angeordnet sind. Bei der zweiten Detektorvorrichtung D2 hingegen ist der Sender S2 oben und der Empfänger E2 unten angeordnet. Eine solche gegengleiche bzw. gegenläufige Konstellation hat den Vorteil, dass es beim Messen oder Prüfen schrägverzahnter Zahnradbauteile 1 zu weniger Abschattungsproblemen kommt.
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Die beiden Detektorvorrichtungen können so relativ zum Zahnradbauteil 1 angeordnet sein, dass die erste Längsachse LA1 und die zweite Längsachse LA2 parallel zueinander verlaufen, wie in 1 gezeigt.
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In 1 ist an einem der Zähne der Schrägungswinkel durch das Bezugszeichen β0 definiert. Die beiden Längsachsen LA1, LA2 können beispielsweise, wie in 1 gezeigt, parallel zu den schräg stehenden Zahnflanken verlaufen.
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In 1 ist die Ausbreitung des Lichts anhand von schematisch dargestellten, gepunkteten Linien dargestellt. Um die Ausbreitung des Lichts besser beschreiben zu können, zweigen zwei kleine Kreise, die weiss gefüllt sind, den Lichtaustritt aus den Sendern S1, S2. Zwei kleine Quadrate, die weiss gefüllt sind, zeigen je einen Lichtpunkt auf einer Zahnflanke 2 oder 3 und zwei kleine Kreise, die schwarz gefüllt sind, zeigen den Lichteintritt an den Empfängern E1, E2.
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Die beiden Längsachsen LA1, LA2 können beispielsweise, wie in 1 gezeigt, einen gegenseitigen Abstand haben, der so gewählt ist, dass der Sender S1 einen Lichtpunkt auf der Zahnflanke 2 und der Sender S2 einen Lichtpunkt auf der Zahnflanke 3 bilden. Es können in einer solchen Konstellation gleichzeitig zwei benachbarte Flanken einer Zahnlücke 5 (siehe 1) und/oder eines Zahnes 4 (siehe 4) gemessen oder geprüft werden.
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Wenn die Lage der beiden Detektorvorrichtung D1, D2 zueinander bekannt ist, so kann z.B. aus einer gleichzeitigen Messung der beiden Flanken 2, 3 sofort die Lückenweite der Zahnlücke 5 ermittelt werden.
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Anhand der 2 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ist sind die Zähne eines weiteren schrägverzahnten Zahnradbauteils 1 gezeigt. Um die einzelnen Flächen in der Seitenansicht besser unterscheiden zu können, wurden die Zahnflanken unterschiedlich schraffiert. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein Zahn gekennzeichnet. Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Zahnlücke.
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In 2 ist erneut eine gegenläufige bzw. gegengleiche Konstellation gezeigt, wie bereits im Zusammenhang mit 1 beschreiben. Anders als in 1, ist in 2 die Vorrichtung 10 so relativ zum Zahnradbauteil 1 angeordnet, dass der Detektor D1 die linke Zahnflanke 2 des Zahnes 4 und der Detektor D2 die rechte Zahnflanke 3 des Zahnes 4 gleichzeitig abtasten.
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Die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 sind im Fall der 2 so relativ zum Zahnradbauteil 1 angeordnet, dass die erste Längsachse LA1 und die zweite Längsachse LA2 parallel zu der Rotationsachse RA verlaufen. Bei einer solchen Konstellation muß besonders darauf geachtet werden, dass die Lichtpunkte (durch zwei kleine Quadrate dargestellt) auf Zahnflanken 2, 3 an den gewünschten Punkten treffen und dass das gestreute bzw. reflektierte Licht von diesen Punkten abschattungsfrei zu den Detektoren D1, D2 gelangt. Falls es Abschattungsprobleme geben sollte, ist eine Konstellation, wie in 1 gezeigt, besser geeignet.
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In 3 ist eine weitere gegenläufige bzw. gegengleiche Konstellation gezeigt, wie bereits im Zusammenhang mit 1 und 2 beschreiben. Die Detektoren D1, D2 der Vorrichtung 10 sind so relativ zum Zahnradbauteil 1 angeordnet, dass der Detektor D1 die linke Zahnflanke 3 eines ersten Zahnes und der Detektor D2 die linke Zahnflanke 3 eines anderen Zahnes 4 gleichzeitig abtasten.
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Die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 sind im Fall der 3 so relativ zum Zahnradbauteil 1 angeordnet, dass die erste Längsachse LA1 und die zweite Längsachse LA2 parallel zu der Rotationsachse RA verlaufen. Bei einer solchen Konstellation, bei der die beiden Detektoren D1, D2 der Vorrichtung 10 weiter voneinander beabstandet sind, muß darauf geachtet werden, dass die Lichtpunkte (durch zwei kleine Quadrate dargestellt) auf Zahnflanken 3 an den gewünschten Punkten treffen und dass das gestreute bzw. reflektierte Licht von diesen Punkten abschattungsfrei zu den Detektoren D1, D2 gelangt.
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4 zeigt den Schnitt durch einen Zahn 4 eines Zahnradbauteils 1. Die Mitte des Zahnes 4 ist durch eine Radiale re dargestellt, die senkrecht zur Rotationsachse RA verläuft. Die Lage der Rotationsachse RA ist nur schematisch angedeutet. Eigentlich ist das Abstand zwischen dem Zahn 4 und der Rotationsachse RA deutlich grösser.
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Es ist in 4 eine Vorrichtung 10 gezeigt, deren beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 im Querschnitt gezeigt sind. Die Detektorvorrichtungen D1, D2 haben hier ein rechteckiges Gehäuse mit quadratischem Querschnitt. Im Inneren der beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 sind die Sender S1 und S2 gezeigt. Auch in dieser Schnittansicht sind die Sender S1 und S2 durch Kreise symbolisiert. Von dem Sender S1 wird ein Lichtstrahl entlang der optischen Achse O1 in Richtung der Zahnflanke 2 ausgesendet. Der Lichtstrahl wird an der Zahnflanke 2 gestreut und/oder reflektiert. Die Streuung bzw. Reflektion des Lichts ist durch mehrere kleine Pfeile symbolisiert. Von dem Sender S2 wird ein Lichtstrahl entlang der optischen Achse O2 in Richtung der Zahnflanke 3 ausgesendet und dort gestreut und/oder reflektiert.
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Die beiden Empfänger E1, D2 sind in 4 nicht gezeigt, da sie hinter oder vor den Sendern S1, S2 liegen.
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In 4 ist zu erkennen, dass die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 einen gegenseitigen Offset (auch als seitlicher Versatz bezeichnet) haben können, der durch das Bezugszeichen Ofs gekennzeichnet ist.
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Die beiden Längsachsen LA1, LA2 stehen bei der Ausführungsform der 4 senkrecht auf der Zeichenebene und verlaufen parallel zueinander.
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5 zeigt den Schnitt durch einen Zahn 4 eines Zahnradbauteils 1. Die Beschreibung der 4 ist auch auf die 5 anzuwenden, wobei sich jedoch die Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 unterscheidet. Die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 der 5 stehen leicht verdreht zueinander, wobei das Verdrehen hier als Drehung um die Längsachsen LA1, LA2 bezeichnet wird.
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6 zeigt den Schnitt durch eine Zahnlücke 5 eines Zahnradbauteils 1. Die Beschreibung der 3 und 4 ist auch auf die 6 anzuwenden, wobei sich jedoch die Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 unterscheidet. Die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 der 6 stehen leicht verdreht zueinander, wobei das Verdrehen hier als Drehung um die Längsachsen LA1, LA2 bezeichnet wird. In 5 sind die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 aufeinander zugeneigt und in 6 sind die beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 voneinander weggeneigt.
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7 zeigt den Schnitt durch eine Zahnlücke 5 eines Zahnradbauteils 1. Die Beschreibung der 3, 4 und 5 ist auch auf die 7 anzuwenden, wobei sich jedoch die Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 unterscheidet. In 7 wurde eine parallele Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 gewählt.
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8 zeigt den Schnitt durch eine Zahnlücke 5 eines Zahnradbauteils 1. Die Beschreibung der 3, 4, 5 und 6 ist auch auf die 8 anzuwenden, wobei sich jedoch die Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 unterscheidet. In 8 wurde eine Überkreuzanordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 gewählt. Die beiden optischen Achsen O1 und O2 kreuzen sich, wie angedeutet.
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Vorteilhafterweise werden bei einer Vorrichtung 10 mit sich kreuzenden optischen Achsen O1, O2 Mittel eingesetzt, um ein Übersprechen der beiden Detektorvorrichtung D1, D2 zu verhindern. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel kann es dazu kommen, dass der Empfänger E2 der Detektorvorrichtung D2 Streulicht der Detektorvorrichtung D1 empfängt und umgekehrt.
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Um ein gegenseitiges Stören der Meß -oder Prüfvorgänge zu verhindern, oder um Störeinflüsse zu reduzieren, können die beiden Detektorvorrichtung D1, D2 z.B. mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Oder es ist möglich das Aussenden von Licht der beiden Detektorvorrichtung D1, D2 wechselseitig zu an und aus zu tasten, wobei dieses An- und Austasten mit einer hohen Frequenz erfolgt, um trotzdem quasi zeitgleich die beiden Flanken 2, 3 prüfen bzw. messen zu können. Es ist auch möglich das Licht der beiden Detektorvorrichtung D1, D2 unterschiedlich zu modulieren, damit die Empfänger E1, E2 der entsprechenden Vorrichtungen D1, D2 in der Lage sind das eintreffende Streulicht zu unterscheiden und zu filtern.
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Es ist auch möglich z.B. den Empfänger E2 blind zu schalten, während der Empfänger E1 Streulicht beider Detektorvorrichtungen D1, D2 empfängt und auswertet. Dann kann anschliessend der Empfänger E1 blind geschaltet werden, während der Empfänger E2 Streulicht der beiden Detektorvorrichtungen D1, D2 empfängt und auswertet.
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Die gezeigten Konstellationen sind nur als Beispiele zu verstehen. Es liegt auf der Hand, dass die gegenseitige Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 und die Positionierung der Detektorvorrichtungen D1, D2 relativ zum Zahnradbauteil 1 auch anders gewählt werden kann.
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Es ist bei allen Ausführungsformen auch möglich die Detektorvorrichtungen D1, D2 gemeinsam (solidarisch) relativ zum Zahnradbauteil 1 zu verlagern (Verschieben, schräg Stellen, Drehen).
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Es ist bei allen Ausführungsformen auch möglich die gegenseitige Anordnung der Detektorvorrichtungen D1, D2 zu verändern, z.B. indem der Offset Ofs verändert wird.
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Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen ein (Halbleiter-) Laser als Sender S1 und/oder S2 zum Einsatz.
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Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen ein Halbleiter-Empfänger als Empfänger E1 und/oder E2 zum Einsatz. Ein Halbleiter-Empfänger kann zum Beispiel eine lineare oder gruppenweise Anordnung mehrere lichtempfindlicher Zellen oder Elemente umfassen.
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Bezugszeichenliste
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| Zahnrad-Bauteil |
1 |
| Zahnflanken |
2, 3 |
| Zahn |
4 |
| Zahnlücke |
5 |
| |
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| Vorrichtung |
10 |
| |
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| Schrägungswinkel |
β0 |
| erste Detektorvorrichtung |
D1 |
| Empfänger |
E1, E2 |
| erste gerade Längsachse |
LA1 |
| zweite gerade Längsachse |
LA2 |
| erste optische Achse |
O1 |
| zweite optische Achse |
O2 |
| seitlicher Versatz |
Ofs |
| Rotationsachse |
RA |
| Radiale |
re |
| optische Sender |
S1, S2 |
