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Vorrichtung zur Bestimmung von Verzahnungsfehlern aus der durch Ein-
oder ZweiflankenwälzprUfung gefundenen Sammelfehlerfunktion Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Bestimmung von Verzahnungsfehlern aus der durch die Ein- oder
Zweiflankenwälzprüfung mit herkömmlichen Prüfgeräten gefundenen Sammelfehlerfunktion
für die Qualitätsbeurteilung und zur Steuerung oder Regelung des Herstellungsprozesses
von Zahnrädern unter Verwendung elektronischer Mittel.
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Bisher wird die Fehlerfunktion der Verzahnung gewöhnlich über mechanisch-elektrische
Wandler in Verbindung mit Trägerfrequenzverstärkern gewonnen und mit technischen
Schnellschreibern registriert. In bekannter Weise werden danach aus dem so erhaltenen
kreisförmigen oder streifenförmigen Fehlerbildschrieb die zur Qualitätsbeurteilung
des Zahnradprüflings benötigten standardisierten Fehlergrößen "Wälzfehler" und "Wälssprung"
durch visuellen Vergleich mit dem auf das Registriermaterial aufgedruckten Rasterlinien
gefunden. Die zur Qualitätseinordnung des Zahnradprüflings ebenfalls erforderliche
Kontrolle der Einhaltung bestinirnt4r Fehlerwerte (z. 3.
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Zahndickenabmaße) wird durch Sichtvergleich des Wälzfehlerbildes mit
den vor der eigentlichen Prüfung auf das Material zu schreibenden Fehlergrenzwertstrichen
erreicht. Diesem Auswerteverfahren haften grundsätzlich Mängel an. Da die gewünschten
Fehlerinformationen nur aus dem Fehlerbildschrieb
gewonnen werden
können, gehen in den Auswertefehler die stets relativ großen Pehler des Schreibers
ein, und zwar infolge urdefiniert er Nullpunkts- und Verstärkungsschwankungen sowie
der endlichen Strichbreite der Aufzeichnung. Hinzu kommen subjektiv bedingte Auswertefehler
und das Unvermögen, bestimmte genau interessierende Fehler genügendEaus dem Fehlerbildschrieb
mit vertretbarem Zeitaufwand interpolieren zu können.
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Weiterhin ist dem herkömmlichen Auswerteverfahren, bedingt durch
die menschliche Auswertetätigkeit, bei einer Erhöhung der Anzahl der Qualitätsprüfungen
pro Zeiteinheit eine feste obere Grenze gesetzt. Daß die unbequeme Ausertetätigkeit
oft zu unzulässigen Abschätzungen der Fehlergrößen führt, ist ein weiterer nicht
zu unterschätzender Nachteil des bisher üblichen Auswert everfahrens.
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Schließlich gestattet der Fehlerbildschrieb auch nicht, die für eine
Steuerung der Verzahnungsherstellung benötigten speziell-«ufbereiteten Fehlerinformationen
unmittelbar zu erhalten.
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Die Erfindung hat den Zweck, die bisher visuell durchgeführte Qualitätsbeurteilung
von Zahnrädern bei mindestens gleicher Auswertegenauigkeit in kürzerer Zeit automatisch
durchzuführen, Möglichkeiten der Steuerung oder Regelung der Verzahnungsherstellung
zu berücksichtigen und damit sowohl die Prüfung als auch die qualitätsgerechte Herstellung
von Zahnrädern rentabler zu gestalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es gestattet, interessierende Fehlergrößen
aus der Sammelfehlerfunktion
automatisch auszuwerten und die aus der Wälzprüfung erhaltbaren Informationen so
auszugeben, daß eine bequeme Weiterverarbeitung (z. B. für Steuerungsprozesse) möglich
ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Bestimmung
von Verzahnungsfehlern aus der durch Ein- oder Zweiflankenwälzprüfung mit herkömmlichen
Prüfgeräten gefundenen Sammelfehlerfunktion dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
für die Analyse der vom Sammelfehlerprüfgerät ankommenden Pehlersignale elektronische
Mittel, insbesondere aktive elektrische Filter mit Flankensteilheiten a' # 120 dB/Dekade
aufweist, in denen die Fehlerinformation in verschiedene Teilinformationen für das
Berechnen, Speichern und Ausgeben der Werte Wälzfehler Fi, Wälzsprung fi' gemittelter
Wälzsprung fi sowie Mittigkeitsfehler fR und für einen Soll-Ist-Vergleich zwischen
vorgegebenen und tatsächlich vorhandenen Achsabstandsabmaßen Aa aufgespalten wird,
daß ferner für eine definierte, umschaltbare Uberbewertung der zur Zahneingriffsfrequenz
f z gehörenden Anteile der Wälzfehlerfunktion ein Teilerglied für den Wälzsprung
fi und die aus den Wälzsprüngen ableitbaren Größen gegenüber dem Wälzfehler Fi und
weiteren Fehlergrößen vorgesehen ist und daß zum Kompensieren der Signalverzögerung
list, die infolge der Phasengänge der elektrischen Filter entsteht, ein Steuerglied
vorhanden ist.
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Vorteilhaft ist, daß die Vorrichtung für die Ermittlung der Fehlergrößen
Fi, fi, fiM, fR und Aa bzw. die
Kontrolle dieser Größen hinsichtlich
einer Uberschreitung des jeweils vorgegebenen Maximalf ehlers Rechenschaltungen
und für Jede der genannten Größen spezifische Speicher aufweist.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein kleinstes Prequenzverhältnis
Romin = Zahneingriffsfrequenz = fz = 10 bzw. unter Be-Umlauffrequenz fu rücksichtigung
nur der ersten umlauffrequenten Oberwelle ein kleinstes Frequenzverhältnis R1 =
z = 5 zugrunde liegt und das ungünstigste min 2 fu Amplitudenverhältnis AStör =
10 beträgt.
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ANutz ANutz Die Erfindung hat vor allem den Vorteil, daß die gewünschten
Fehlerinformationen nicht mehr visuell einem FeWlerbildschrieb entnommen werden
müssen, sondern daß die Qualitätskennziffern von Zahnrädern durch eine automatische
Auswertung der interessierenden Fehlergrößen aus der Sammelfehlerfunktion in kurzer
Zeit bei mindestens gleicher Aus.'ertegenauigkeit ermittelt, gespeichert und ausgedruckt
werden. Neben den relativ großen Pehlern des Schnellschreibers (undefinierte Nullpunkts-und
Verstärkungsschwankungen sowie endliche Strichbreite) entfallen auch die subjektiven
Auswertefehler, die durch die unzureichende Interpolationsfähigkeit des Prüfenden
oder durch unzulässige Abschätzungen bedingt sind.
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Die Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß infolge der Trennung
der Sammelfehlerfunktion in umlauffrequente Anteile
und zahneingriffsfrequente
Fehlergrößen, die als elektrische Signale vorliegen, speziell aufbereitete Fehlerinformationen
für die Verzahnmaschinensteuerung unmittelbar erhalten werden.
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Durch die definierte Uberbewertung der zahneingriffs frequenten Fehleranteile
gegenüber den umlauffrequenten Anteilen wird der Auswertefehler zusätzlich verkleinert.
Da die zahneingriffsfrequenten Fehler hauptsächlich durch die Verzahnungswerkseuge
verursacht werden, stehen durch die Uberbewertung fehlerarme Steuergrößen für die
Werk zeugsteuerung zur Verfügung.
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Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß die aufwendigen Schnellschreiber
entfallen können und gleichzeitig eine Arbeitsproduktivitätssteigerung dadurch möglich
wird, daß von einem Prüfenden mehrere Prüfgeräte zugleich bedient werden können.
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Die Vorrichtung eignet sich besonders auch für den Einsatz in automatischen
Fließstrecken zur Zahnradherstellung.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen streifen0trmigen
Wälzfehlerschrieb, Fig. 2 das Blockschaltbild der Vorrichtung.
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Grundlage für die Fehlerauswertung sind die Wälzfehlerfunktionen.
Ein typisches Beispiel dieser Funktionen, als streifenförmiger Schrieb gespeichert,
zeigt Fig. 1. Die zwei Ublichen Fehlergrößen Wälzfehler Fj und Wälzsprung fi
sind
definitionsgemäß eingetragen.
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Unter dem gemittelten Wälzsprung fi wird die Fläche -M verstanden,
die vom Funktionsbetrag der Wälzfunktion und einer elektrisch errechneten Ausgleichs-Nullbezugslinie
eingeschlossen und durch eine von der Umdrehungsprüfzeit des Prüflings abhängige
Konstante t geteilt wird. Der mathematische Ausdruck für den gemittelten Wälzsprung
ist:
mit # = # (t) = Wälzsprungfunktion und Prüflingsdrehwinkel # # 2 #.
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Der Mittigkeitstehler fR ist gleich der doppelten Außermittigkeit
der Verzahnungsachse zur Radachse.
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Charakteristisch für die aus der Wälzfehlerprüfung gewonnenen Signale
sind spezielle Amplituden- und Frequenzver hältnisse. Jedes Zahntad besitzt zwei
typische Frequenzen im Frequenzspektrum derWä1zfehlerfunktion, einmal die von einer
Prüflingsumdrehung ableitbare Umlauffrequenz fu und zum anderen die der Zähnezahl
z entsprechende Zahneingriffsfrequenz f z0 Zu diesen prinzipiellen Fehlerfrequenzen
können praktisch wichtige Oberwellen bis etwa fünfter Ordnung hinzukommen. Das trifft
insbesondere auf die Zahneingriffsfrequenz fz zu, während der umlauffrequente Fehler
meist nur von seiner ersten Oberwelle begleitet wird. Als Beispiel für die umlauffrequenten
Fehlerursachen seienRundlauf- und Taumelfehler genannt; als zahneingriffsfrequente
Fehlerursachen kommen u. a. Teilungsfehler und Winkelfehler am Zahnrad in Betracht.
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Bei der Analyse der Sammelfehlerfunktionen ist das Wesertlichste
die Trennung der umlauffrequenten von den zahneingriffsfrequenten Anteilen. Da die
Zähne zahlen für Zahnräder, die im Wälzprüfverfahren geprüft werden, sich etwa im
Bereich 10 <= z<300 bewegen, ist vorzugsweise ein kleinstes Frequenzverhältnis
Zahneingriffsfrequenz fz R@ = = #10 und Umlauffrequenz f min u bei Berücksichtigung
nur der ersten umlauffrequenten Oberwelle sogar f R1min = fz = 5 zugrunde zu legen
und ein ungünstigstes 2 fu Amplitudenverhältnis AStör = 10 zu beachten.
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ANutz Zur Trennung der zahneingriffsfrequenten von den umlauffrequenten
Anteilen ergeben sich Flankensteilheiten a' der elektrischen Filter von AStör =
20 lg( 100 .) / Dekade ANutz 20 1 1000 = 120 dB/Dekade ekade Die Beeinflussung des
Nutzsignals durch das Störsignal bleibt bei dieser Dämpfung unter 5 %. Diese geforderte
Dämpfung ist bei den vorliegenden Frequenzen nur mit aktiven elektrischen Filtern
zu erreichen.
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Man unterscheidet in der Verzahnungsprüftechnik mehrere sinnvolle
Verzahnungsqualitäten. Für diese standardisierten Qualitäten trifft ein Verhältnis
Wälzfehler
Fi = = 2 ... 5 zu, d.h. die Wälzsprünge sind Wälzsprung fi in der Regel kleiner
als die Wälzfehler. Um den Auswertefehler klein zu halten, ist es vorteilhaft, wenn
die Auswerteinformationen nur wenig unterhalb der Maximalgrenze, d. h. innerhalb
des letzten Drittels des Aussteuerbereichs bleiben. Deshalb ist erfindungsgemäß
ein Teilerglied für die Größe Wälzsprung fi und die aus den Wälzsprüngen ableitbaren
Größen gegenüber dem Wälzfehler Fi undweiteren Fehlergrößen vorgesehen, so daß die
zur Zahneingriffsfrequenz z gehörenden Anteile der Wälzfehlerfunktion eine definierte,
umschaltbare Uberbewertung erfahren.
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Bei fehlerfrei angenommenen Gegen zahnrad gegenüber dem Prüfling
kann die gesamte YJälzfehlerinformation aus einer Prüflingsumdrehung gewonnen werden.
Durch den Phasengang des Filters, der dem Dämpfungsverlauf zwangsläufig zugeordnet
ist, entsteht eine Signalverzögerung dEt. Die Prüfzeit des sich drehenden Prüflings
muß deshalb um #t verlängert werden, um zusätzliche systematische Fehler zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese Signalverzögerung #t durch ein Steuerglied
in der Vorrichtung berücksichtigt, so daß hinsichtlich Fehlerminimum und Prüfzeit
mit optimalen Prüf-lingsdrehwinkeln geprüft werden kann.
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Für die Ermittlung der Fehlergrößen Fi, fi, fiM, und Aa aus den Teilsignalen
des Sammelfehlersignals bzw. zur Kontrolle einer etwaigen Überschreitung des jeweils
vorgegebenen maximalen Fehlers sind Rechenschaltungen und für jede der genannten
Größen
spezifische Speicher vorhanden, in denen die Signale optisch und/oder elektrisch
ausgegeben werden.
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1 Die Funktion ist mit T = periodisch, wenn der fu Prüfling mit einem
Gegenrad kämmt, dessen Fehler vernachlässigbar klein sind (Lehrzahnrad). Die Zeit
Dz ist die durch die Zähnezahl z des rrüflings geteilte Umlaufdauer; sie ist etwa
gleich der Zahneingriffszeit.
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Zur Umlauffrequenz fu besteht die Beziehung = = Die Sammelfehlerprüfung
der Zahnräder und die Auswertung der Fehler Fi, fi, fiM, des Mittigkeitsfehlers
fR sowie der Achsabstandsmaße Aa erfolgt mit einer Vorrichtung nach Fig. 2, die
als Prüf-Auswerte-Einheit für Verzahnungsfehler aufgebaut ist.
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In Fig. 2 ist der Informationsfluß aus der Wälzfehlerfunktion von
links nach rechts und von oben nach unten dargestellt. Die Stuerbefehle sind von
unten nach oben eingezeichnet. Der Prüfteil besteht aus dem mechanischen Zahnradwälzprüfgerät
1 und dem mechanisch-elektrischen Wandler mit Verstärker 2. Am Ausgang des Verstärkers
liegt die Wälzfehlerfunktion als analoges elektrisches Signal A vor.
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Dieses Signal A wird von einer Eingangsschaltung 3 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung übernommen und zur Informationstrennung den aktiven elektrischen Filtern
4 und 5 zugeführt. Die definierte Überbewertung der Wälzsprunganteile erfolgt in
einem Teilerglied 6. In Rechenschaltungen 7
werden aus dem Sammelfehlersignal
und aus den daraus gewonnenen Teilsignalen die Fehlergrößen Fi, fi, fiM, fR und
Aa ermittelt, bzw. die Überschreitung eines vorgegebenen maximalen Fehlers kontrolliert.
In für jede obengenannte Größe spezifischen Speichern 8 werden die ausgewerteten
Fehler informationen gespeichert und ausgegeben. Die Ausgabe erfolgt optisch als
Sichtanzeige und/oder elektrisch als definierte Spannungssignale. Im Zusammenhang
mit ebenfalls der Vorrichtung entnehmbaren Steuerbefehlen ist mit diesen Spannungssignalen
die Steuerung von Verzahnungsmaschinen und gegebenenfalls eine automatische Zahnradfertigung
möglich. Die Ausgangsinformationen gestatten die Fertigungssteuerung hinsichtlich
minimaler, von der Aufspannung des Zahnrades und von den Verzahnungswerkzeugen herrührender
Fehler, sofern diese mit Steuermitteln der Verzahnungsmaschine beeinflußbar sind.
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Im Steuerglied 9 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist berücksichtigt,
daß infolge der Phasengänge der Filter 4 und 5 die Prüfzeit um dt verlängert wird.
Dadurch sind die systematischen Fehler infolge der Filterphasengänge vernachlässigbar
klein.