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Meßvorrichtung zur Ermittlung von Steigungs- und Formfehlern
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatische Meßvorrichtung
zur Ermittlung von Steigungsfehlern von Spindeln und Gewinden sowie Flankenformfehlern
und Richtungswinkelfehlern von Zahnrädern, bei der keine mechanischen Obertragungseinrichtungen
wie Vergleichsgetriebe oder Wälzlineale Verwendung finden. Vielmehr werden aus einem
elektronischen Vergleich der Drehbewegung des zu prüfenden Zahnrads oder der Spindel
mit der Linearbewegung eines an einem Schlitten befestigten Meßkopfes, der in das
betreffende Zahnrad oder in die Spindel eingreift, die für die Prüfung relevanten
Größen wie z.B. Flankenform und Richtungswinkel bzw. Gewinde- oder Spindel Steigung
gewonnen.
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Derartige jedoch nur jeweils für eine bestimmte Art der Prüfung ausgelegte
Vorrichtungen sind bereits bekannt. Bei einer in der DE-OS 20 64 277 beschriebenen
Vorrichtung zur Ermittlung des Einflankenwälzfehlers von Zahnräder wälzt sich ein
an einem linear verschiebbaren Schlitten befestigter Prüfzahn an den zu untersuchenden
Flanken der einzelnen Zähne des Rads ab, das dadurch gedreht wird. Der Verschiebeweg
des Schlittens wird elektrisch gemessen und mit den Signalen eines entsprechend
an der Zahnradachse befestigten Drehgebers zur Ermittlung der Bearbeitungsfehler
verglichen.
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Durch das Abwälzen von Prüfling und Prüfzahn üben diese jedoch recht
große Kräfte aufeinander aus, die dazu innerhalb der Meßperiode zeitlich nicht konstant
sind. Dadurch wird die erreichbare Meßgenauigkeit derartiger Vorrichtungen begrenzt.
Weiterhin ist es nachteilig, daß für die zu untersuchenden Zahnräder jeweils hochgenaue
Prüfzähne hergestellt werden müssen, was insbesondere bei der Prüfung von Einzelstücken
oder Kleinstserien einen großen Zeitaufwand erfordert.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (DE-OS 16 73 877), die vorzugsweise
zum Messen von Spindel steigungen geeignet ist, wird die Spindel in eine Drehbewegung
versetzt und von ihr ein an eine Prüfmutter gekoppelter Schlitten bewegt. Hier werden
ebenfalls die Drehbewegung und die Längsbewegung des Schlittens elektrisch gemessen
und in einem Komparator miteinander verglichen, der Abweichungen vom Sollmaß aufzeichnet.
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Diese Vorrichtung besitzt die gleichen Nachteile wie die zuerst beschriebene,
da ebenfalls ein mechanisches Mitnehmen des Meßsystems über eine genau gefertigte
Prüfmutter erfolgt.
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Beide Vorrichtungen ermöglichen es nicht, unterschiedliche Prüfvorgänge,
wie die Bestimmung der Wälzfehler und die Richtungswinkel durchzuführen. Ein schrägverzahntes
Rad müßte daher zur Bestimmung beider Größen auf mehrere Prüfvorrichtungen aufgespannt
werden, was zeit- und kostenintensiv ist und eine Automatisierung des Meßablaufs
erschwert. Bei der Steigungsfehlermessung beschränkt sich der Einsatz dieser Vorrichtungen,bei
denen entweder nur der Prüfling oder nur der Meßkopf angetrieben wird, auf die Bereiche
kleiner oder großer Steigung wegen der unvermeidlichen reibungsbedingten Querkräfte.
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Aus der DE-PS 24 29 664 ist eine Prüfvorrichtung für Zahnräder bekannt,
bei der das zu prüfende Zahnrad und der für die Prüfung verwendete Taster einen
eigenen Antrieb besitzen. Die Drehbewegung des Prüflings wird gemessen und das resultierende
digitale Signal nach Vervielfachung gemäß dem Obersetzungsverhältnis dazu verwendet,
die Tasterbewegung zu steuern. Abweichungen des Prüflings von seiner Sollform bewirken
ein Ansprechen des mit dem Taster verbundenen Meßfühlers, dessen Ausgangssignale
aufgezeichnet werden.
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Bei dieser Vorrichtung wird die Regelabweichung, die zwischen der
Soll- und Iststellung des den Taster tragenden Schlittens auftritt und die während
des Meßvorgangs im allgemeinen variiert, nicht berücksichtigt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfingung ist es, eine schnell und hochgenau
arbeitende Vorrichtung zur Prüfung von Zahnrädern, Spindeln und Gewinden zu schaffen,
welche die Messung von Flankenform, Richtungswinkel und Steigung beliebiger Obersetzungsverhältnisse
ohne die Benutzung spezieller für den Prüfling angefertigter Werkzeuge bei konstanter,
möglichst kleiner auf den Prüfling wirkender Kraft ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
dadurch gelöst, daß a) die den Prüfling aufnehmende drehbare Halterung und der verschiebbare
Schlitten jeweils einen eigenen Antrieb besitzen; b) der am Schlitten befestigte
Meßkopf einen Taststift trägt, der ein seiner Auslenkung gegenüber dem Meßkopf proportionales
elektrisches Signal abgibt; c) Mittel vorgesehen sind, die beim Drehen der Halterung
aus dem Drehwinkel, dem Verschiebeweg und der Tasterstellung ein Regelsignal bilden,
das den Schlitten über dessen Antrieb so nachführt, daß der Taststift jeweils an
der Flanke des Prüflings anliegt, und die ein die Abweichung des Prüflings von der
Sollform charakterisierendes Signal erzeugen.
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Für die Funktionsweise der Vorrichtung ist es nicht wesentlich, daß
der Prüfling primär angetrieben wird, es kann auch der Meßkopf angetrieben und das
Regelsignal zur Nachsteuerung der Drehbewegung des Prüflings benutzt werden.
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Zur Ermittlung der Bearbeitungsfehler muß während der Prüfung laufend
der Verschiebeweg des Schlittens, der Drehwinkel des Prüflings und die Tasterstellung
gemessen werden. Es ist jedoch nicht nötig, alle drei Größen zur Bildung des Regelsignals
heranzuziehen, beispielsweise kann durch das die Taststifstellung charakterisierende
Ausgangssignal des Meßkopfs allein ein Steuern des nachlaufenden Antriebs bewirkt
werden.
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Die Messung von Drehwinkel und Verschiebeweg erfolgt zweckmäßigerweise
digital durch gekannte photoelektrische Systeme. Für den Vergleich von Drehwinkel
und Verschiebeweg zur Ermittlung der Bearbeitungsfehler ist eine Teilerstufe vorgesehen,
die entweder die Signale des Drehgebers oder des Längsgebers einstellbar gemäß dem
Obersetzungsverhältnis des zu prüfenden Systems durch eine nicht notwendigerweise
ganze Zahl teilt. Die somit eindeutig einander zugeordneten Signale des Drehgebers
und des Längsgebers können z. B. anschliessend einem Phasenvergleich unterworfen
werden, und das der Phasendifferenz proportionale Ausgangssignal dient zusammen
mit dem Ausgangssignal des Meßkopfes zur Ermittlung der Bearbeitungsfehler des Prüflings
oder zum Nachsteuern eines Antriebs.
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Phasendifferenz und Taststifstellung können digital oder analog miteinander
verglichen werden, je nach Art der für die Meßwerterfassung vorgesehenen Aufzeichnungsgeräte.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber bekannten Vorrichtungen liegen
darin, daß ohne größere Umrüstarbeiten eine Vielzahl verschiedener Zahnräder und
Spindeln auf unterschiedliche Größen hin bei gleichzeitiger Steigerung der Meßgenauigkeit
schnell überprüft werden können. Abgesehen von der Zeit und Arbeitsersparnis, die
durch die Verwendung nur eines Meßkopfes eintritt, der mit wenigen leicht auswechselbaren
Taststiften versehen ist, die keine speziell auf den Prüfling abgestimmte Form besitzen
müssen und die zum Prüfen unterschiedlicher Größen wie Steigung und Flankenform
geeignet sind, tritt eine Zeitersparnis innerhalb eines Meßzyklus dadurch ein, daß
die in der Erfindung realisierte Nachlaufsteuerung bei einem für derartige Vorrichtungen
geforderten automatischen Meßablauf schneller arbeiten kann, als bei der Verwendung
eines die Bewegung des Prüflings und des Tasters steuernden und zur Meßwertbildung
miteinander vergleichenden üblichen Prozeßrechners möglich wäre.
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Eine Beschränkung der Meßgeschwindigkeit zur Vermeidung der Ausmittelung
der zu messenden Bearbeitungsfehler durch die Massenträgheit einer mitgenommenen
Meßeinrichtung ist nicht nötig, da der Taststift mit seiner geringen Masse allen
Unebenheiten genau folgen kann. Das Aufbringen der für ein Mitnehmen des Prüflings
durch den Meßschlitten oder umgekehrt nötigen Kräfte durch einen eigenen Antrieb
führt ebenfalls zu einer Genauigkeitssteigerung bei der Prüfung, da nur noch die
zur Auslenkung des Taststifts gegenüber dem Meßkopf nötigen Kräfte auftreten, die
durch geeignete Wahl bezüglich der Aufhängung des Stiftes nahezu beliebig klein
und über den Bereich der Auslenkung konstant gehalten werden können.
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Durch die Berücksichtigung der drei unabhängig gemessenen Größen Drehwinkel,
Verschiebeweg und Tasterstellung bie der Meßwertermittlung wird eine hochgenaue
Bestimmung der Steigungs- und Formfehler ermöglicht.
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Die Figuren 1-3 der beigefügten Zeichnungen verdeutlichen den Erfindungsgegenstand
an jeweils einem Ausführungsbeispiel.
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Fig. 1 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine mögliche Anordnung der
Komponenten der Meßvorrichtung am Beispiel einer Spindelsteigungsmessung; Fig. 2
zeigt eine andere Ausführungsform bei der Evolventenprüfung; Fig. 3 zeigt ein drittes
Ausführungsbeispiel bei der Steigungsfehlermessung von Zahnrädern.
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Der Ablauf der Steigungsmessung nach Fig. 1 beginnt damit, daß nach
entsprechender Positionierung des Prüflings 2 und des Meßkopfs 11 ein Motorantrieb
1 die zu prüfende Spindel 2 in eine Drehbewegung versetzt. Der mit dem Prüfling
auf derselben Achse befestigte Inkrementalgeber 3 erzeugt pro Umdrehung n Impulse.
Diese Impulse werden in der Teilerstufe 4 geteilt und einem Sollwertzähler 5 zugeführt.
Ober einen Differenzbildner 6 und einen Digital-Analog-Umsetzer 7 werden die gezählten
Impulse in eine analoge Spannung umgesetzt, die über die Verstärkerstufe 8 einen
Antrieb 9 ansteuert. Der Antrieb 9 treibt einen Schlitten 10 an, an dem der Meßkopf
11 und ein Inkrementalgeber 12 (Längsgeber) angebracht sind. Der Inkrementalgeber
12 erzeugt m Impulse pro Umdrehung der zu prüfenden Spindel 2. Dabei ist m der Quotient
aus der Steigung 5 des Prüflings 2 und einem Inkrementalschritt 1 des Längsgebers
12.
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Die vom Längsgeber 12 erhaltenen Impulse werden von dem Istwertzähler
13 erfaßt, der seinen Zählwert an den Differenzbildner 6 weitergibt. Der Differenzbildner
6 führt laufend einen Soll-Istwert-Vergleich durch und gibt die Differenz (Regelabweichung)
über den Digital-Analog-Umsetzer 7 an den Antrieb 9 weiter, der nun, abhängig von
der Drehgeschwindigkeit des Prüflings 2 und dessen Steigung, den Meßkopf 11 nachführt.
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Die Teilerstufe 4 teilt die vom Drehgeber 3 ankommenden Impulse n
so, daß sie den vom Längsgeber 12 erzeugten Impulsen m mit einem max. Fehler von
einem Inkrementalschritt i in jedem Augenblick entsprechen. Das vom Sollwert der
Steigung s abhängende Teilerverhältnis T ist vor dem Prüfvorgang einzustellen und
berechnet sich zu ~ n ni m s wobei T eine nicht ganze Zahl ist. Handelt es sich
z.B. bei der Prüfung um eine ir-Steigung, so muß T soviel Stellen nach dem Komma
aufweisen, daß auf eine bestimmte Meßlänge der Fehler durch das Teilerverhältnis
T kleiner als ein Inkrementalschritt i wird.
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Der Meßkopf 11, der z.B. aus einem Induktiv-Tast-System bekannter
Bauart bestehen kann, erfaßt die Steigungsfehler des Prüflings 2 und die Regelabweichung,
die durch die Massenträgheit des Regelkreises entsteht. Diese Regelabweichung wird
in der Subtrahierstufe 14 von dem Meßsignal 15 abgezogen. Das somit erhaltene Signal
enthält nur noch den Fehler des Prüflings 2 und wird über eine Verstärkerstufe 16
auf ein Registriergerät 17 als Fehlerkurve aufgezeichnet.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel, mit dem die Messung
von Flankenformen (Evolventen) an Zahnrädern demonstriert wird, benutzt im wesentlichen
die gleichen Baugruppen wie das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Der
Unterschied zwischen Fig. 1 und Fig. 2 besteht darin, daß der Antrieb 9 nicht über
den Soll-Istwert-Differenzbildner 6 angesteuert wird, sondern über den Meßkopf 11.
Bei einer Drehung des Prüflings 2 mit dem Antrieb 1 wird der Taststift 31 am Meßsystem
11 ausgelenkt. Mit dem dadurch gewonnenen Signal (Regelabweichung) wird über die
Verstärkerstufe 8 der Antrieb 9 gesteuert.
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Am Differenzbildner 6 entsteht wieder durch Soll-Istwert-Vergleich
der digitale Wert des Flankenformfehlers und der Regelabweichung, der mit dem D/A-Umsetzer
7 in eine analoge Spannung (Meßsignal 15) umgesetzt wird. Wie in Fig. 1 wird in
der Subtrahierstufe 14 die Regelabweichung berücksichtigt und dann das Signal über
die Verstärkerstufe 16 auf dem Registriergerät 17 aufgezeichnet.
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Im Fall der Evolventenprüfung berechnet sich das Teilerverhältnis
T der Teiler stufe 4 zu n . i T = dg.# ' dgsir' wobei dg der Grundkreisdurchmesser
des Zahnrades ist. Der das Sollmaß des Prüflings charakterisierende Wert für T wird
vor der Messung dem Teiler eingegeben.
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Als weitere Auswertungsmöglichkeit ist die digitale Verarbeitung des
Meßsignals in Fig. 2 aufgenommen. Hierzu wird das Regelabweichungssignal des Meßkopfs
11 vom Analog-Digital-Umsetzer 18 digitalisiert und anschließend im Differenzbildner
19 vom Wert des Soll-Istwert-Differenzbildners 6 subtrahiert. Ein Prozeßrechner
21 kann das Signal zur weiteren Datenverarbeitung übernehmen und in der gewünschten
Form über Peripherie-Geräte 22, wie Plotter, Drucker, Lochstreifen u.ä. ausgeben.
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Die Vorrichtung in Fig. 3 zeigt die Richtungsfehlermessung an einem
Zahnrad.
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Wie bei Fig. 2 wird der Antrieb 9 über das Ausgangssignal des Meßkopfes
11 angesteuert. Der Vergleich zwischen der Drehbewegung des Prüflings und der Linearbewegung
des Meßkopfes erfolgt durch eine digitale Phasenmessung: die vom Drehgeber 3 ankommenden
Impulse n werden in der Teilerstufe 4 geteilt. Jeder durchgelassene Impuls (Startimpuls)
öffnet einen Zähler in dem Phasenmeßglied 24.
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Ein vom Längsgeber 12 kommender Impuls (Stopimpuls) schließt den Zähler.
Die Phasenlage beider Impulse zueinander gibt den augenblicklichen Fehler der Steigung
des Prüflings 2 und die Regelabweichung des Meßkopfes 11 wieder. Ausgemessen wird
die Phasenlage durch Impulse, die ein Interpolator 23 bekannter Bauart vom Lineargeber
ableitet.
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Von dem digitalen Wert des Phasenmeßgliedes 24 wird in der Differenzbildungsstufe
19 die Regelabweichung, die über den Analog-Digital-Umsetzer 18 ins Digitale transformiert
wurde, subtrahiert.
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Die von dem Differenzbildner ausgegebenen digitalen Werte, in diesem
Fall Steigungsfehler des Zahnrades, können über einen Rechner 21 weiterverarbeitet
werden oder über einen Digital-Analog-Umsetzer 7 und einen Verstärker 16 auf einem
Registriergerät 17 als Fehlerkurve aufgezeichnet werden.
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Das in die Teilerstufe 4 einzugebende Teilerverhältnis errechnet sich
zu
dabei ist: ßO der Schrägungswinkel do der Teilkreisdurchmesser des Zahnrades.
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Jede der in Fig. 1-3 beschriebenen Meßanordnung eignet sich dazu,
eine beliebige Steigung z. B. Gewinde- oder Spindel steigung, Flankenformen und
Richtungswinkel bei Zahnrädern, zu messen. Es ist auch ohne weiteres möglich, anstatt
wie in Fig. 1-3 dargestellt die Längsbewegung nachzusteuern, die Drehbewegung des
Prüflings nachzuführen.
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Weiter muß die Differenzbildung 6 nicht über zwei Zähler 5 und 13
(Soll-Istwert-Zähler) erfolgen, sondern es kann auch ein Vor-Rückwärtszähler als
Differenzbildner ausgebildet sein.
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