DE4336267A1 - Verfahren zur Messung eines Werkstückprofils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (H.J. Neumann, CNC-Koordinatenmeßtechnik, expert Verlag 1988, Seiten 370 und 371) wird das Profil eines Zahns eines Zahnrads gemessen (Kapitel 18.2.1).

Die Abtastung des Profils erfolgt ohne Drehtisch in kartesischen Koordinaten. Die Tastspitze fährt in einer ersten oder Vorschubachse mit konstanter Geschwindigkeit und folgt in einer zweiten oder Antastachse dem Profil. Nachteilig ist dabei, daß eine gesteuerte Bewegung von zwei verhältnismäßig schwe­ ren Maschinenachsen erforderlich ist, und daß dadurch einerseits die Meßgenauigkeit und andererseits die Meßgeschwindigkeit aufgrund geringer Dynamik vergleichs­ weise gering ist. So begnügt man sich in der Regel damit, an einem Zahnrad das Profil nur eines oder weniger Zähne zu messen.

Bekannt ist auch ein aus der klassischen Analogmeßtechnik abgeleitetes Verfahren zum Messen des Profils eines Zahnrads. Dabei wird eine sehr präzise entsprechend dem zu messenden Zahnrad gefertigte Grundkreisscheibe zen­ trisch mit dem zu messenden Zahnrad belegt und drehend angetrieben. Dabei wälzt sich die Grundkreisscheibe schlupffrei an einem Wälzlineal ab, das den Taster trägt. Die an das Zahnprofil angelegte Tastspitze folgt bei Drehung der aus Grundkreisscheibe und Zahnrad gebil­ deten Einheit dem Profil von seiner radial innersten bis zu seiner radial äußersten Stelle. Eine Auslenkung der Tastspitze in Abweichung von dem Sollprofil ist direkt ein Maß für die Abweichung des Istprofils vom Sollprofil. Nachteilig ist der hohe mechanische Aufwand. Praktisch ist für jeden Zahnradtyp eine gesonderte Präzisions- Grundkreisscheibe erforderlich und in die Meßmaschine einzubauen.

In Abänderung des letztgenannten Verfahrens ist es auch bekannt, den Reibkontakt zwischen der jeweiligen Grund­ kreisscheibe und dem Wälzlineal abzuschaffen. Statt dessen verwendet man einen hochauflösenden Winkelgeber mit einer Präzisionsspindel und bewegt deren Drehachse, entsprechend dem Sollprofil numerisch gesteuert, im richtigen Verhältnis zu der Linearbewegung des den Taster tragenden Lineals. Auch hier werden also zwei Maschinenachsen, elektronisch miteinander gekoppelt, bewegt. Die Winkelgeber sind teuer und weisen dennoch nur begrenzte Auflösung auf. Die Meßgenauigkeit nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Zahnrads ab.

Aus der DE 23 33 502 A1, Fig. 1 bis 3, sind unterschied­ liche Ausführungsformen des Messens von Zahnprofilen 1 bekannt. In allen Fällen ist das Zahnrad zentrisch auf einem Drehtisch 2 einer Verzahnungsmaschine befestigt und kann durch den Drehtisch in eine Meßposition gedreht werden. Die Tastspitze 10 sitzt jeweils an einem Hebel 11, 16, der unter Vorspannung 14 um die Längsachse M eines Winkelgebers 5 schwenkbar 13, 19, 23 ist. Hinzukommt in jedem Fall ein Lineargeber 4, 15, 20, dessen beweglicher Teil durch einen Motor 6 relativ zu seinem stationären Teil durch ein Steuergerät 7 steuerbar verschoben wird. In einem Rechner 9 findet ein Soll/Istwert-Vergleich des Profils statt. In Fig. 4 ist anstelle des Winkelgebers ein weiterer Lineargeber 25 verwendet, dessen beweglicher Teil winkeleinstellbar einen Hebel 26 trägt. An dem Hebel 26 ist die Tastspitze 10 befestigt. Diese bekannten Verfahren bedingen hohen baulichen Aufwand und sind in der Meßgenauigkeit und -geschwindigkeit begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Profilmessung bei verringertem baulichen Aufwand zu steigern.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren ist insbesondere zur Messung der Profile von Zähnen von Zahnrädern, Wälzfräsern und Formfräsern geeignet, und zwar sowohl für Geradverzahnun­ gen als auch für Schrägverzahnungen. Es eignet sich grundsätzlich zur Messung aller Zahnflankenprofile, z. B. von Evolventen-, Zykloiden-, Kreisbogen- und Sonderver­ zahnungen. Das Meßverfahren ist jedoch auch zur Profil­ messung an Bohrern, Leit- und Laufschaufeln von Turbinen, Hirth-Verzahnungen sowie allen Keilwellen- und Keilnaben­ profilen einsetzbar. Es lassen sich gleichermaßen Innen- und Außenverzahnungen messen. Als Taster ist vorzugswei­ se ein hochdynamischer Taster mit einer Tastkugel als Tastspitze geeignet. Von besonderem Vorteil ist, daß die Tastspitze während der Messung nur in einer einzigen, nämlich der ersten Achse angetrieben bewegt werden muß. Dies steigert die Dynamik des Messens und reduziert die Entstehung schädlicher Schwingungen auf ein Minimum. Die Messung geschieht in einem Zug bei ruhendem Werkstück. Auch dies fördert die Präzision der Messung. Insbesonde­ re bei Verwendung eines hochdynamischen Tasters kann die Messung verhältnismäßig sehr schnell erfolgen. Die teuren und dennoch nur begrenzt auflösenden Winkelgeber sind überflüssig. Es können jetzt bei der Zahnradmessung bei Bedarf auch alle Zähne des Zahnrads mit vertretbarem Zeitaufwand und sehr hoher Genauigkeit vermessen werden. Nach Umstellung des Tasters oder bei Verwendung eines zweiten Tasters lassen sich mit gleichen Vorteilen auch beide Flanken der Zähne messen. Die Präzision und Ge­ schwindigkeit der Messung ist unabhängig von den sonsti­ gen Abmessungen des Werkstücks, z. B. vom Durchmesser des Zahnrads. In der Auswerteschaltung kann in an sich bekannter Weise z. B. ein Vergleich der von dem Ist- Profil abgeleiteten Meßsignale mit abgespeicherten Daten des Soll-Profils stattfinden. Eventuelle Abweichungen können in beliebiger Weise ausgegeben werden.

Die Merkmale des Anspruchs 2 ermöglichen oder erleichtern gegebenenfalls die Anordnung des zu messenden Profils in der Meßfläche der Tastspitze.

Die Merkmale des Anspruchs 3 bieten besondere betriebli­ che Vorteile.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 läßt sich besonders einfach ein hochdynamischer Taster herstellen.

Gemäß Anspruch 5 ergeben sich minimale Tastwege. Die Tastrichtung entspricht möglichst gut der Flächennormalen des Profils in allen nacheinander abgetasteten Punkten des Profils.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 6 läßt sich das Profil besonders vollständig vermessen und prüfen.

Die Merkmale des Anspruchs 7 bieten besondere betriebli­ che Vorteile und dienen der Vermeidung von Maschinen­ schwingungen aufgrund von Beschleunigungen und Verzöge­ rungen des Tasters in Richtung der ersten Achse.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines Zahnrads mit zu vermessenden Zähnen,

Fig. 3 das Zahnrad gemäß Fig. 2 in vergrößerter Darstel­ lung und in Meßposition,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Meßvorrichtung, die zur Profilmessung beider Zahnflanken geeignet ist, und

Fig. 5 Einzelheiten eines erfindungsgemäß zu verwendenden Tasters.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.

Auf einem Drehtisch 2 der Vorrichtung 1 mit einer Dreh­ achse C ist ein Werkstück 3 in Gestalt eines Zahnrads koaxial aufgespannt. Durch Drehung des Drehtischs 2 um seine Drehachse C läßt sich jeder Zahn 4 des Werkstücks 3 in eine optimale Meßposition relativ zu einer als Kugel ausgebildeten Tastspitze 5 eines Tasters 6 einstel­ len. Während der eigentlichen Messung eines Profils 7 des Zahns 4 findet eine Drehung des Drehtischs 2 nicht statt.

Zur Messung läßt sich der Taster 6 in den Richtungen einer ersten Achse R bewegen. Zuvor kann der Taster 6 in den Richtungen einer zu der ersten Achse R rechtwinkli­ gen zweiten Achse Y eingestellt werden. Die Achsen R, Y, bilden ein kartesisches Koordinatensystem, das normaler­ weise rechtwinklig zu der Drehachse C angeordnet ist, aber auch geneigt sein kann.

In Fig. 1 sind an einem der Zähne 4 strichpunktiert zwei Profile 7 in axialem Abstand voneinander eingezeichnet. Es kann auf die erfindungsgemäße Weise nur ein solches Profil 7 je Zahn 4 oder auch beliebig viele solche Profile 7 gemessen werden. Für jede derartige Schnitt­ ebene wird der Taster 6 vor Beginn der Messung in den Richtungen einer zu der ersten Achse R und der zweiten Achse V rechtwinkligen dritten Achse Z eingestellt.

In Fig. 2 sind an dem Zahn 4 ein Anfang 8 und ein Ende 9 des zu messenden Profils 7 eingezeichnet. Es ist ferner strichpunktiert eine Regressionsgerade 10 eingezeichnet, die in etwa den Verlauf des Profils 7 ausmittelt.

In Fig. 2 hat die Regressionsgerade 10 noch eine zum kartesischen Koordinatensystem R, Y ungünstige Drehlage. Man wird deshalb vor Beginn der Messung den Drehtisch 2 mit dem darauf aufgespannten Werkstück 3 zunächst so lange um die Drehachse C drehen, bis die Regressions­ gerade 10 z. B. parallel zu der ersten Achse R liegt.

Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 3 ist die Tastspitze 5 an einem gekröpften Hebel 11 des Tasters 6 befestigt. Diese Kröpfung ist zur Vereinfachung in Fig. 1 nicht dargestellt. Der Hebel 11 ist in dem Taster 6 um eine Schwenkachse 12 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse 12 verläuft normalerweise parallel zu der Drehachse C, kann aber auch, z. B. bei der Messung einer Schrägverzahnung, anders angeordnet sein. Über den Hebel 11 und einen geeigneten, an sich bekannten Antrieb kann die Tastspitze 5 stets mit ver­ hältnismäßig geringer Kraft in Anlage an dem Profil 7 gehalten werden.

Fig. 3 zeigt auch eine gestrichelt eingetragene recht­ eckige Hüllfläche 13 des Profils 7. Die Hüllfläche 13 ist durch die zu der ersten Achse R parallele Verbin­ dungslinie 14 zwischen dem Anfang 8 und dem Ende 9 des Profils 7, der zu der Verbindungslinie 14 parallelen Tangente 15 an das Profil 7 und stirnseitige Abschluß­ linien 16 und 17 umrissen. Die Hüllfläche 13 ist stets eine rechteckig begrenzte Fläche, die das Profil 7 vollständig einschließt, und von der zwei gegenüberlie­ gende Begrenzungslinien 14, 15 parallel zur ersten Achse R verlaufen. Ein Arbeitsbereich der Tastspitze 5 defi­ niert eine Meßfläche, die aus dem Tasterhub in der zweiten Achse Y und dem Tastermeßweg in der ersten Achse X aufgespannt ist. In jedem Fall liegt die Hüllfläche 13 vollständig in der Meßfläche der Tastspitze 5.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann wie folgt durch­ geführt werden:

Zunächst wird, wie zuvor erläutert, das Werkstück 3 so um die Drehachse C gedreht, daß das zu messende Profil 7 vollständig innerhalb der Meßfläche der Tastspitze 5 liegt.

Sodann wird - mit oder ohne Berührung der Tastspitze 5 mit dem Profil 7 - der Taster 6 in der ersten Achse R in eine Zahnlücke 18 hineingefahren. Spätestens dann wird die Tastspitze 5 an den Anfang 8 des Profils angelegt. Sodann wird der Taster 6 mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit entgegengesetzt in der ersten Achse R gefahren und dabei die Tastspitze 5 aus der Zahnlücke 18 herausgezogen. Dabei folgt die Tastspitze dem Profil 7, während der Hebel 11 entsprechend ausgelenkt wird und um die Schwenkachse 12 hin und her schwenkt.

In der Regel wird die Meßfläche der Tastspitze 5 größer als die in Fig. 3 eingezeichnete Hüllfläche 13 des Profils 7 sein, um einerseits Profile 7 unterschiedli­ cher Größe mit ein und derselben Meßvorrichtung 1 messen zu können, und andererseits die Positionierung des jeweiligen Profils 7 in der Meßfläche zu erleichtern.

Hüllflächen 19, die größer als die Hüllfläche 13 gemäß Fig. 3 sind, zeigt Fig. 4. Die hier schematisch gezeich­ nete Vorrichtung 1 gestattet es, nacheinander beide Profile 7 und 20 jedes Zahns 4 zu messen. Dazu sind in diesem Fall die Regressionsgeraden 10 der Profile 7, 20 nicht parallel zur ersten Achse R ausgerichtet worden, bevor die Messung beginnt. Wie gesagt, ist dies auch nicht erforderlich, solange die Meßflächen der Tast­ spitzen 5, 5 groß genug sind, um das gesamte Profil 7, 20 aufzunehmen. Auch gemäß Fig. 4 kann aber so vorgegangen werden, daß zur jeweiligen Profilmessung das Werkstück 3 zunächst um die Drehachse C in eine Meßposition entspre­ chend Fig. 3 gedreht wird.

In Fig. 4 wird z. B. zunächst das Profil 7 gemessen. Dabei kann die Tastspitze 5 an dem Hebel 11 um die Schwenkachse 12 mit einem Radius 21 auf einem Kreisbogen 22 ausgelenkt werden. Hier, wie auch schon in Fig. 3, kann der Taster 6 zunächst in eine günstige Ausgangs­ position in der zweiten Achse Y verfahren und einge­ stellt werden. Dabei ergibt sich ein Versatz 23 einer Längsachse 24 des Tasters 6 von der durch die Drehachse C verlaufenden ersten Achse R.

Nach dieser Messung des Profils 7 wird der in Fig. 4 mit voll ausgezogenen Linien dargestellte Taster 6 in eine inaktive Position außer Eingriff mit dem Werkstück 3 gefahren. Nachfolgend wird der in Fig. 4 strichpunktiert eingezeichnete andere Taster 6 in Meßposition gebracht, in der er das Profil 20 in der gleichen Weise vermessen kann. Alternativ können beide Profile 7, 20 mit demselben Taster 6 gemessen werden. Dazu wird der Taster 6 nach­ einander in unterschiedliche Betriebsstellungen einge­ stellt.

Gemäß Fig. 5 erzeugt ein rückwärtiges Ende des Hebels 11 bei seiner Schwenkung um die Schwenkachse 12 im Zusammen­ wirken mit einem Wandler 25 elektrische Meßsignale, die über eine Leitung 26 in eine Auswerteschaltung 27 einge­ geben werden. Der Taster 6 ist an einem Schlitten 28 befestigt, der verschiebbar auf einem sich parallel zu der ersten Achse R erstreckenden Lineal 29 geführt ist. Das Lineal 29 weist einen Inkrementalmaßstab 30 auf, mit dem ein an dem Schlitten 28 angeordneter Wandler 31 elektrische Meßsignale erzeugt, die über eine Leitung 32 ebenfalls in die Auswerteschaltung 27 eingegeben werden.

Wie in Fig. 5 durch den Doppelpfeil y angedeutet, ist das Lineal 29 durch nicht gezeichnete Mitteln z. B. einen weiteren oder Querschlitten, in Richtung der zweiten Achse Y einstellbar, um bei Bedarf den Versatz 23 (Fig. 4) zu bewerkstelligen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung eines Profils (7; 20) eines Werkstücks (3) mit einer Tastspitze (5) eines Tasters (6) gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• A) Das Werkstück (3) wird auf einem eine Drehachse (C) aufweisenden Drehtisch (2) befestigt,
• B) der Drehtisch (2) wird mit dem Werkstück (3) so gedreht, daß eine Hüllfläche (13; 19) des Profils (7; 20) in einer Meßfläche der Tastspitze (5) liegt,
• C) die Tastspitze (5) wird in einer ersten Achse (R) in den Bereich eines Anfangs (8) des Profils (7; 20) bewegt,
• D) durch Aufschalten einer Meßkraft wird die Tast­ spitze (5) an den Anfang (8) des Profils (7; 20) angelegt,
• E) der Taster (6) wird in der ersten Achse (R) bewegt, so daß sich die Tastspitze (5) bei weiter aufge­ schalteter Meßkraft in Berührung mit dem Profil (7; 20) zumindest bis zu einem Ende (9) des Profils (7; 20) bewegt, wobei die Tastspitze (5) in ihrer Meßfläche quer zu der ersten Achse (R) ausgelenkt wird,
• F) der jeweiligen Auslenkung der Tastspitze (5) entsprechende elektrische Meßsignale werden durch den Taster (6) erzeugt und in eine Auswerteschal­ tung (27) eingegeben und
• G) der Position des Tasters (6) in der ersten Achse (R) entsprechende elektrische Meßsignale werden in die Auswerteschaltung (27) eingegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt B) der Taster (6) in einer zu der ersten Achse (R) rechtwinkligen zweiten Achse (Y) eingestellt wird, bis die Meßfläche der Tastspitze (5) in eine für das Profil (7; 20) günstige Position relativ zu der Drehachse (C) des Drehtischs (2) gelangt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßfläche der Tastspitze (5) rechtwink­ lig zu der Drehachse (C) des Drehtischs (2) angeord­ net wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (5) auf einem Kreisbogen (22) um eine Schwenkachse (12) des Tasters (6) ausgelenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (3) im Schritt B) gedreht wird, bis eine Regressionsgerade (10) des Profils (7; 20) zumindest annähernd parallel zu der ersten Achse (R) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (5) nacheinander in unterschiedliche Schnittebenen des Profils (7; 20) in den Richtungen einer zu der ersten Achse R und der zweiten Achse Y rechtwinkligen dritten Achse Z einge­ stellt wird, und daß in jeder Schnittebene das dor­ tige Profil (7; 20) gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (6) im Schritt E) mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.