WO2006053447A1 - Method and device for measuring three-dimensional curved surfaces - Google Patents

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WO2006053447A1
WO2006053447A1 PCT/CH2004/000694 CH2004000694W WO2006053447A1 WO 2006053447 A1 WO2006053447 A1 WO 2006053447A1 CH 2004000694 W CH2004000694 W CH 2004000694W WO 2006053447 A1 WO2006053447 A1 WO 2006053447A1
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measuring
distance sensors
measurement
sensor head
distances
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PCT/CH2004/000694
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Inventor
Walter Wirz
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Reishauer Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/28—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B7/283—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures of gears

Definitions

  • the present invention relates to a method and a Vorrich ⁇ device for measuring deviations in shape of three-dimensionally curved surfaces and especially for measuring Flankenformabweichonne on gears with three-dimensionally modified tooth flank shape.
  • the shaping processing of three-dimensionally curved surfaces with narrow dimensional tolerances such as, for example, the flank surfaces of a gear wheel or the guide surfaces of a turbine blade usually takes place on machines with a high number of electronically controlled functions which have to be designed with high precision. Even minor dysfunctions and interference such. Tool wear, thermal deformations and contamination effects can result in quality defects. Especially in mass production it is necessary to continuously monitor the quality of the machining process in order to avoid rejects. The most meaningful criterion for this is the quality of the finished workpiece itself.
  • the geometry testing of workpieces with a three-dimensionally curved surface is generally carried out on a 3D measuring machine on which the machined surface is measured pointwise.
  • a 3D measuring machine on which the machined surface is measured pointwise.
  • special tooth flank measuring machines are available which are adapted to the particular requirements of a tooth flank measurement.
  • the measurement is In any case costly and time consuming. Therefore, it is only rarely possible to provide a 100% inspection of the finished workpiece in large-scale production with its ever shorter processing times. A corrective intervention in the machining process can therefore only take place at certain intervals. However, this involves the risk of producing committees until a new test result is obtained.
  • the measurement of the deviation in shape and position of manufactured workpiece surfaces takes place by means of a plurality of distance sensors calibrated without contact and calibrated with the aid of a calibration workpiece, which are closely spaced from one another in a sensor head above a workpiece workpiece to be measured. Surface are arranged. Workpiece and sensor head are brought into the measuring position by pivoting or shifting each other.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for measuring the flank shape deviations of a toothed wheel
  • FIG. 2 is a partial view of FIG. 1 in an enlarged view with a sensor head in a first embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of the sensor head of Fig. 2 in a second embodiment
  • the invention will be described in detail by the example of a device for measuring flank shape deviations of a gear. It builds on the experience that even a point-only Ver ⁇ measurement of the tooth flank form provides sufficient information about the flank form deviations of the workpiece teeth, as long as the measuring point distance on the flank surface is sufficiently small.
  • FIG. 1 shows one of the possible embodiments of a device according to the invention for measuring the shape deviations of tooth flanks 4, 5 of a toothed wheel 1.
  • a base plate 12 On a base plate 12, both a receptacle 13 for the toothed wheel 1 to be measured and a sensor holder 14 are arranged.
  • the sensor holder 14 In the sensor holder 14 is a radial led to the gear 1 movable sensor shaft 15, with which a sensor head 2 is detachably connected.
  • the sensor holder 14 ensures precise delivery and positioning of the sensor head 2 in a tooth gap 3 of the toothed wheel 1 to be measured.
  • a signal line 16 connects the sensor head 2 to an evaluation module 17, which forwards the measured values to a computer, not shown, for processing ,
  • the sensor head is detachably connected to a bed of a processing machine, and the workpiece clamped on a work spindle is brought into a measuring position after machining by means of feed movement of a workpiece carriage.
  • the sensor head 2 shows a partial view of the gearwheel 1 to be processed and the sensor head 2 in a first embodiment variant for measuring the shape deviations of the tooth flanks 4, 5.
  • the sensor head 2, which is displaceable relative to the gearwheel 1 in the radial direction 18, has approximately the shape of the tooth gap It is shaped so that after its immersion in the tooth gap 3 and reaching the measuring distance between the finished be ⁇ machined workpiece tooth flanks 4, 5 and flanks 6, 7 of the Sensor ⁇ head remains a measuring gap which is larger as the maximum expected flank shape deviation of the gear 1.
  • the flanks 6, 7 of the sensor head 2 are equipped matrix-like on their entire Ober ⁇ surface in a measuring task adapted Raster ⁇ distance with contactless measuring distance sensors 8 whose respective measuring axis is preferably perpendicular to the flank surface.
  • These sensors 8 are in the first embodiment variant shown here in the flanks 6, 7 of the sensor holder 2 individually inserted, acting as Induktivaufsmelling wire coils with an outer diameter, which must be naturally smaller than a grid spacing or measuring point distance 20.
  • the coils have preferably a ferrite core. In the measuring position of the sensor head 2, they face the workpiece tooth flanks 4, 5 at a distance from the measuring gap width.
  • the distance sensors 8 are connected via a multiplexer to an oscillator and a measuring amplifier in the measuring and evaluation module 17, which individually evaluates the signals of all sensors during the measurement and stores them in a suitable computer.
  • the detection of the sensor signals can be done simultaneously, in groups or in succession. Because of the short time required for one measurement per sensor, a number of e.g. 100 sensors per edge, the total measuring time required for this not more than 1 second.
  • the comparison of the individual measured values with the predetermined desired results in the flank shape deviation of the workpiece 1 in the measuring points 20 of all the sensors 8 as well as the deviation of the measured tooth gap width from the desired value, which easily results in the tooth width deviation that is usually of interest can be converted.
  • FIG. 3 shows as a conceivable alternative to individually set sensors 8 in a second embodiment variant on a silicon substrate in a line-shaped arrangement, e.g. Photochemically generated sensors 8, which are applied to the flanks 6, 7 of the sensor head 2 in the form of sensor strips 10 in the direction of a generating straight line 11.
  • Photochemically generated sensors 8 which are applied to the flanks 6, 7 of the sensor head 2 in the form of sensor strips 10 in the direction of a generating straight line 11.
  • the distance sensors 8 Since the distance sensors 8, despite the same production data, usually do not completely agree in their physical characteristics, they must be calibrated before the production operation.
  • a tooth gap of a calibration gear which is topologically measured in a conventional manner with the workpiece setpoint geometry into which the sensor head 2 is retracted for calibration inside or outside the machine is used. If the sensor head 2 is radially positioned in the tooth gap of this calibration gear, then the Kalibrier leopardrad is rotated so far until the small clearance or the measuring gap width between this and the sensor head 2 is lifted on the first tooth flank, ie the sensor head ein ⁇ i tig on one of the two tooth flanks of the Kalibrier leopardrades an ⁇ . This is the starting point for the calibration.
  • the measured values of all the sensors 8 are interrogated by the measuring amplifier and adjusted to the same initial value, for example by adding individual correction values. Zero, brought.
  • the corresponding Flankenformabweichung the Kalibrier ⁇ gear in accordance with its measurement protocol with the correction value of the calibration can be additionally offset by measuring points. The output values would then not all be zero, but they reflected the flank shape deviations of the Kalibrierschwrades.
  • the calibration gear is rotated by a small angle value so that a clearance of, for example, between the sensor head and calibration gear flank surfaces is produced.
  • 0.01 mm ent stands.
  • the second calibration run which provides a second point of the correction curve of all sensors 8, in such a way that all corrected measurement signals be ⁇ the same value be ⁇ sitting, which corresponds to 0.01 mm - possibly again taking into account the Flankenformabweichungen the Kalibrier leopardrades ,
  • the measuring device is arranged on the machine bed, and the sensor head or the workpiece is brought into the measuring position following the machining of the workpiece before it is unclamped. If, during the manufacturing process, the measured value of one of the sensors 8 exceeds the predetermined tolerance limit, then the production process can be stopped and / or the assessment of the tolerance violation by the operator or the machine can be triggered by means of appropriate software.
  • the measured workpiece tooth flanks in a known manner, as in FIG. 4, in a 3D representation, wherein the desired shape of the three-dimensionally curved tooth flank is usually represented as a plane, the so-called reference plane 19.
  • the measured shape deviations 9 are plotted for each individual measured flank point in a strong elevation.
  • the measuring points 20 connected to a network then yield an image of the flank shape deviation as a surface deviating from the reference surface.
  • Steles where the specified tolerance is exceeded can be drawn in red for quick recognition.
  • the method according to the invention and the device according to the invention enable not only a 100% inspection of the finished workpieces for tolerance, but also the recording and logging of the effectively generated tooth flank form and surfaces of each individual workpiece 1 and their change during the entire process duration.
  • inventive method and Vorrich ⁇ inventive device are particularly suitable for gears.
  • same method can also be used for other three-dimensionally curved surfaces, wherein the device used is adapted to the shape of the surface to be measured.

Abstract

The invention relates to a method and a device, for the measurement of the shape and positional variations of three-dimensional curved surfaces, whereby the separations between the measuring surfaces (4, 5) and separation sensors (8), arranged on a sensor head (2) at each measuring point of a number of measuring points (20), distributed over the measuring surfaces, are determined in a single measuring run. The sensors are connected to an oscillator and measuring amplifier by means of a multiplexer. The measurement results are stored and represented graphically. When the measured shape and positional variations (9) exceed the quoted tolerance a signal for the same is displayed. The method is suitable for the continuous monitoring of shaping machining processes.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung dreidimensional gekrümm- ter Flächen Method and device for measuring three-dimensionally curved surfaces
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur Messung von Formabweichungen dreidimensional gekrümmter Flächen und speziell zur Messung von Flankenformabweichungen an Zahnrädern mit dreidimensional modifizierter Zahnflankenform.The present invention relates to a method and a Vorrich¬ device for measuring deviations in shape of three-dimensionally curved surfaces and especially for measuring Flankenformabweichungen on gears with three-dimensionally modified tooth flank shape.
Stand der TechnikState of the art
Die formgebende Bearbeitung dreidimensional gekrümmter Flächen mit engen Masstoleranzen wie beispielsweise der Flankenoberflächen ei¬ nes Zahnrads oder der Leitflächen einer Turbinenschaufel erfolgt gewöhnlich auf Maschinen mit einer hohen Anzahl elektronisch ge¬ steuerter Funktionen, die mit hoher Präzision ausgeführt werden müssen. Schon geringfügige Funktionsstörungen sowie Störeinflüsse wie z.B. Werkzeugverschleiss, thermische Deformationen und Ver¬ schmutzungseffekte können Qualitätsmängel zur Folge haben. Beson¬ ders in der Grossserienfertigung ist es daher zur Vermeidung von Ausschuss notwendig, die Qualität des Bearbeitungsprozesses konti¬ nuierlich zu überwachen. Das hierfür aussagefähigste Kriterium ist die Qualität des gefertigten Werkstücks selbst.The shaping processing of three-dimensionally curved surfaces with narrow dimensional tolerances such as, for example, the flank surfaces of a gear wheel or the guide surfaces of a turbine blade usually takes place on machines with a high number of electronically controlled functions which have to be designed with high precision. Even minor dysfunctions and interference such. Tool wear, thermal deformations and contamination effects can result in quality defects. Especially in mass production it is necessary to continuously monitor the quality of the machining process in order to avoid rejects. The most meaningful criterion for this is the quality of the finished workpiece itself.
Die Geometrieprüfung von Werkstücken mit dreidimensional gekrümm¬ ter Oberfläche wird im allgemeinen auf einer 3D-Messmaschine durchgeführt, auf der die bearbeitete Fläche punktweise vermessen wird. Für die Vermessung von Zahnflanken stehen spezielle Zahn- flankenmessmaschinen zur Verfügung, die an die besonderen Erfor¬ dernisse einer Zahnflankenmessung angepasst sind. Die Messung ist in jedem Fall kosten- und zeitaufwändig. Deshalb ist es nur in den seltensten Fällen möglich, in der Grossserienproduktion mit ihren immer kürzer werdenden BearbeitungsZeiten eine 100%-Kontrolle der gefertigten Werkstück vorzusehen. Ein korrigierender Eingriff in den Bearbeitungsprozess kann also nur in gewissen Zeitabständen erfolgen. Dies birgt jedoch die Gefahr der Produktion von Aus- schuss in sich, bis ein jeweils neues Prüfergebnis vorliegt.The geometry testing of workpieces with a three-dimensionally curved surface is generally carried out on a 3D measuring machine on which the machined surface is measured pointwise. For the measurement of tooth flanks special tooth flank measuring machines are available which are adapted to the particular requirements of a tooth flank measurement. The measurement is In any case costly and time consuming. Therefore, it is only rarely possible to provide a 100% inspection of the finished workpiece in large-scale production with its ever shorter processing times. A corrective intervention in the machining process can therefore only take place at certain intervals. However, this involves the risk of producing committees until a new test result is obtained.
Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen gewisse Messungen am Werkstück wie z.B. eine Werkstückpositionsmessung in eingespanntem Zustand auf der Maschine durchgeführt werden. Eine Überprüfung der Flankenformabweichung dreidimensional modifizierter Zahnflanken mit bekannten Messmitteln auf der Bearbeitungsmaschine kommt je¬ doch wegen des Produktionszeitverlusts und des möglichen Einflus¬ ses von Kühlschmiermittel und Spänen im Arbeitraum auf die Messge¬ nauigkeit in der Praxis kaum in Frage.Solutions are also known in which certain measurements on the workpiece, e.g. a workpiece position measurement in the clamped state can be performed on the machine. A check of the flank shape deviation of three-dimensionally modified tooth flanks with known measuring means on the processing machine, however, is hardly feasible in practice due to the loss of production time and the possible influence of cooling lubricant and chips in the working space on the measuring accuracy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein schnelles und genaues Messen von Formabweichungen dreidimensional gekrümmter Flächen, insbeson¬ dere der bearbeiteten Oberflächen von in Grossserie gefertigten Werkstücken erlauben und somit eine 100%-Kontrolle der gefertigten Werkstücke bzw. eine kontinuierliche unmittelbare Fertigungspro¬ zesskontrolle und -Steuerung ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus which permit a fast and accurate measurement of deviations in shape of three-dimensionally curved surfaces, in particular the machined surfaces of workpieces produced in mass production and thus a 100% control of the finished workpieces or enable a continuous direct manufacturing process control and control.
Diese Aufgabe lösen ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 respektive 11.This object is achieved by a method and a device having the features of patent claims 1 and 11, respectively.
Erfindungsgemäss erfolgt das Messen der Form- und Lageabweichung von gefertigten Werkstückflächen mittels einer Vielzahl berüh¬ rungslos arbeitender, mit Hilfe eines Kalibrierwerkstücks kali¬ brierter Abstandssensoren, die in geringem Abstand voneinander in einem Sensorkopf dicht über einer zu vermessenden Werkstück- Oberfläche angeordnet sind. Werkstück und Sensorkopf werden durch Schwenkung oder Verschiebung zueinander in Messstellung gebracht.According to the invention, the measurement of the deviation in shape and position of manufactured workpiece surfaces takes place by means of a plurality of distance sensors calibrated without contact and calibrated with the aid of a calibration workpiece, which are closely spaced from one another in a sensor head above a workpiece workpiece to be measured. Surface are arranged. Workpiece and sensor head are brought into the measuring position by pivoting or shifting each other.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen darge¬ stellt ist, näher erläutert. Die Zeichnungen beinhalten:In the following the invention will be explained in more detail by means of a preferred embodiment, which is illustrated in the accompanying drawings. The drawings include:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Mes¬ sen der Flankenformabweichungen eines Zahnrades,1 shows a schematic representation of a device for measuring the flank shape deviations of a toothed wheel,
Fig. 2 eine Teilansicht von Fig. 1 in vergrösserter Darstellung mit einem Sensorkopf in einer ersten Ausführungsvariante,2 is a partial view of FIG. 1 in an enlarged view with a sensor head in a first embodiment,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Sensorkopfes von Fig. 2 in einer zweiten Ausführungsvariante undFig. 3 is a schematic representation of the sensor head of Fig. 2 in a second embodiment and
Fig. 4 eine grafische Darstellung eines Messresultats einer Zahn¬ flankenmessung.4 is a graphic representation of a measurement result of a tooth flank measurement.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die Erfindung wird am Beispiel einer Einrichtung zum Messen von Flankenformabweichungen eines Zahnrades detailliert beschrieben. Sie baut auf der Erfahrung auf, dass auch eine nur punktweise Ver¬ messung der Zahnflankenform genügend Information über die Flanken¬ formabweichungen der Werkstückzähne liefert, sofern der Mess- punktabstand auf der Flankenoberfläche hinreichend klein ist.The invention will be described in detail by the example of a device for measuring flank shape deviations of a gear. It builds on the experience that even a point-only Ver¬ measurement of the tooth flank form provides sufficient information about the flank form deviations of the workpiece teeth, as long as the measuring point distance on the flank surface is sufficiently small.
Fig. 1 zeigt eine der möglichen Ausführungsformen einer erfin- dungsgemässen Vorrichtung zum Messen der Formabweichungen von Zahnflanken 4, 5 eines Zahnrades 1. Auf einer Grundplatte 12 ist sowohl eine Aufnahme 13 für das zu vermessende Zahnrad 1 als auch ein Sensorhalter 14 angeordnet. Im Sensorhalter 14 ist ein radial zum Zahnrad 1 verschiebbarer Sensorschaft 15 geführt, mit welchem ein Sensorkopf 2 lösbar verbunden ist. Der Sensorhalter 14 gewähr¬ leistet ein präzises Zustellen und Positionieren des Sensorkopfes 2 in einer Zahnlücke 3 des zu vermessenden Zahnrades 1. Eine Sig¬ nalleitung 16 verbindet den Sensorkopf 2 mit einem Auswertemodul 17, welches die Messwerte an einen nicht dargestellten Rechner zur Verarbeitung weiter leitet.1 shows one of the possible embodiments of a device according to the invention for measuring the shape deviations of tooth flanks 4, 5 of a toothed wheel 1. On a base plate 12, both a receptacle 13 for the toothed wheel 1 to be measured and a sensor holder 14 are arranged. In the sensor holder 14 is a radial led to the gear 1 movable sensor shaft 15, with which a sensor head 2 is detachably connected. The sensor holder 14 ensures precise delivery and positioning of the sensor head 2 in a tooth gap 3 of the toothed wheel 1 to be measured. A signal line 16 connects the sensor head 2 to an evaluation module 17, which forwards the measured values to a computer, not shown, for processing ,
In einer nicht gezeigten Alternative zu der in Fig. 1 dargestell¬ ten Messvorrichtung ist der Sensorkopf lösbar mit einem Bett einer Bearbeitungsmaschine verbunden, und das auf einer Arbeitsspindel gespannte Werkstück wird nach der Bearbeitung mittels Zustellbewe¬ gung eines Werkstückschlittens in eine Messposition gebracht.In an alternative, not shown, to the measuring device illustrated in FIG. 1, the sensor head is detachably connected to a bed of a processing machine, and the workpiece clamped on a work spindle is brought into a measuring position after machining by means of feed movement of a workpiece carriage.
Es ist auch möglich, sowohl Sensorkopf 2 wie auch das Werkstück verschiebbar zueinander anzuordnen.It is also possible to arrange both sensor head 2 as well as the workpiece displaceable to each other.
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht des zu bearbeitenden Zahnrades 1 und des Sensorkopfes 2 in einer ersten Ausführungsvariante zur erfin- dungsgemässen Messung der Formabweichungen der Zahnflanken 4, 5. Der relativ zum Zahnrad 1 in radialer Richtung 18 verschiebbare Sensorkopf 2 besitzt annähernd die Form der Zahnlücke 3 des Zahn¬ rades 1. Er ist so geformt, dass nach seinem Eintauchen in die Zahnlücke 3 und Erreichen des Messabstands zwischen den fertig be¬ arbeiteten Werkstückzahnflanken 4, 5 und Flanken 6, 7 des Sensor¬ kopfes ein Messspalt verbleibt, der grösser ist als die maximal zu erwartende Flankenformabweichung des Zahnrades 1.2 shows a partial view of the gearwheel 1 to be processed and the sensor head 2 in a first embodiment variant for measuring the shape deviations of the tooth flanks 4, 5. The sensor head 2, which is displaceable relative to the gearwheel 1 in the radial direction 18, has approximately the shape of the tooth gap It is shaped so that after its immersion in the tooth gap 3 and reaching the measuring distance between the finished be¬ machined workpiece tooth flanks 4, 5 and flanks 6, 7 of the Sensor¬ head remains a measuring gap which is larger as the maximum expected flank shape deviation of the gear 1.
Die Flanken 6, 7 des Sensorkopfes 2 sind auf ihrer gesamten Ober¬ fläche matrixähnlich in einem der Messaufgabe angepassten Raster¬ abstand mit berührungslos messenden Abstandssensoren 8 bestückt, deren jeweilige Messachse auf der Flankenoberfläche vorzugsweise senkrecht steht. Diese Sensoren 8 sind in der hier dargestellten ersten Ausführungsvariante in die Flanken 6, 7 des Sensorhalters 2 einzeln eingelassene, als Induktivaufnehmer wirkende Drahtspulen mit einem Aussendurchmesser, der naturgemäss kleiner sein muss als ein Rasterabstand bzw. Messpunktabstand 20. Die Spulen weisen vor- zugsweise einen Ferritkern auf. Sie stehen in der Messposition des Sensorkopfes 2 den Werkstückzahnflanken 4, 5 im Abstand der Mess- spaltbreite gegenüber.The flanks 6, 7 of the sensor head 2 are equipped matrix-like on their entire Ober¬ surface in a measuring task adapted Raster¬ distance with contactless measuring distance sensors 8 whose respective measuring axis is preferably perpendicular to the flank surface. These sensors 8 are in the first embodiment variant shown here in the flanks 6, 7 of the sensor holder 2 individually inserted, acting as Induktivaufnehmer wire coils with an outer diameter, which must be naturally smaller than a grid spacing or measuring point distance 20. The coils have preferably a ferrite core. In the measuring position of the sensor head 2, they face the workpiece tooth flanks 4, 5 at a distance from the measuring gap width.
Die AbStandssensoren 8 sind über einen Multiplexer mit einem Os¬ zillator und einem Messverstärker im Mess- und Auswertemodul 17 verbunden, der während der Messung die Signale aller Sensoren ein¬ zeln nacheinander auswertet und in einem geeigneten Rechner ab¬ speichert. Die Erfassung der Sensorsignale kann gleichzeitig, gruppenweise oder nacheinander erfolgen. Wegen des geringen Zeit- bedarfs für eine Messung pro Sensor liegt bei einer Anzahl von z.B. 100 Sensoren pro Flanke die hierzu benötigte gesamte Messzeit bei nicht mehr als 1 Sekunde. Der Vergleich der einzelnen Messwer¬ te mit dem vorgegebenen Soll ergibt als Resultat der Messung die Flankenformabweichung des Werkstücks 1 in den Messpunkten 20 sämt¬ licher Sensoren 8 sowie die Abweichung der gemessenen Zahnlücken¬ weite vom Sollwert, die leicht in die üblicherweise interessieren¬ de Zahnweitenabweichung umgerechnet werden kann.The distance sensors 8 are connected via a multiplexer to an oscillator and a measuring amplifier in the measuring and evaluation module 17, which individually evaluates the signals of all sensors during the measurement and stores them in a suitable computer. The detection of the sensor signals can be done simultaneously, in groups or in succession. Because of the short time required for one measurement per sensor, a number of e.g. 100 sensors per edge, the total measuring time required for this not more than 1 second. As a result of the measurement, the comparison of the individual measured values with the predetermined desired results in the flank shape deviation of the workpiece 1 in the measuring points 20 of all the sensors 8 as well as the deviation of the measured tooth gap width from the desired value, which easily results in the tooth width deviation that is usually of interest can be converted.
Fig. 3 zeigt als denkbare Alternative zu einzeln gesetzten Senso¬ ren 8 in einer zweiten AusführungsVariante auf einem Siliziumsub¬ strat in zeilenförmiger Anordnung z.B. fotochemisch erzeugte Sen¬ soren 8, die in Form von Sensorleisten 10 in Richtung einer erzeu¬ genden Geraden 11 auf die Flanken 6, 7 des Sensorkopfes 2 aufge¬ bracht sind.FIG. 3 shows as a conceivable alternative to individually set sensors 8 in a second embodiment variant on a silicon substrate in a line-shaped arrangement, e.g. Photochemically generated sensors 8, which are applied to the flanks 6, 7 of the sensor head 2 in the form of sensor strips 10 in the direction of a generating straight line 11.
Andere Anordnungen der Sensoren sowie die Verwendung von anderen Sensortypen sind möglich.Other arrangements of the sensors as well as the use of other sensor types are possible.
Da die Abstandssensoren 8 trotz gleicher Herstelldaten üblicher¬ weise in ihren physikalischen Kenndaten nicht vollständig überein¬ stimmen, müssen sie vor dem Produktionseinsatz kalibriert werden. Hierzu dient eine Zahnlücke eines auf konventionelle Weise topolo- gisch vermessenen Kalibrierzahnrades mit der Werkstücksollgeomet¬ rie, in welche der Sensorkopf 2 zur Kalibrierung innerhalb oder ausserhalb der Maschine eingefahren wird. Ist der Sensorkopf 2 in der Zahnlücke dieses Kalibrierzahnrades radial positioniert, so wird das Kalibrierzahnrad so weit verdreht, bis das geringe Spiel bzw. die Messspaltbreite zwischen diesem und dem Sensorkopf 2 an der ersten Zahnflanke aufgehoben ist, d.h. der Sensorkopf einsei¬ tig an einer der beiden Zahnflanken des Kalibrierzahnrades an¬ liegt. Dies ist der Startpunkt für die Kalibrierung.Since the distance sensors 8, despite the same production data, usually do not completely agree in their physical characteristics, they must be calibrated before the production operation. For this purpose, a tooth gap of a calibration gear which is topologically measured in a conventional manner with the workpiece setpoint geometry into which the sensor head 2 is retracted for calibration inside or outside the machine is used. If the sensor head 2 is radially positioned in the tooth gap of this calibration gear, then the Kalibrierzahnrad is rotated so far until the small clearance or the measuring gap width between this and the sensor head 2 is lifted on the first tooth flank, ie the sensor head ein¬i tig on one of the two tooth flanks of the Kalibrierzahnrades an¬. This is the starting point for the calibration.
In dieser Position werden vom Messverstärker die Messwerte sämtli¬ cher Sensoren 8 abgefragt und mittels Addition individueller Kor¬ rekturwerte auf den gleichen Ausgangswert, z.B. Null, gebracht. Für den Fall, dass die Zahnflanken des Kalibrierzahnrades nicht genau der Werkstücksollgeometrie entsprechen, kann messpunktweise zusätzlich die entsprechende Flankenformabweichung des Kalibrier¬ zahnrades gemäss dessen Messprotokoll mit dem Korrekturwert der Kalibrierung verrechnet werden. Die Ausgangswerte wären dann nicht alle Null, sondern sie widerspiegelten die Flankenformabweichungen des Kalibrierzahnrades.In this position, the measured values of all the sensors 8 are interrogated by the measuring amplifier and adjusted to the same initial value, for example by adding individual correction values. Zero, brought. In the event that the tooth flanks of the Kalibrierzahnrades not exactly the Werkstücksollgeometrie correspond, the corresponding Flankenformabweichung the Kalibrier¬ gear in accordance with its measurement protocol with the correction value of the calibration can be additionally offset by measuring points. The output values would then not all be zero, but they reflected the flank shape deviations of the Kalibrierzahnrades.
Nach dieser Initialkalibrierung wird das Kalibrierzahnrad um einen kleinen Winkelwert verdreht, so dass zwischen Sensorkopf- und Ka¬ librierzahnradflankenoberfläche ein Spiel von z.B. 0,01 mm ent¬ steht. Hier erfolgt der zweite Kalibrierlauf, der einen zweiten Punkt der Korrekturkurve von allen Sensoren 8 liefert, und zwar derart, dass alle korrigierten Messsignale den gleichen Wert be¬ sitzen, der 0,01 mm entspricht - gegebenenfalls wieder unter Be¬ rücksichtigung der Flankenformabweichungen des Kalibrierzahnrades.After this initial calibration, the calibration gear is rotated by a small angle value so that a clearance of, for example, between the sensor head and calibration gear flank surfaces is produced. 0.01 mm ent stands. Here, the second calibration run, which provides a second point of the correction curve of all sensors 8, in such a way that all corrected measurement signals be¬ the same value be¬ sitting, which corresponds to 0.01 mm - possibly again taking into account the Flankenformabweichungen the Kalibrierzahnrades ,
Auf diese Weise wird das ganze Spiel zwischen den Flanken 6, 7 des Sensorkopfes 2 und den Zahnflanken des Kalibrierzahnrades schritt¬ weise durchlaufen, so dass für jeden Sensor 8 eine individuelle Korrekturkurve entsteht. Weil ein einzelner Kalibrierlauf nur kur¬ ze Zeit in Anspruch nimmt, ist ein gesamter Kalibriervorgang in wenigen Minuten durchführbar. Selbst bei Korrekturkurven mit vie¬ len Messpunkten, z.B. 100, würde die Gesamtdauer der Kalibrierung 5 Minuten nicht überschreiten. Nach abgeschlossener Kalibrierung steht effektiv ein Sensorkopf 2 mit einer grossen Zahl sehr genau¬ er linearisierter Abstandssensoren 8 im Bereich der Werkstückzahn¬ flanken 4, 5 des Zahnrads 1 zur Verfügung. Die Messung des zu vermessenden Werkstückes lässt sich auf einer von der Werkstückbearbeitungsmaschine separaten Messervorrichtung durchführen. Sie kann jedoch auch auf der Werkstückbearbeitungsma¬ schine selbst erfolgen. Hierzu ist die Messvorrichtung auf dem Ma¬ schinenbett angeordnet, und der Sensorkopf bzw. das Werkstück wird im Anschluss an die der Werkstückbearbeitung vor dem Ausspannen in Messposition gebracht. Überschreitet nun während des Fertigungs¬ prozesses der Messwert eines der Sensoren 8 die vorgegebene Tole¬ ranzgrenze, so kann der Fertigungsprozess angehalten und/oder die Beurteilung der Toleranzüberschreitung durch den Bediener oder die Maschine mittels entsprechender Software ausgelöst werden.In this way, the entire game between the flanks 6, 7 of the sensor head 2 and the tooth flanks of the Kalibrierzahnrades step through, so that for each sensor 8 an individual correction curve is formed. Because a single calibration run takes only a short time, an entire calibration process can be carried out in just a few minutes. Even with correction curves with many measuring points, eg 100, the total duration of the calibration would not exceed 5 minutes. After the calibration has been completed, a sensor head 2 having a large number of very precisely linearized distance sensors 8 in the region of the workpiece tooth flanks 4, 5 of the toothed wheel 1 is effectively available. The measurement of the workpiece to be measured can be carried out on a separate from the workpiece processing machine blade device. However, it can also be done on the Werkstückbearbeitungsma¬ machine itself. For this purpose, the measuring device is arranged on the machine bed, and the sensor head or the workpiece is brought into the measuring position following the machining of the workpiece before it is unclamped. If, during the manufacturing process, the measured value of one of the sensors 8 exceeds the predetermined tolerance limit, then the production process can be stopped and / or the assessment of the tolerance violation by the operator or the machine can be triggered by means of appropriate software.
Zur Beurteilung der während des Messvorganges in grosser Zahl an¬ fallenden Messdaten bietet sich z.B. an, die vermessenen Werk¬ stückzahnflanken in bekannter Weise wie in Fig. 4 in einer 3D- Darstellung grafisch abzubilden, wobei die Sollform der dreidimen¬ sional gekrümmten Zahnflanke gewöhnlich als Ebene, die so genannte Bezugsebene 19, dargestellt wird. Über dieser Bezugsebene werden die gemessenen Formabweichungen 9 für jeden einzelnen gemessenen Flankenpunkt in starker Überhöhung aufgetragen. Die zu einem Netz verbundenen Messpunkte 20 ergeben dann als eine von der Bezugsflä¬ che abweichende Fläche ein Abbild der Flankenformabweichung. Stel¬ len, an denen die vorgegebene Toleranz überschritten wird, können zur raschen Erkennung in roter Farbe gezeichnet sein. Möglich sind auch Darstellungen, aus denen neben den Toleranzüberschreitungen auch die gewollten Flankenmodifikationen ersichtlich sind. In bei¬ den Fällen lassen sich die Formabweichungen der gemessenen Zahn¬ flanken rasch und sicher beurteilen.In order to evaluate the measurement data occurring in large numbers during the measurement process, it is possible, for example, to 4 graphically depict the measured workpiece tooth flanks in a known manner, as in FIG. 4, in a 3D representation, wherein the desired shape of the three-dimensionally curved tooth flank is usually represented as a plane, the so-called reference plane 19. Above this reference plane, the measured shape deviations 9 are plotted for each individual measured flank point in a strong elevation. The measuring points 20 connected to a network then yield an image of the flank shape deviation as a surface deviating from the reference surface. Steles where the specified tolerance is exceeded can be drawn in red for quick recognition. Also possible are representations from which not only tolerance violations but also the desired flank modifications can be seen. In both cases, the shape deviations of the measured tooth flanks can be assessed quickly and reliably.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrich¬ tung ermöglichen nicht nur eine 100 % - Prüfung der gefertigten Werkstücke auf Toleranzhaltigkeit, sondern auch die Erfassung und Protokollierung der effektiv erzeugten Zahnflankenform und -läge jedes einzelnen Werkstücks 1 und deren Veränderung während der ge¬ samten Prozessdauer. Der Umstand, dass ein einmal gefertigter Sen- sorkopf 2 wegen der spezifischen Zahnflankengeometrie nur bei ei¬ nem einzigen Werkstücktyp verwendet werden kann, fällt in der Mas¬ senfertigung wegen der grossen Werkstückzahlen kostenmässig kaum als Nachteil ins Gewicht.The method according to the invention and the device according to the invention enable not only a 100% inspection of the finished workpieces for tolerance, but also the recording and logging of the effectively generated tooth flank form and surfaces of each individual workpiece 1 and their change during the entire process duration. The fact that a once manufactured Due to the specific tooth flank geometry, only a single type of workpiece can be used for the head 2, which is hardly a disadvantage in terms of costs in mass production due to the large number of workpieces.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrich¬ tung eignen sich insbesondere für Zahnräder. Dasselbe Verfahren lässt sich jedoch auch für andere dreidimensional gekrümmte Flä¬ chen verwenden, wobei die entsprechend verwendete Vorrichtung der Form der zu vermessenden Fläche angepasst ist. The inventive method and Vorrich¬ inventive device are particularly suitable for gears. However, the same method can also be used for other three-dimensionally curved surfaces, wherein the device used is adapted to the shape of the surface to be measured.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Zahnrad1 gear
2 Sensorkopf2 sensor head
3 Zahnlücke3 tooth gap
4, 5 Werkstückzahnflanke4, 5 workpiece tooth flank
6, 7 Sensorkopfflanke6, 7 sensor head edge
8 Abstandssensor8 distance sensor
9 Zahnflankenformabweichung9 tooth flank shape deviation
10 Sensorleiste10 sensor bar
11 erzeugende Gerade11 generating line
12 Grundplatte12 base plate
13 Aufnahme für Zahnrad13 Pickup for gear
14 Sensorhalter14 sensor holder
15 Sensorschaft15 sensor shaft
16 SignalIeitung16 signal line
17 Mess- und Auswertemodul17 measuring and evaluation module
18 Sensorverschieberichtung18 Sensor shift direction
19 Bezugsebene19 reference plane
20 Messpunkt 20 measuring point

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Messung von Form- und Lageabweichungen einer dreidimensional gekrümmten Fläche (4, 5) eines Messobjekts1. A method for measuring shape and position deviations of a three-dimensionally curved surface (4, 5) of a test object
(1) , dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorkopf (2) mit einer Vielzahl von Abstandssensoren (8) verwendet wird und dass in einem einzigen Messlauf Abstände zwischen diesen Abstandssen¬ soren (8) und einer Vielzahl auf der zu messenden gekrümmten Fläche (4, 5) verteilt angeordneter Messpunkte (20) ermittelt werden.(1), characterized in that a sensor head (2) with a plurality of distance sensors (8) is used and that in a single measurement run distances between these Abstandssen¬ sensors (8) and a plurality on the curved surface to be measured (4, 5) distributed measuring points (20) can be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ab¬ standssensoren (8) verwendet werden, welche matrixähnlich über Messflächen (6, 7) des Sensorkopfs (2) verteilt angeordnet sind und/oder dass die Messpunkte (20) matrixähnlich über der gekrümmten Fläche (4, 5) verteilt angeordnet sind.2. Method according to claim 1, characterized in that distance sensors (8) are used, which are distributed in a matrix-like manner over measuring surfaces (6, 7) of the sensor head (2) and / or in that the measuring points (20) are similar to the matrix over the curved one Surface (4, 5) are arranged distributed.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Sensorkopf (2) vor der Messung durch eine relative Verschiebung gegenüber dem Messobjekt (1) in Messpo¬ sition gebracht wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that the sensor head (2) is brought before the measurement by a relative displacement relative to the measurement object (1) in Messpo¬ position.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass in jedem Messpunkt (20) Form- und Lageabwei¬ chungen (9) gemessen und protokolliert werden und dass sie in einem Messdiagramm grafisch dargestellt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that in each measuring point (20) Form- and Lageabwei¬ chungen (9) are measured and logged and that they are displayed graphically in a measurement diagram.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Abstandssensoren (8) kalibriert werden, in¬ dem der Abstand zwischen den Abstandssensoren (8) und einer Oberfläche eines Kalibrierwerkstücks schrittweise geändert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized gekenn¬ characterized in that the distance sensors (8) are calibrated, in¬ the distance between the distance sensors (8) and a surface of a Kalibrierwerkstücks is changed stepwise.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine allfällige Formabweichung (9) des Kalibrierwerkstücks von ei- ner Messobjektsollform bei der Kalibrierung der Abstandssenso¬ ren (8) berücksichtigt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that a possible shape deviation (9) of the calibration work piece from a ner measured object Sollform in the calibration of Abstandssenso¬ Ren (8) is taken into account.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die ermittelten Abstände zur kontinuierlichen Überwachung eines formgebenden Bearbeitungsprozesses des Mess- objekts (1) eingesetzt werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized gekenn¬ characterized in that the determined distances for the continuous monitoring of a shaping machining process of the measuring object (1) are used.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Abstände auf einer Bearbeitungsmaschine zur Bear¬ beitung des Messobjekts (1) in der selben Aufspannung des Messobjekts (1) wie die formgebende Bearbeitung durchgeführt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the determined distances on a processing machine for Bear¬ processing of the measuring object (1) in the same clamping of the measuring object (1) as the shaping processing is performed.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass bei der Ermittlung der Abstände zwischen den Abstandssensoren (8) und den Messpunkten (20) Messabstände ge¬ wählt werden, welche mindestens so gross sind wie eine maximal zu erwartende Form- und Lageabweichung (9) des Messobjekts (D .9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized gekenn¬ characterized in that when determining the distances between the distance sensors (8) and the measuring points (20) measuring distances are selected ge, which are at least as large as a maximum expected Shape and position deviation (9) of the test object (D.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass bei der Ermittlung der Abstände zwischen den Abstandssensoren (8) und den Messpunkten (20) Messabstände ge¬ wählt werden, welche einem Grad einer räumlichen Krümmung der gekrümmten Flächen (4, 5) und einer Messtoleranz des Messob¬ jekts (1) angepasst sind.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized gekenn¬ characterized in that when determining the distances between the distance sensors (8) and the measuring points (20) measuring distances ge be selected ge, which a degree of spatial curvature of the curved surfaces ( 4, 5) and a measurement tolerance of the Messob¬ jects (1) are adapted.
11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der An¬ sprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung einen relativ zu einem Messobjekt (1) verschiebbaren Sensorkopf (2) aufweist, wobei das Messobjekt (1) eine zu vermessende dreidimensional ge¬ krümmte Fläche (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (2) eine Messoberfläche (6, 7) aufweist, welche einer zu vermessenden Oberflächenform des Messobjekts (1) nachgebildet und welche in matrixähnlicher Anordnung mit einer Vielzahl von Abstandssensoren (8) bestückt ist. 11. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 10, wherein the device has a sensor head (2) displaceable relative to a measurement object (1), wherein the measurement object (1) has a three-dimensionally curved surface ( 4, 5), characterized in that the sensor head (2) has a measuring surface (6, 7), which is simulated to be measured surface shape of the measuring object (1) and which is equipped in a matrix-like arrangement with a plurality of distance sensors (8) ,
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandssensoren (8) aus Spulen mit Ferritkernen bestehen.12. The device according to claim 11, characterized in that the distance sensors (8) consist of coils with ferrite cores.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Abstandssensoren (8) kapazitiv wirkende Sensoren sind.13. Device according to one of claims 11 or 12, characterized ge indicates that the distance sensors (8) are capacitive sensors.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Abstandssensoren (8) während der Er¬ mittlung der Abstände über einen Multiplexer mit einem Oszil¬ lator und einem Messverstärker verbunden sind.14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized ge indicates that the distance sensors (8) during the determination of the Er¬ distances via a multiplexer with a Oszil¬ lator and a measuring amplifier are connected.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Abstandssensoren (8) in Form von Sen¬ sorleisten (10) auf dem Sensorkopf (2) angeordnet sind, wobei die Abstandssensoren (8) in zellenförmiger Anordnung auf einem Substrat fotochemisch erzeugt sind.15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized ge indicates that the distance sensors (8) in the form of Sen¬ sorleisten (10) on the sensor head (2) are arranged, wherein the distance sensors (8) in a cell-like arrangement a substrate are produced photochemically.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Sensorleisten (10) für eine Zahnflankenmessung des zahnradförmigen Messobjekts (1) in Richtung einer erzeugenden Geraden (11) des Messobjekts (1) aufgebracht sind.16. The apparatus of claim 15, wherein the sensor strips (10) for a tooth flank measurement of the gear-shaped measuring object (1) in the direction of a generating line (11) of the measuring object (1) are applied.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Abstandsensoren (8) auf fotochemische oder fotolithografische Weise in matrixförmiger Anordnung auf einem flexiblen Substrat hergestellt sind. 17. Device according to one of claims 11 to 15, characterized ge indicates that the distance sensors (8) are made in a photochemical or photolithographic manner in a matrix-like arrangement on a flexible substrate.
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