WO2020221818A1 - Gear inspection method and device - Google Patents

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WO2020221818A1
WO2020221818A1 PCT/EP2020/061932 EP2020061932W WO2020221818A1 WO 2020221818 A1 WO2020221818 A1 WO 2020221818A1 EP 2020061932 W EP2020061932 W EP 2020061932W WO 2020221818 A1 WO2020221818 A1 WO 2020221818A1
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WO
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gear
confocal laser
laser
teeth
values
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PCT/EP2020/061932
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German (de)
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Inventor
Dag DITTMER
Original Assignee
Inproq Optical Measurement Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2416—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures of gears
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021—Gearings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges

Definitions

  • the present invention relates to a gear testing method for determining the surface of the teeth of a gear by means of a confocal laser arranged at a distance from the gear, the engagement-side surface of the gear being scanned by the gear rotating about its axis of rotation with a rotation angle detection by means of the laser beam of the confocal laser
  • a gearwheel testing device for carrying out the method.
  • the invention also relates to a gear testing device for the precise determination of the surface of teeth of a gear by means of a laser arranged at a distance from the gear with a rotating device for the gear to be tested with a rotation angle detection device, an XYZ movement device on which the laser is arranged, an input and output device as well as a computing and control device for the acquisition, storage and evaluation of the signal values as well as control of the rotating device, moving device and the laser, the rotating device being adapted to receive the gear to be tested and to it during the measurement about a rotation axis of the rotating device turn, the laser is designed as a confocal laser, the laser beam of the confocal laser by means of the XYZ movement device device is aligned on the engagement-side surface of the gear, and the computing and control device is adapted to detect the signal values generated when the laser beam of the confocal laser hits the surface of the gear, to store them in relation to the angle of rotation and to output them assigned to one another.
  • gear wheel rotates around a fixed axis
  • the other gear wheel rotates around an axis that can move in the direction of the fixed axis and the change in center distance due to inaccuracies is recorded. Only one rotation is required and this procedure is suitable as a 100% control in series production, since a measurement takes approx. 5 seconds and the handling times approx. 15 seconds.
  • the gears also rotate in one another around fixed axes, with the rotations of the gears being compared using high-precision rotary encoders (single-flank rolling test). This measurement is also very accurate and only requires one rotation. Both methods require two gears, although the error cannot be precisely assigned.
  • DE 10 2010 012 421 A1 describes the determination of parameters of a toothing of a rotatable toothing part using a rotation angle sensor, the detected rotation angles being fed to an evaluation unit.
  • another laser displacement sensor for recording the distance between the toothed part and this sensor. This is a static measurement in that the laser is not moved, which does not allow high accuracy. There are also no shifting axes, so it might not work with a confocal laser. It is not specified what type of laser is used. Movements in the axial or radial direction are not provided.
  • EP 3 321 628 A1 and EP 3 441 712 A1 relate to a coordinate measuring device with an optical sensor and a corresponding method for a gear component to be measured using a confocal chromatic sensor. Both have a focus trigger sensor that moves a light beam along emits an optical axis in the direction of the gear component. With the focus trigger sensor, one or more of the axes can be used to execute a scanning movement relative to the gear component, with the focus trigger sensor always providing a switching signal when the gear is being built - Part reached a nominal distance relative to the focus trigger sensor. The acquisition takes place exclusively on the basis of a trigger signal that triggers a measurement. The measurement signal is correlated with the signals from an angle sensor.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a way of testing gearwheels, which is a 100% test with high accuracy with an optical resolution of less than one micrometer and a measurement time that is greatly reduced compared to the prior art.
  • a confocal laser is used, the shift (in the case of a monochromatic confocal laser) or interrogation (in the case of a polychromatic confocal laser) of the focal point being in the MHz range.
  • This scans a surface with a measuring range of at least ⁇ 0.5 mm inherent in the confocal laser.
  • the useful signal of at least 10 KHz, ie the measured distance signal, is not the frequency with which the confocal laser would oscillate, but the highest possible data output rate.
  • the laser beam should hit the surface to be measured as perpendicularly as possible, although this position can be deviated from depending on the dimensions.
  • the gear wheel rotating about its axis of rotation is scanned by means of the laser beam of the confocal laser on the surface of the gear wheel on the engagement side, also referred to as the tooth flank, the angle of rotation also being precisely recorded.
  • a first step up to a maximum possible sampling rate of the confocal laser, measured values per time unit are used as signal values, a The quality signal made available to kallaser for the respective measured value, the angle of rotation and the three spatial coordinates of the confocal laser are recorded and stored synchronously.
  • the scanning takes place in such a way that the point of impact of the laser beam is moved from the tooth root to the tooth tip or vice versa.
  • the next path along the tooth flank is scanned until the entire width of the tooth flank has been scanned.
  • the gear wheel expediently rotates around a vertical (Z) axis and the laser is moved according to the tooth flank in the X-YZ direction during scanning, the X direction being radial and the Y direction being tangential.
  • the gear wheel or the tooth flank is scanned in layers over the width of the gear wheel (Z direction).
  • the generated signal values are stored in relation to the angle of rotation and from the recorded signal values the signal values that are in the measuring range of the focus point of the confocal laser are selected as valid measured values depending on the quality signal, sorted and assigned to the respective tooth flank of a tooth.
  • the measurement can be carried out either with a confocal laser for both tooth flanks or with two confocal lasers for each tooth flank. It is also possible to use a different number of lasers, e.g. four lasers, with one pair from top to bottom in (Z-direction) to the center, the other pair from bottom to top to the center.
  • the confocal laser delivers a measured value and, in parallel, a quality signal.
  • the confocal laser carries out a plausibility assessment of how intensive this is Measurement signal is.
  • a quality signal of zero is returned when a measurement is carried out completely outside the focus area.
  • the quality signal therefore either returns a zero in the case of a nonsensical signal or an intensity that can definitely occupy a certain bandwidth due to different intensities.
  • This quality signal is used for a preliminary evaluation, which is then followed by a mathematical evaluation using known mathematical methods such as mean value filters, slope filters, FFT filters and Gaussian filters. Which filter or filters are used can be selected depending on the quality of the measurement.
  • the preliminary evaluation can take place either by specifying specific threshold values or by specifying a specific number of measured values, with the latter automatically automatically shifting the threshold values accordingly.
  • a decisive advantage over the prior art is the large measuring range of a confocal laser, while other lasers have to be driven very precisely to the distance so that they can measure at all.
  • the further advantage consists in not using an absolute measuring method, so that the method according to the invention is insensitive to the appearance of the surface (reflective, smooth, stained, changing surface appearance, etc.).
  • the goal is achieved much more easily than with absolute encoders, which are very sensitive to, for example, rust spots or surfaces on the teeth.
  • a normal optical process can very quickly fail if there is a spot on the tooth surface. This means that something completely different is measured than directly next to it, although the surface would be identical. According to the invention, such a thing does not bother because no absolute method is used.
  • Another additional great advantage of the invention compared to triggered methods is that in the case of a triggered method, if the surface is not well suited for the measurement at a trigger point, erroneous measured values arise. However, because the measurement is triggered, this value appears again with each measurement. With the freely running, untriggered measurement according to the invention, the probability that the same point will be hit twice is very low. In addition, it can be easily adjusted, e.g. if not enough Measured values are available, the speed can be changed dynamically or another run is simply carried out in which the same angular point is measured again without triggering with a probability approaching zero. Another advantage of non-triggered measurement is that the geometry can be addressed very dynamically.
  • the density of the points is not dependent on the rotary encoder, but exclusively on the speed, which can be changed. Via the speed, which can be freely influenced, the density of the measured values at certain points that are critical for the part to be examined can easily be changed. According to the invention, measurements are always made against a mathematical model so that it is always known what is expected approximately at which point.
  • the gear wheel can be rotated slowly at a certain point completely dynamically - as it is not triggered - which increases the density of the measured values enormously. This makes it much easier to react to any error events. For example, tooth edges that can be easily damaged by stops or the like can be measured in a targeted manner with a much higher resolution because the measurement is not triggered. Scanning the gear several times over several revolutions improves the signal quality because the exact same point is not measured every time. As a result of the non-triggered measurement, certain points on the surface can advantageously be resolved with a higher resolution. This method is significantly faster than the previously known gear wheel testing method, the duration of the test of course being dependent on the size and the speed of rotation of the gear wheel.
  • At least 20 measured values are recorded for each tooth flank, depending on the size of the tooth flank.
  • special emphasis must be placed on the time-synchronous assignment of the angle values and the measured values to the XYZ position of the confocal laser.
  • the gear rotates and the measurement is carried out at high speed, a large number of measurement data are generated, with only a small part of the measurement data generated being ultimately used. In spite of this, all of this happens with a complete test of the gear at greater speed than with the previously known test methods.
  • the measurement data are evaluated using the mathematical algorithms known for this purpose, which are known for such applications.
  • the individual signal values can also originate from measuring points that partially overlap in order to achieve additional accuracies by adjusting the values at the overlapping points using appropriate algorithms.
  • a mathematical model of an ideal gear wheel is available against which the measured values are compared.
  • This model is also useful for setting the confocal laser.
  • the measurement values lying in the measurement area of the focus point of the confocal laser are selected as measurement values to be processed further only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measurement value is exceeded.
  • a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measurement value is exceeded.
  • a dynamic tracking performed.
  • This quality signal is used firstly to separate meaningless values from meaningful ones and secondly to evaluate the quality, since there are far too many measured values anyway.
  • a target can be to obtain a certain number of measured values per revolution. Then the admissibility threshold or a threshold value is changed until this value is approximately reached. Thereby Of the very many measured values, the desired number remains with sufficient quality.
  • the threshold value is tracked dynamically. For example, the specification could be that a certain number of measured values per layer (professional cut) per tooth flank is sufficient to evaluate the quality. Then, based on a certain number of teeth of a gearwheel, the threshold value could be shifted upwards until approximately the required number of measured values is reached. With these, the mathematical processing such as smoothing and filtering or the like is then carried out.
  • the other possibility of using a threshold value for the quality signal is to change the threshold value until, due to the selection via this threshold value, only so many values remain that are required for evaluating the geometry. This means that if a gear is relatively bad for the optical measurement, then all quality values are also bad. Then the threshold is in a lower range than with a good gear. The threshold value is then set in a low range so that a sufficient number of measured values per edge has been reached. Then an attempt is made to generate something from this using mathematical filtering and to achieve a reasonable result. With a good gear to be measured, the plausibility values are normally relatively high. Reflections produce peaks that are undesirable and whose plausibility is low.
  • measured values with a certain quality can be selected or excluded in a targeted manner. This can lead to a gear that can be measured very cleanly, even without much filtering of the measured values, a sufficient result is achieved in the subsequent mathematical processing.
  • the XYZ position of the confocal laser is determined exactly for the acquisition of the signal values.
  • the distance to the surface of the teeth and the gear is determined by the laser beam range and its angle of incidence Surface of the teeth is defined.
  • the ultimately exact angular position of the gear to be tested is not required for setting the distance from the confocal laser.
  • the exact position and the angle of incidence are defined.
  • the focal point is expediently set on the tooth base or the tooth tip of the teeth and then the surface is scanned in a radial direction outwards or inwards.
  • the X-YZ position of the confocal laser is recorded synchronously with the measured value and the angle of rotation.
  • the laser beam is preferably moved in layers in the radial direction with respect to the gearwheel when scanning in axial layers. This formulation is based on the assumption that the gear rotates around a vertical (Z) axis and that the normal to the surface of the tooth flank lies in an XY plane and thus the laser beam is traversed one after the other in the vertical (Z) direction.
  • the focal points can overlap by 20 to 30% during scanning, in order to achieve additional accuracy in the calculation after adjusting the signal values at the overlapping points.
  • the scanning is carried out at a speed of the gear wheel of 20 to 60 rpm.
  • the gear wheel rotates permanently during the measurement and the scanning takes place depending on the application with a frequency of 10-20 kHz or more, although it is also possible to scan with a lower frequency in individual cases.
  • 20,000 signal values per second result, for example at a frequency of 20 kHz, which originate from the rotation of the gear wheel from the various teeth and are reassigned to the respective tooth during the evaluation based on the assignment to the angle of rotation.
  • the topology of the individual teeth is graphically represented if necessary depending on a theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance, the deviations being determined accordingly taking into account the mathematically stored ideal shape of the gear with its teeth.
  • a gear testing device for carrying out the method has a rotating device with a rotational angle detection device for a gear to be tested, an XYZ movement device on which the confocal laser is arranged, an input and output device and a computing and control device for detection and storage and evaluation of the signal values as well as control of the rotating device, moving device and the confocal laser.
  • the rotating device is adapted to receive the gear to be tested and to rotate it about a rotation axis of the rotating device during the measurement.
  • the laser is designed as a confocal laser, the laser beam of the confocal laser being aligned with the surface of the gear wheel on the engagement side by means of the XYZ movement device.
  • the computing and control device is adapted, in a first step with a maximum possible sampling rate of the confocal laser, to acquire measured values per unit of time as signal values, a quality signal provided by the confocal laser for the respective measured value, the angle of rotation and the three spatial coordinates of the confocal laser, and in In a second step, the signal values that are in the measuring range of the focal point of the confocal laser are selected from the detected signal values as measured values as a function of the quality signal, sorted and assigned to the respective flank of a tooth.
  • the computing and control device is designed to select the measured values lying in the measuring range of the focal point of the confocal laser as measured values to be further processed only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measured value is exceeded.
  • the computing and control device is advantageously designed to exactly determine the XYZ position of the confocal laser set by means of the XYZ movement device for the detection of the signal values, the distance to the surface of the teeth and the gear wheel being determined by the laser beam range and an angle of incidence on the surface of the Teeth is defined.
  • the computing and control device is designed to set the distance of the confocal laser and / or the confocal laser set by means of the X-Y-Z movement device at the beginning of the measurement with the focus point on the tooth base or the tooth tip of the teeth. Furthermore, according to a further embodiment, the computing and control device is suitable for moving the laser beam in layers in the radial direction with respect to the gearwheel when scanning in axial layers.
  • the gear testing device enables the focal points to overlap by 20 to 30% during scanning when moving in the radial direction.
  • the scanning is advantageously carried out at a speed of the gear wheel of 20 to 60 rpm.
  • the computing and control device is expediently designed in such a way that the topology of the individual teeth can be graphically represented via the input and output device depending on the theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance.
  • the advantage of the method described above and the gear testing device is that it is possible to test gearwheels with high precision in the micrometer range with a resolution of less than one micrometer at high speed, so that the method and the device are 100% controlled in one manufacturing process can be integrated advantageously.
  • FIG. 1 the schematic illustration of a gearwheel with the laser head and the laser beam directed onto the tooth base
  • FIG. 2 is a block diagram with the individual elements of the gear testing device.
  • FIG. 1 shows an example of a spur gear 1 with the teeth 2, which each have flanks 3 and 4.
  • a laser head 5 with a confocal laser sends a laser beam 6 onto the tooth foot 7 of a tooth 2 in this exemplary embodiment and is aligned with its focal point in this way.
  • the distance to the gear wheel 1 can be more or less large. Due to the geometric arrangements, the angle of incidence of the laser beam 6 on the respective tooth flank 3 or 4 varies.
  • the laser beam 6 is moved from the tooth root 7 to the tooth head 8 and after passing through it is moved in the X direction, ie perpendicular to the plane of the drawing in order to scan a next layer in the radial direction from the inside to the outside or from the outside to the inside.
  • the gear wheel 1 rotates about its axis of rotation 14.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a gear testing device 13 with a rotating device 15 for receiving the gear 1 to be tested, the rotating device 15 having a rotating angle detection device 9 which enables the exact angular position of the gear 2 to be determined.
  • an X-Y-Z movement device 10 is provided on which the laser 5 is arranged.
  • an input and output device 11 as well as a computing and control device 12 for the acquisition, storage and evaluation of the signal values and control of the rotating device 15, movement device 10 and confocal laser 5 are provided.
  • the computing and control device 12 the position specification, positioning of the confocal laser 5 takes place via the corresponding mechanics of the axis drives of the XYZ movement device 10 and the control of the drive of the rotating device 15.
  • the rotating device 15 with its rotating angle detection device 9 supplies the instantaneous angle to the rake synchronously and control device 12, which at the same time receives the scanned signal values of the confocal laser 5 belonging to the respective angle of rotation and assigns the signal values to this angle of rotation and the respective scanned layer of the gear wheel 1 to be tested.
  • the result of the evaluation carried out in the computing and control device 12 can be displayed via the input and output device 11 with a graphic surface and printer.
  • the surface of the gear with the individual teeth and the individual measuring points can be individually or in relation to the ideal shape of the gear 1 based on the respective tooth flank 3, 4 of the teeth 2 and each individual tooth
  • the test method is carried out in such a way that after the gear 1 to be tested has been loaded onto the rotating device 15, it is set in rotation, then the position of the confocal laser 5 is approached by means of the XYZ movement device 10 and scanning in the radial direction, as described above, is started the gear 2 is carried out. Then the next measuring position is approached and the process is repeated until the entire tooth flank 3 has been scanned. The other tooth flank 4 of the teeth 2 is handled accordingly. When using two confocal lasers, both tooth flanks 3, 4 can be scanned at the same time. Then the measured values are selected which lie in the measuring range of the focal point of the confocal laser 5 and thus represent measuring points of the surface of a tooth 2. This is done by defining a threshold value for a quality signal which is also stored and which is selected according to the existing quality values of the gearwheel. It is determined either by a specified value or iteratively by specifying a specific number of measured values required for further processing.

Abstract

The invention relates to a gear inspection method for analysing the surface of teeth (2) of a gear (1) by means of a confocal laser (5) arranged at a distance from the gear (1), wherein, while the gear (1) rotates about its rotation axis (14), the engagement-side surface of the gear (1) is scanned with rotary angle detection by means of the laser beam (6) of the confocal laser (5), by sensing signal values generated as the laser beam (6) of the confocal laser (5) meets the surface of the gear (1), storing them in relation to the rotary angle, and outputting them in a manner associated with one another. A gear inspection device (13) has rotation means (15) with a rotary angle detection means (9) for a gear to be inspected; an X-Y-Z movement means (10), on which the confocal laser (5) is arranged; an input and output means (11); and a computing and controlling means (12) for detecting, storing and evaluating the signal values and for controlling the rotation means (15), the movement means (10) and the confocal laser (5).

Description

Zahnradprüfverfahren und -einrichtung Gear testing method and facility
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnradprüfverfahren zur Bestimmung der Oberfläche von Zähnen eines Zahnrades mittels eines mit Abstand von dem Zahnrad angeordneten Konfokallasers wobei bei dem um seine Rotationsachse drehen- den Zahnrad mit einer Drehwinkelerfassung mittels des Laserstrahls des Konfokallasers die eingriffsseitige Oberfläche des Zahnrades abgetastet wird, indem beim Auftreffen des Laserstrahls des Konfokallasers auf die Oberfläche des Zahnrades erzeugte Signalwerte erfasst, in Relation zum Drehwinkel gespeichert und einander zugeordnet ausgegeben werden sowie einer Zahnradprüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft außerdem eine Zahnradprüfeinrichtung zur genauen Bestimmung der Oberfläche von Zähnen eines Zahnrades mittels eines mit Abstand zum Zahnrad angeordneten Lasers mit einer Dreheinrichtung für das zu prüfende Zahnrad mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung, einer X-Y-Z- Bewegungseinrichtung, an der der Laser angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausga- beeinrichtung sowie eine Rechen- und Steuereinrichtung für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung, Bewegungseinrichtung und des Lasers, wobei die Dreheinrichtung angepasst ist, das zu prüfende Zahnrad aufzunehmen und während der Messung um eine Rotationsachse der Dreheinrichtung zu drehen, der Laser als Konfokallaser ausgebildet ist, wobei der Laserstrahl des Konfokallasers mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrich- tung auf die eingriffsseitige Oberfläche des Zahnrades ausgerichtet ist, und die Rechen- und Steuereinrichtung angepasst ist, die beim Auftreffen des Laserstrahls des Konfokallasers auf die Oberfläche des Zahnrades erzeugten Signalwerte zu erfassen, in Relation zum Drehwinkel zu speichern und einander zugeordnet aus- zugeben. The present invention relates to a gear testing method for determining the surface of the teeth of a gear by means of a confocal laser arranged at a distance from the gear, the engagement-side surface of the gear being scanned by the gear rotating about its axis of rotation with a rotation angle detection by means of the laser beam of the confocal laser When the laser beam from the confocal laser hits the surface of the gearwheel, signal values generated are recorded, stored in relation to the angle of rotation and outputted assigned to one another, and a gearwheel testing device for carrying out the method. The invention also relates to a gear testing device for the precise determination of the surface of teeth of a gear by means of a laser arranged at a distance from the gear with a rotating device for the gear to be tested with a rotation angle detection device, an XYZ movement device on which the laser is arranged, an input and output device as well as a computing and control device for the acquisition, storage and evaluation of the signal values as well as control of the rotating device, moving device and the laser, the rotating device being adapted to receive the gear to be tested and to it during the measurement about a rotation axis of the rotating device turn, the laser is designed as a confocal laser, the laser beam of the confocal laser by means of the XYZ movement device device is aligned on the engagement-side surface of the gear, and the computing and control device is adapted to detect the signal values generated when the laser beam of the confocal laser hits the surface of the gear, to store them in relation to the angle of rotation and to output them assigned to one another.
Bei der Herstellung von Zahnrädern werden heute große Genauigkeiten verlangt, um einen optimalen Eingriff der Zahnräder ineinander in einem Getriebe zu gewährleisten, damit ein optimaler Rundlauf und unerwünschte Belastungen und Abnutzungen der ineinandergreifenden Zahnräder vermieden wird. Hierzu gibt es ver- schiedene Messverfahren, die nach der Herstellung eines Zahnrades angewandt werden. Zum einen gibt es das 3-D-Messverfahren, bei dem eine taktile Messung mittels eines Messtasters über die einzelnen Zähne eines Zahnrades durchgeführt wird. Dieses Verfahren erfordert bei einer Vollprüfung über sämtliche Zähne sehr viel Zeit. Ein anderes Verfahren ist die Abrollprüfung, bei der zwei Zahnräder spiel- frei ineinandergreifend gedreht werden (Zweiflanken-Wälzprüfung). Ein Zahnrad dreht sich um eine feste Achse, während das andere Zahnrad sich um eine in Richtung der festen Achse bewegliche Achse dreht und die Achsabstandsänderung aufgrund von Ungenauigkeiten wird erfasst. Hierbei ist nur eine Umdrehung erforderlich und dieses Verfahren ist als 100%-Kontrolle bei der Serienfertigung geeignet, da eine Messung ca. 5 Sekunden und die Handhabungszeiten ca. 15 Sekunden dauern. Bei einer anderen Art der Abrollprüfung drehen sich die Zahnräder ebenfalls ineinander um feste Achsen, wobei über hochgenaue Drehgeber die Drehungen der Zahnräder verglichen werden (Einflanken-Wälzprüfung). Auch diese Messung ist sehr genau und es ist nur eine Umdrehung erforderlich. Bei beiden Verfah- ren sind zwei Zahnräder erforderlich, wobei der Fehler nicht genau zuordenbar ist. Darüber hinaus ist für diese Abrollprüfung ein Meisterrad erforderlich, das exakt den Vorgaben entspricht und daher sehr teuer ist. Jede geringfügige Änderung in der Verzahnung erfordert ein neues Meisterrad, das darüber hinaus nur eine begrenzte Standzeit aufweist. Infolgedessen ist eine umfangreiche Bevorratung auf- grund der Verschiedenartigkeit der Meisterräder und deren begrenzte Standzeit notwendig. Beide Verfahren weisen somit Nachteile auf. Beim taktilen Verfahren kann zwar die Beschädigung oder Genauigkeit erfasst werden, dafür ist es zeitaufwändig und beim Abrollverfahren ist der Ort der Beschädigung auf der Oberfläche so gut wie nicht feststellbar. Aus der DE 10 2016 115 827 A1 und DE 10 2017 130 211 A1 ist die optische Oberflächenmessung mit Hilfe eine chromatisch (monochromatisch oder polychromatisch) konfokalen Sensors bekannt. Durch die Verwendung eines derartigen Sensors ist ein mechanisches Scannen in Richtung der Strahlachse der verwendeten Lichtquelle, nicht mehr erforderlich. Mittels diesem wird ein optisches Scannen in Z-Richtung durchgeführt. Im Übrigen beschreiben diese Dokumente und auch die EP 1 985 968 A1 das grundsätzliche Funktionsprinzip eines chromatischen Lasers sowie die grundsätzlichen Messungen von Oberflächen mittels eines derartigen Scanners, teilweise am Beispiel eines Zahnrades, wobei keine Möglichkeit der Messung des Winkels bei Innenverzahnungen gegeben ist. Im Rahmen der vorlie- genden Erfindung wird ein derartiger chromatischer (monochromatischer oder polychromatischer) konfokaler Sensor als Konfokallaser bezeichnet. In the manufacture of gears today, great accuracies are required in order to ensure optimal engagement of the gears with one another in a transmission, so that optimal concentricity and undesired loads and wear and tear on the interlocking gears are avoided. There are various measurement methods that are used after a gear has been manufactured. On the one hand, there is the 3-D measuring method, in which a tactile measurement is carried out using a measuring probe over the individual teeth of a gearwheel. This procedure is very time-consuming for a full examination of all teeth. Another method is the rolling test, in which two gears are rotated into one another without play (two-flank rolling test). One gear wheel rotates around a fixed axis, while the other gear wheel rotates around an axis that can move in the direction of the fixed axis and the change in center distance due to inaccuracies is recorded. Only one rotation is required and this procedure is suitable as a 100% control in series production, since a measurement takes approx. 5 seconds and the handling times approx. 15 seconds. In another type of rolling test, the gears also rotate in one another around fixed axes, with the rotations of the gears being compared using high-precision rotary encoders (single-flank rolling test). This measurement is also very accurate and only requires one rotation. Both methods require two gears, although the error cannot be precisely assigned. In addition, a master bike is required for this rolling test, which corresponds exactly to the specifications and is therefore very expensive. Every slight change in the toothing requires a new master wheel, which, moreover, only has a limited service life. As a result, extensive stocks are necessary due to the diversity of the master wheels and their limited service life. Both methods therefore have disadvantages. With the tactile method, the damage or accuracy can be recorded, but it is time-consuming and with the rolling method, the location of the damage on the surface is almost impossible to determine. From DE 10 2016 115 827 A1 and DE 10 2017 130 211 A1 optical surface measurement with the aid of a chromatic (monochromatic or polychromatic) confocal sensor is known. By using such a sensor, mechanical scanning in the direction of the beam axis of the light source used is no longer necessary. This is used to carry out an optical scanning in the Z direction. Incidentally, these documents and EP 1 985 968 A1 describe the basic functional principle of a chromatic laser and the basic measurements of surfaces by means of such a scanner, partly using the example of a gear, with no possibility of measuring the angle in internal gears. In the context of the present invention, such a chromatic (monochromatic or polychromatic) confocal sensor is referred to as a confocal laser.
Die DE 10 2010 012 421 A1 beschreibt die Bestimmung von Parametern einer Verzahnung eines drehbaren Verzahnungsteils unter Verwendung eines Drehwinkelsensors, wobei die erfassten Drehwinkel einer Auswerteeinheit zugeführt wer- den. Zusätzlich gibt es einen weiteren Laser-Wegsensor zur Erfassung der Entfernung zwischen Verzahnungsteil und diesem Sensor. Hierbei handelt es sich um eine statische Messung insofern, dass der Laser nicht bewegt wird, was keine hohe Genauigkeit erlaubt. Es sind auch keine Verschiebeachsen vorhanden, so dass es mit einem Konfokallaser nicht funktionieren könnte. Es ist nicht angegeben, was für ein Laser verwendet wird. Bewegungen in axialer oder radialer Richtung sind nicht vorgesehen. DE 10 2010 012 421 A1 describes the determination of parameters of a toothing of a rotatable toothing part using a rotation angle sensor, the detected rotation angles being fed to an evaluation unit. In addition, there is another laser displacement sensor for recording the distance between the toothed part and this sensor. This is a static measurement in that the laser is not moved, which does not allow high accuracy. There are also no shifting axes, so it might not work with a confocal laser. It is not specified what type of laser is used. Movements in the axial or radial direction are not provided.
Die EP 3 321 628 A1 und EP 3 441 712 A1 betreffen eine Koordinaten-Messvor- richtung mit optischem Sensor und entsprechendem Verfahren für ein zu messendes Zahnrad-Bauteil unter Verwendung eines konfokalen chromatischen Sensors. Bei beiden ist ein Fokus-Trigger-Sensor vorgesehen, der einen Lichtstrahl entlang einer optischen Achse in Richtung des Zahnrad-Bauteils aussendet. Mit dem Fo- kus-T rigger-Sensor ist unter Einsatz einer oder mehrerer der Achsen eine Scanbewegung relativ zu dem Zahnrad-Bauteil ausführbar, wobei durch den Fokus-Trig- ger-Sensor immer dann ein Schaltsignal bereitstellbar ist, wenn das Zahnrad-Bau- teil relativ zu dem Fokus-Trigger-Sensor einen Nennabstand erreicht. Die Erfassung erfolgt damit ausschließlich aufgrund eines Triggersignals, das eine Messung auslöst. Das Messsignal wird mit den Signalen von einem Winkelsensor korreliert. EP 3 321 628 A1 and EP 3 441 712 A1 relate to a coordinate measuring device with an optical sensor and a corresponding method for a gear component to be measured using a confocal chromatic sensor. Both have a focus trigger sensor that moves a light beam along emits an optical axis in the direction of the gear component. With the focus trigger sensor, one or more of the axes can be used to execute a scanning movement relative to the gear component, with the focus trigger sensor always providing a switching signal when the gear is being built - Part reached a nominal distance relative to the focus trigger sensor. The acquisition takes place exclusively on the basis of a trigger signal that triggers a measurement. The measurement signal is correlated with the signals from an angle sensor.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Zahnradprüfung vorzuschlagen, die eine 100%-ige Prüfung bei hoher Genauigkeit mit einer optischen Auflösung von kleiner einem Mikrometer und gegenüber dem Stand der Technik stark verkürzter Messzeit. The present invention is therefore based on the object of proposing a way of testing gearwheels, which is a 100% test with high accuracy with an optical resolution of less than one micrometer and a measurement time that is greatly reduced compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zahnradprüfverfahren nach Anspruch 1 sowie eine Zahnradprüfeinrichtung nach Anspruch 9 bzw. 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen rückbezogenen Unteransprü- chen zu entnehmen. This object is achieved according to the invention by a gear testing method according to claim 1 and a gear testing device according to claims 9 and 10, respectively. Further advantageous refinements can be found in the respective dependent claims.
Gemäß der Erfindung wird ein Konfokallaser verwendet, wobei die Verschiebung (bei einem monochromatischen Konfokallaser) oder Abfrage (bei einem polychromatischen Konfokallaser) des Fokuspunkts im MHz-Bereich liegt. Dieser tastet dabei die mit einem dem Konfokallaser inhärenten Messbereich von mindestens ± 0,5 mm eine Oberfläche ab. Das Nutzsignal von mindestens 10 KHz, d.h. das gemessene Abstandssignal, ist nicht die Frequenz mit der der Konfokallaser schwingen würde, sondern die höchstmögliche Datenausgangsrate. Der Laserstrahl sollte dabei möglichst senkrecht auf die zu messende Oberfläche treffen, wobei jedoch abmessungsbedingt von dieser Position abgewichen werden kann. Für die Mes- sung wird das um seine Rotationsachse drehende Zahnrad mittels des Laserstrahls des Konfokallasers auf der eingriffsseitigen Oberfläche des Zahnrades, auch als Zahnflanke bezeichnet, abgetastet, wobei der Drehwinkel ebenfalls genauestens erfasst wird. In einem ersten Schritt werden bis zu einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfo- kallaser zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, der Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers synchron erfasst und gespeichert. Die Abtastung erfolgt in der Art, dass der Auftreffpunkt des Laserstrahls vom Zahnfuß zur Zahnspitze oder umgekehrt bewegt wird. Nach einem Durchlauf wird, sofern aufgrund der Breite des Zahnrades und des Messbereichs erforderlich, die nächste Bahn entlang der Zahnflanke abgetastet solange, bis die gesamte Breite der Zahnflanke abgetastet wurde. Zweckmäßigerweise rotiert das Zahnrad um eine vertikale (Z-) Achse und der Laser wird entsprechend der Zahnflanke in X- Y-Z-Richtung bei der Abtastung verfahren, wobei die X-Richtung radial und die Y- Richtung tangential verlaufen. Insofern erfolgt eine schichtweise Abtastung des Zahnrads bzw. der Zahnflanke über die Breite des Zahnrades (Z-Richtung). Die erzeugten Signalwerte werden in Relation zum Drehwinkel gespeichert und aus den erfassten Signalwerten werden die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegen in Abhängigkeit des Gütesignals als gültige Messwerte ausgewählt, sortiert und der jeweiligen Zahnflanke eines Zahnes zugeordnet. Die Messung kann entweder mit einem Konfokallaser für beide Zahnflanken oder mittels zwei Konfokallasers für jede Zahnflanke durchgeführt werden. Es ist auch möglich, eine andere Anzahl von Laser zu verwenden, z.B. vier Laser, mit einem Paar von oben nach unten in (Z-Richtung) bis zur Mitte, das andere Paar von unten nach oben bis zur Mitte. According to the invention, a confocal laser is used, the shift (in the case of a monochromatic confocal laser) or interrogation (in the case of a polychromatic confocal laser) of the focal point being in the MHz range. This scans a surface with a measuring range of at least ± 0.5 mm inherent in the confocal laser. The useful signal of at least 10 KHz, ie the measured distance signal, is not the frequency with which the confocal laser would oscillate, but the highest possible data output rate. The laser beam should hit the surface to be measured as perpendicularly as possible, although this position can be deviated from depending on the dimensions. For the measurement, the gear wheel rotating about its axis of rotation is scanned by means of the laser beam of the confocal laser on the surface of the gear wheel on the engagement side, also referred to as the tooth flank, the angle of rotation also being precisely recorded. In a first step, up to a maximum possible sampling rate of the confocal laser, measured values per time unit are used as signal values, a The quality signal made available to kallaser for the respective measured value, the angle of rotation and the three spatial coordinates of the confocal laser are recorded and stored synchronously. The scanning takes place in such a way that the point of impact of the laser beam is moved from the tooth root to the tooth tip or vice versa. After one pass, if necessary due to the width of the gear wheel and the measuring range, the next path along the tooth flank is scanned until the entire width of the tooth flank has been scanned. The gear wheel expediently rotates around a vertical (Z) axis and the laser is moved according to the tooth flank in the X-YZ direction during scanning, the X direction being radial and the Y direction being tangential. In this respect, the gear wheel or the tooth flank is scanned in layers over the width of the gear wheel (Z direction). The generated signal values are stored in relation to the angle of rotation and from the recorded signal values the signal values that are in the measuring range of the focus point of the confocal laser are selected as valid measured values depending on the quality signal, sorted and assigned to the respective tooth flank of a tooth. The measurement can be carried out either with a confocal laser for both tooth flanks or with two confocal lasers for each tooth flank. It is also possible to use a different number of lasers, e.g. four lasers, with one pair from top to bottom in (Z-direction) to the center, the other pair from bottom to top to the center.
Es wird somit nicht abhängig vom Drehwinkel oder einem Nennabstand wie beim Stand der Technik gemessen. Es wird zuerst alles gemessen und anschließend eine Auswertung vorgenommen, ob die Werte gültig und brauchbar sind. Dazu werden alle drei Raumkoordinaten, der Drehwinkel, der Messwert und ein von dem Laser geliefertes Plausibilitätssignal oder Gütesignal für den Messwert erfasst. Es ist entscheidend, dass die Werte absolut synchron erfasst werden und nicht durch eine Winkelstellung oder einen Messabstand getriggert werden. Das Gütesignal gibt an mit welcher Qualität die Messung zustande gekommen ist, da der Laser immer misst. Der Konfokallaser liefert einen Messwert und parallel ein Gütesignal. Der Konfokallaser führt dabei eine Plausibilitätsbewertung durch, wie intensiv das Messsignal ist. Das bedeutet beispielsweise, dass bei einer Messung völlig außerhalb des Fokusbereiches ein Gütesignal von Null zurückgegeben wird. Somit liefert das Gütesignal entweder eine Null bei einem unsinnigen Signal oder eine Intensität zurück, die durchaus eine gewisse Bandbreite aufgrund unterschiedlicher Intensi- täten einnehmen kann. Dieses Gütesignal wird zu einer Vorauswertung verwendet, auf die dann eine mathematische Auswertung mit bekannten mathematischen Methoden wie Mittelwertfilter, Steigungsfilter, FFT-Filter und Gauß-Filter folgt. Welches oder welche Filter verwendet werden, kann in Abhängigkeit von der Güte der Messung ausgewählt werden. Die Vorauswertung kann entweder durch die Vor- gäbe bestimmter Schwellwerte oder durch die Vorgabe einer bestimmten Anzahl von Messwerten erfolgen, wobei bei Letzterem iterativ automatisch eine entsprechende Verschiebung der Schwellwerte durchgeführt wird. It is therefore not measured depending on the angle of rotation or a nominal distance as in the prior art. First everything is measured and then an evaluation is carried out to determine whether the values are valid and usable. For this purpose, all three spatial coordinates, the angle of rotation, the measured value and a plausibility signal or quality signal supplied by the laser for the measured value are recorded. It is crucial that the values are recorded absolutely synchronously and not triggered by an angular position or a measuring distance. The quality signal indicates the quality with which the measurement was made, since the laser always measures. The confocal laser delivers a measured value and, in parallel, a quality signal. The confocal laser carries out a plausibility assessment of how intensive this is Measurement signal is. This means, for example, that a quality signal of zero is returned when a measurement is carried out completely outside the focus area. The quality signal therefore either returns a zero in the case of a nonsensical signal or an intensity that can definitely occupy a certain bandwidth due to different intensities. This quality signal is used for a preliminary evaluation, which is then followed by a mathematical evaluation using known mathematical methods such as mean value filters, slope filters, FFT filters and Gaussian filters. Which filter or filters are used can be selected depending on the quality of the measurement. The preliminary evaluation can take place either by specifying specific threshold values or by specifying a specific number of measured values, with the latter automatically automatically shifting the threshold values accordingly.
Ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist der große Messbereich eines Konfokallasers, während andere Laser sehr genau, auf die Entfer- nung gefahren werden müssen, damit sie überhaupt messen können. Der weitere Vorteil besteht darin kein absolutes Messverfahren zu verwenden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren unempfindlich für das Aussehen der Oberfläche (spiegelnd, glatt, befleckt, wechselnde Oberflächenerscheinung etc) ist. Hinsichtlich der Form der Zähne wird das Ziel dadurch viel einfacher erreicht als mit Absolutmess- gebern, die sehr empfindlich auf z.B. Roststellen oder Flächen auf der Verzahnung reagieren. Ein normales optisches Verfahren kann sehr schnell dran scheiten, wenn sich ein Fleck auf der Verzahnungsoberfläche befindet. Dadurch wird etwas völlig anderes als direkt daneben gemessen, obwohl die Oberfläche identisch wäre. Erfindungsgemäß stört so etwas nicht, weil kein absolutes Verfahren angewandt wird. Ein weiterer zusätzlicher großer Vorteil der Erfindung gegenüber getriggerten Verfahren liegt darin, dass bei einem getriggerten Verfahren, wenn an einem Triggerpunkt die Oberfläche nicht gut geeignet für die Messung ist, fehlerhafte Messwerte entstehen. Weil jedoch getriggert gemessen wird, erscheint dieser Wert bei jeder Messung erneut. Bei der erfindungsgemäßen frei ablaufenden ungetriggerten Messung ist die Wahrscheinlichkeit, dass zweimal derselbe Punkt getroffen wird, sehr gering. Zusätzlich kann einfach durch Anpassung, z.B. wenn nicht genug Messwerte vorhanden sind, dynamisch die Drehzahl geändert werden oder es wird einfach ein weiterer Durchlauf getätigt, bei dem ohne Triggerung mit einer gegen Null gehenden Wahrscheinlichkeit derselbe Winkelpunkt nochmal gemessen wird. Ein weiterer Vorteil des nicht-getriggerten Messens ist, dass sehr dynamisch auf die Geometrie eingegangen werden kann. Das bedeutet beispielsweise, dass, wenn eine ebene Geometrie zu erwarten ist, diese mit höherer Drehzahl des Zahnrades schnell abgescannt werden kann. Wenn dagegen eine scharfe Kante zu erwarten ist, kann an dieser Stelle dynamisch die Drehzahl verringert werden. Die Dichte der Punkte ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht abhängig vom Drehgeber, sondern ausschließlich von der Drehzahl, die geändert werden kann. Über die Drehzahl, die frei beeinflussbar ist, kann einfach die Dichte der Messwerte an bestimmten Stellen, die für das zu untersuchende Teil neuralgisch sind, geändert werden. Erfindungsgemäß wird immer gegen ein mathematisches Modell gemessen, so dass immer bekannt ist, was ungefähr an welcher Stelle erwartet wird. Es kann damit völlig dynamisch - da nicht getriggert - an einer bestimmten Stelle das Zahnrad langsam gedreht werden, wodurch sich die Messwertdichte enorm erhöht. Dadurch kann viel besser auf irgendwelche Fehlerereignisse reagiert werden. So kann beispielsweise an Zahnkanten, die durch Anschlägen oder ähnliches sehr leicht beschädigt werden können, gezielt in einer viel höheren Auflösung ge- messen werden, weil die Messung nicht getriggert erfolgt. Durch mehrfaches Scannen des Zahnrades über mehrere Umdrehungen wird die Signalqualität verbessert, weil nicht jedes Mal genau derselbe Punkt gemessen wird. Durch das nicht getriggerte Messen können vorteilhafterweise gezielt bestimmte Stellen auf der Oberfläche höher aufgelöst werden. Dieses Verfahren ist deutlich schneller als die bisher bekannten Zahnradprüfverfahren, wobei die Dauer der Prüfung selbstverständlich abhängig von der Größe und der Drehgeschwindigkeit des Zahnrades abhängig ist. Pro Zahnflanke werden je nach Größe der Zahnflanke mindestens 20 Messwerte aufgenommen. Bei der Prüfung ist besonderen Wert auf die zeitsynchrone Zuordnung der Winkelwerte und der Messwerte zu der X-Y-Z-Position des Konfokallasers zu legen. Dadurch jedoch, dass das Zahnrad sich dreht und die Messung mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt wird, werden eine Vielzahl von Messdaten erzeugt, wobei nur ein geringer Teil der erzeugten Messdaten letztlich verwertet wird. Trotzdem geschieht das alles bei einer vollständigen Prüfung des Zahnrades mit größerer Geschwindigkeit als bei den bisher bekannten Prüfverfahren. Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit den üblichen hierfür bekannten mathematischen Algorithmen, die für derartige Anwendungen bekannt sind. A decisive advantage over the prior art is the large measuring range of a confocal laser, while other lasers have to be driven very precisely to the distance so that they can measure at all. The further advantage consists in not using an absolute measuring method, so that the method according to the invention is insensitive to the appearance of the surface (reflective, smooth, stained, changing surface appearance, etc.). With regard to the shape of the teeth, the goal is achieved much more easily than with absolute encoders, which are very sensitive to, for example, rust spots or surfaces on the teeth. A normal optical process can very quickly fail if there is a spot on the tooth surface. This means that something completely different is measured than directly next to it, although the surface would be identical. According to the invention, such a thing does not bother because no absolute method is used. Another additional great advantage of the invention compared to triggered methods is that in the case of a triggered method, if the surface is not well suited for the measurement at a trigger point, erroneous measured values arise. However, because the measurement is triggered, this value appears again with each measurement. With the freely running, untriggered measurement according to the invention, the probability that the same point will be hit twice is very low. In addition, it can be easily adjusted, e.g. if not enough Measured values are available, the speed can be changed dynamically or another run is simply carried out in which the same angular point is measured again without triggering with a probability approaching zero. Another advantage of non-triggered measurement is that the geometry can be addressed very dynamically. This means, for example, that if a flat geometry is to be expected, this can be scanned quickly with a higher speed of the gear wheel. If, on the other hand, a sharp edge is to be expected, the speed can be reduced dynamically at this point. In the method according to the invention, the density of the points is not dependent on the rotary encoder, but exclusively on the speed, which can be changed. Via the speed, which can be freely influenced, the density of the measured values at certain points that are critical for the part to be examined can easily be changed. According to the invention, measurements are always made against a mathematical model so that it is always known what is expected approximately at which point. This means that the gear wheel can be rotated slowly at a certain point completely dynamically - as it is not triggered - which increases the density of the measured values enormously. This makes it much easier to react to any error events. For example, tooth edges that can be easily damaged by stops or the like can be measured in a targeted manner with a much higher resolution because the measurement is not triggered. Scanning the gear several times over several revolutions improves the signal quality because the exact same point is not measured every time. As a result of the non-triggered measurement, certain points on the surface can advantageously be resolved with a higher resolution. This method is significantly faster than the previously known gear wheel testing method, the duration of the test of course being dependent on the size and the speed of rotation of the gear wheel. At least 20 measured values are recorded for each tooth flank, depending on the size of the tooth flank. During the test, special emphasis must be placed on the time-synchronous assignment of the angle values and the measured values to the XYZ position of the confocal laser. However, that the gear rotates and the measurement is carried out at high speed, a large number of measurement data are generated, with only a small part of the measurement data generated being ultimately used. In spite of this, all of this happens with a complete test of the gear at greater speed than with the previously known test methods. The measurement data are evaluated using the mathematical algorithms known for this purpose, which are known for such applications.
Bei der Bewegung entlang der Oberfläche eines Zahnes können auch die einzelnen Signalwerte von Messpunkten stammen, die sich teilweise überlappen, um durch Angleichen der Werte an den überlappenden Stellen zusätzliche Genauigkeiten unter Anwendung entsprechender Algorithmen zu erreichen. Für die Auswertung selbst ist es erforderlich, dass ein mathematisches Modell eines idealen Zahnrades vorhanden ist, gegenüber dem die gemessenen Werte verglichen werden. Darüber hinaus ist dieses Modell auch zweckmäßig für die Einstellung des Konfokallasers. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung des Verfahrens werden die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte ausgewählt. Es wird, wie erwähnt, keine durch ein Drehgebersignal getriggerte Erfassung, sondern eine Be- Wertung der Messwerte durchgeführt. Abschließend wird für die Auswertung mittels eines oder mehreren der üblichen mathematischen Verfahren, z. B. Iterationsverfahren, eine dynamische Nachführung durchgeführt. Damit wird beispielsweise bei einer Messung mit vielen Werten, von denen einige Werte innerhalb oder einige Werte außerhalb des Messbereiches des Konfokallasers liegen, eine Bewertung aufgrund des Gütesignals durchgeführt. Dieses Gütesignal wird erstens dazu benutzt, um sinnlose Werte von sinnhaltigen zu trennen und zweitens die Güte, da ohnehin viel zu viele Messwerte vorliegen, auszuwerten. When moving along the surface of a tooth, the individual signal values can also originate from measuring points that partially overlap in order to achieve additional accuracies by adjusting the values at the overlapping points using appropriate algorithms. For the evaluation itself it is necessary that a mathematical model of an ideal gear wheel is available against which the measured values are compared. This model is also useful for setting the confocal laser. According to a particularly preferred embodiment of the method, the measurement values lying in the measurement area of the focus point of the confocal laser are selected as measurement values to be processed further only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measurement value is exceeded. As mentioned, there is no detection triggered by an encoder signal, but an evaluation of the measured values. Finally, for the evaluation using one or more of the usual mathematical methods, e.g. B. iteration method, a dynamic tracking performed. In this way, for example, in the case of a measurement with many values, some of which are within or some of which are outside the measurement range of the confocal laser, an evaluation is carried out on the basis of the quality signal. This quality signal is used firstly to separate meaningless values from meaningful ones and secondly to evaluate the quality, since there are far too many measured values anyway.
Beispielsweise kann eine Zielvorgabe darin bestehen, eine bestimmte Anzahl von Messwerten pro Umdrehung zu erhalten. Dann wird die Zulässigkeitsschwelle oder ein Schwellwert so lange verändert, bis dieser Wert ungefähr erreicht wird. Dadurch bleibt von den sehr vielen Messwerten die gewünschte Anzahl mit ausreichender Güte übrig. Der Schwellwert wird dynamisch nachgeführt. Beispielsweise könnte die Vorgabe darin bestehen, dass eine bestimmte Anzahl von Messwerten pro Schicht (Profischnitt) pro Zahnflanke ausreichend ist, um die Qualität zu bewerten. Dann könnte, ausgehend von einer bestimmten Anzahl von Zähnen eines Zahnrades, der Schwellwert so lange nach oben verschoben werden, bis in etwa die erforderliche Anzahl von Messwerten erreicht werden. Mit diesen wird dannabschließend die mathematische Bearbeitung wie z.B. Glättungen und Filterungen oder ähnliches vorgenommen. Die andere Möglichkeit des Einsatzes eines Schwellwertes für das Gütesignal besteht darin, den Schwellwert so lange zu verändern, bis aufgrund der Auswahl über diesen Schwellwert nur so viele Werte übrig bleiben, die zur Bewertung der Geometrie benötigt werden. Dies bedeutet, dass, wenn ein Zahnrad für die optische Messung relativ schlecht ist, auch alle Gütewerte schlecht sind. Dann befindet sich der Schwellwert in einem niedrigeren Bereich als bei einem guten Zahnrad. Der Schwellwert wird dann in einem niedrigen Bereich so gelegt, eine ausreichende Anzahl von Messwerten pro Flanke erreicht sind. Anschließend wird versucht, über mathematische Filterung daraus noch etwas zu generieren und ein vernünftiges Ergebnis zu erreichen. Bei einem zu messenden guten Zahnrad sind normaler- weise die Plausibilitätswerte relativ hoch. Bei Reflexionen entstehen Spitzen, die unerwünscht sind und deren Plausibilität gering ist. Diese können durch anheben des Schwellwertes auch aus der Menge der vorliegenden Messwerte für die weitere Bearbeitung entfernt werden, obwohl es grundsätzlich sich aufgrund der Plausibilität um gültige, aber von der Qualität schlechte Werte handelt. Dadurch können ge- zielt Messwerte mit einer bestimmten Qualität ausgewählt bzw. ausgeschlossen werden. Dies kann dazu führen, dass bei einem Zahnrad, das sehr sauber zu messen ist, auch ohne viel Filterung der Messwerte bei der anschließenden mathematischen Bearbeitung ein ausreichendes Ergebnis erzielt wird. For example, a target can be to obtain a certain number of measured values per revolution. Then the admissibility threshold or a threshold value is changed until this value is approximately reached. Thereby Of the very many measured values, the desired number remains with sufficient quality. The threshold value is tracked dynamically. For example, the specification could be that a certain number of measured values per layer (professional cut) per tooth flank is sufficient to evaluate the quality. Then, based on a certain number of teeth of a gearwheel, the threshold value could be shifted upwards until approximately the required number of measured values is reached. With these, the mathematical processing such as smoothing and filtering or the like is then carried out. The other possibility of using a threshold value for the quality signal is to change the threshold value until, due to the selection via this threshold value, only so many values remain that are required for evaluating the geometry. This means that if a gear is relatively bad for the optical measurement, then all quality values are also bad. Then the threshold is in a lower range than with a good gear. The threshold value is then set in a low range so that a sufficient number of measured values per edge has been reached. Then an attempt is made to generate something from this using mathematical filtering and to achieve a reasonable result. With a good gear to be measured, the plausibility values are normally relatively high. Reflections produce peaks that are undesirable and whose plausibility is low. These can also be removed from the set of existing measured values for further processing by increasing the threshold value, although these are basically valid but poor quality values due to plausibility. As a result, measured values with a certain quality can be selected or excluded in a targeted manner. This can lead to a gear that can be measured very cleanly, even without much filtering of the measured values, a sufficient result is achieved in the subsequent mathematical processing.
Vor Beginn der Messung wird die X-Y-Z-Position des Konfokallasers für die Erfas- sung der Signalwerte exakt bestimmt, wobei der Abstand zur Oberfläche der Zähne und zum Zahnrad durch die Laserstrahlreichweite und deren Auftreffwinkel auf die Oberfläche der Zähne definiert wird. Die letztendlich genaue Winkelposition des zu prüfenden Zahnrades ist für die Einstellung des Abstandes des Konfokallasers nicht erforderlich. Nach der Einstellung des Fokusabstandes des Konfokallasers von den vorbeidrehenden Zähnen des Zahnrades sind die genaue Position und der Auftreffwinkel definiert. Zweckmäßigerweise wird zu Beginn der Messung der Fokuspunkt auf den Zahnfuß oder den Zahnkopf der Zähne eingestellt und anschließend in radialer Richtung nach außen oder innen die Oberfläche abgetastet. Die X- Y-Z-Position des Konfokallasers wird zeitsynchron mit dem Messwert und dem Drehwinkel aufgenommen. Wie bereits vorstehend erwähnt wird vorzugsweise der Laserstrahl beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Zahnrades bewegt. Diese Formulierung basiert auf der Annahme, dass das Zahnrad um eine vertikale (Z-) Achse rotiert und die Normale auf die Oberfläche der Zahnflanke in einer X-Y-Ebene liegt und somit der Laserstrahl in vertikaler (Z-) Richtung nachei- nander abgefahren wird. Before the start of the measurement, the XYZ position of the confocal laser is determined exactly for the acquisition of the signal values. The distance to the surface of the teeth and the gear is determined by the laser beam range and its angle of incidence Surface of the teeth is defined. The ultimately exact angular position of the gear to be tested is not required for setting the distance from the confocal laser. After setting the focus distance of the confocal laser from the teeth of the gear wheel rotating past, the exact position and the angle of incidence are defined. At the beginning of the measurement, the focal point is expediently set on the tooth base or the tooth tip of the teeth and then the surface is scanned in a radial direction outwards or inwards. The X-YZ position of the confocal laser is recorded synchronously with the measured value and the angle of rotation. As already mentioned above, the laser beam is preferably moved in layers in the radial direction with respect to the gearwheel when scanning in axial layers. This formulation is based on the assumption that the gear rotates around a vertical (Z) axis and that the normal to the surface of the tooth flank lies in an XY plane and thus the laser beam is traversed one after the other in the vertical (Z) direction.
Falls erforderlich können beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20 bis 30 % überlappen, um gegebenenfalls nach Angleichen der Signalwerte an den überlappenden Stellen zusätzliche Genauigkeiten bei der Berechnung zu erreichen. Die Abtastung erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens bei einer Drehzahl des Zahnrades von 20 bis 60 U/min. Wie bereits vorstehend ausgeführt dreht sich das Zahnrad permanent bei der Messung und die Abtastung erfolgt je nach Anwendungsfall mit einer Frequenz von 10-20 kHz oder mehr, wobei jedoch auch möglich ist, in Einzelfällen mit einer geringeren Frequenz abzutasten. Infolge dessen ergeben sich, beispielhaft bei einer Frequenz von 20 kHz 20.000 Signalwerte pro Sekunde, die durch die Drehung des Zahnrades von den verschiedenen Zähnen stammen und bei der Auswertung aufgrund der Zuordnung zu dem Drehwinkel dem jeweiligen Zahn wieder zugeordnet werden. Zwangsläufig ergeben sich eine Vielzahl von Messwerten, die nicht auf der Oberfläche der vorbeidrehenden Zähne, sondern beispielsweise in den Zahnlücken liegen, so dass diese Signalwerte aussortiert werden, weil sie nicht im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegen. Trotzdem ist dieses Verfahren schneller als alle bisher bekannten Verfahren. Vorteilhafterweise wird die Topologie der einzelnen Zähne gegebenenfalls in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch dargestellt, wobei unter Berücksichtigung der mathematisch hinterlegten Idealform des Zahnrades mit seinen Zähnen die Abweichungen entsprechend ermittelt werden. Eine erfindungsgemäße Zahnradprüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Dreheinrichtung mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung für ein zu prüfendes Zahnrad auf, eine X-Y-Z-Bewegungseinrichtung, an der der Konfokalla- ser angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung sowie eine Rechen- und Steuereinrichtung für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung, Bewegungseinrichtung und des Konfokalla- sers. If necessary, when moving in the radial direction, the focal points can overlap by 20 to 30% during scanning, in order to achieve additional accuracy in the calculation after adjusting the signal values at the overlapping points. According to a preferred embodiment of the method, the scanning is carried out at a speed of the gear wheel of 20 to 60 rpm. As already stated above, the gear wheel rotates permanently during the measurement and the scanning takes place depending on the application with a frequency of 10-20 kHz or more, although it is also possible to scan with a lower frequency in individual cases. As a result, 20,000 signal values per second result, for example at a frequency of 20 kHz, which originate from the rotation of the gear wheel from the various teeth and are reassigned to the respective tooth during the evaluation based on the assignment to the angle of rotation. Inevitably, there are a large number of measured values that are not on the surface of the passing vehicle Teeth, but lie, for example, in the tooth gaps, so that these signal values are sorted out because they are not in the measuring range of the focus point of the confocal laser. Nevertheless, this method is faster than all previously known methods. Advantageously, the topology of the individual teeth is graphically represented if necessary depending on a theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance, the deviations being determined accordingly taking into account the mathematically stored ideal shape of the gear with its teeth. A gear testing device according to the invention for carrying out the method has a rotating device with a rotational angle detection device for a gear to be tested, an XYZ movement device on which the confocal laser is arranged, an input and output device and a computing and control device for detection and storage and evaluation of the signal values as well as control of the rotating device, moving device and the confocal laser.
Erfindungsgemäß ist bei der Zahnradprüfeinrichtung zur genauen Bestimmung der Oberflächen von Zähnen eines Zahnrades die Dreheinrichtung angepasst, das zu prüfende Zahnrad aufzunehmen und während der Messung um eine Rotations- achse der Dreheinrichtung zu drehen. Des Weiteren ist der Laser als Konfokallaser ausgebildet, wobei der Laserstrahl des Konfokallasers mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung auf die eingriffsseitige Oberfläche des Zahnrades ausgerichtet ist. Die Rechen- und Steuereinrichtung ist angepasst, in einem ersten Schritt mit einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, den Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers synchron zu erfassen und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegen, in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte auszuwählen, zu sortieren und der jeweiligen Flanke eines Zahnes zuzuordnen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte aus- zuwählen. According to the invention, in the gear testing device for the precise determination of the surfaces of the teeth of a gear, the rotating device is adapted to receive the gear to be tested and to rotate it about a rotation axis of the rotating device during the measurement. Furthermore, the laser is designed as a confocal laser, the laser beam of the confocal laser being aligned with the surface of the gear wheel on the engagement side by means of the XYZ movement device. The computing and control device is adapted, in a first step with a maximum possible sampling rate of the confocal laser, to acquire measured values per unit of time as signal values, a quality signal provided by the confocal laser for the respective measured value, the angle of rotation and the three spatial coordinates of the confocal laser, and in In a second step, the signal values that are in the measuring range of the focal point of the confocal laser are selected from the detected signal values as measured values as a function of the quality signal, sorted and assigned to the respective flank of a tooth. In a preferred embodiment of the invention, the computing and control device is designed to select the measured values lying in the measuring range of the focal point of the confocal laser as measured values to be further processed only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measured value is exceeded.
Vorteilhaftenweise ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet, die mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung eingestellte X-Y-Z-Position des Konfokallasers für die Erfassung der Signalwerte exakt zu bestimmen, wobei der Abstand zur Oberfläche der Zähne und zum Zahnrad durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Oberfläche der Zähne definiert ist. The computing and control device is advantageously designed to exactly determine the XYZ position of the confocal laser set by means of the XYZ movement device for the detection of the signal values, the distance to the surface of the teeth and the gear wheel being determined by the laser beam range and an angle of incidence on the surface of the Teeth is defined.
Gemäß einer weiteren Ausbildung ist die Rechen- und Steuereinrichtung ausgebildet, den mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung eingestellten Abstand des Konfokallasers und/oder den Konfokallaser zu Beginn der Messung mit dem Fokuspunkt auf den Zahnfuß oder den Zahnkopf der Zähne einzustellen. Des Weiteren ist die Rechen- und Steuereinrichtung gemäß einer weiteren Ausbildung geeignet, den Laserstrahl beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Zahnrades zu bewegen. According to a further embodiment, the computing and control device is designed to set the distance of the confocal laser and / or the confocal laser set by means of the X-Y-Z movement device at the beginning of the measurement with the focus point on the tooth base or the tooth tip of the teeth. Furthermore, according to a further embodiment, the computing and control device is suitable for moving the laser beam in layers in the radial direction with respect to the gearwheel when scanning in axial layers.
Die Zahnradprüfeinrichtung ermöglicht gemäß einer weiteren Ausbildung, dass beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20 bis 30% überlappen. According to a further embodiment, the gear testing device enables the focal points to overlap by 20 to 30% during scanning when moving in the radial direction.
Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung bei einer Drehzahl des Zahnrades von 20 bis 60 U/min. The scanning is advantageously carried out at a speed of the gear wheel of 20 to 60 rpm.
Bei der erfindungsgemäßen Zahnradprüfeinrichtung ist zweckmäßigerweise die Rechen- und Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Topologie der einzel- nen Zähne gegebenenfalls in Abhängigkeit von der theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz grafisch über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung dargestellt werden kann. Der Vorteil des vorstehend geschilderten Verfahrens sowie der Zahnradprüfeinrichtung besteht darin, dass es damit möglich ist, hochgenau im Mikrometerbereich bei einer Auflösung von kleiner einem Mikrometer mit hoher Geschwindigkeit Zahnräder zu prüfen, so dass das Verfahren und die Vorrichtung zu 100% Kontrolle in einem Fertigungsprozess in vorteilhafter Weise integriert werden kann. In the gear testing device according to the invention, the computing and control device is expediently designed in such a way that the topology of the individual teeth can be graphically represented via the input and output device depending on the theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance. The advantage of the method described above and the gear testing device is that it is possible to test gearwheels with high precision in the micrometer range with a resolution of less than one micrometer at high speed, so that the method and the device are 100% controlled in one manufacturing process can be integrated advantageously.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale der unabhängigen Ansprüche verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the specified combination, but also in other combinations or on their own. Not all features of the independent claims have to be implemented in order to carry out the invention. Individual features of the independent claims can also be replaced by other disclosed features or combinations of features.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. All of the features and / or advantages that emerge from the claims, the description or the drawing, including structural details, spatial arrangement and method steps, can be essential to the invention both individually and in various combinations.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es stellen dar: Figur 1 die schematische Darstellung eines Zahnrades mit dem Laserkopf und dem auf den Zahnfuß gerichteten Laserstrahl und The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in the figures. The figures show: FIG. 1 the schematic illustration of a gearwheel with the laser head and the laser beam directed onto the tooth base and FIG
Figur 2 ein Blockschaltbild mit den einzelnen Elementen der Zahnradprüfeinrichtung. FIG. 2 is a block diagram with the individual elements of the gear testing device.
Figur 1 zeigt ein beispielhaft ein Stirnzahnrad 1 mit den Zähnen 2, die jeweils Flan- ken 3 und 4 aufweisen. Ein Laserkopf 5 mit einem Konfokallaser sendet einen Laserstrahl 6 auf den in diesem Ausführungsbeispiel Zahnfuß 7 eines Zahnes 2 und wird auf diese Art und Weise mit seinem Fokuspunkt ausgerichtet. In Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des Konfokallasers kann der Abstand zu dem Zahnrad 1 mehr oder weniger groß sein. Aufgrund der geometrischen Anordnungen variiert dadurch der Auftreffwinkel des Laserstrahls 6 auf die jeweilige Zahnflanke 3 bzw. 4. In dem Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 6 von dem Zahnfuß 7 zu dem Zahnkopf 8 bewegt und nach dem Durchlauf in X-Richtung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene bewegt, um eine nächste Schicht entsprechend in radialer Richtung von innen nach außen oder außen nach innen abzutasten. Das Zahnrad 1 dreht sich um seine Rotationsachse 14. FIG. 1 shows an example of a spur gear 1 with the teeth 2, which each have flanks 3 and 4. A laser head 5 with a confocal laser sends a laser beam 6 onto the tooth foot 7 of a tooth 2 in this exemplary embodiment and is aligned with its focal point in this way. Dependent on Depending on the efficiency of the confocal laser, the distance to the gear wheel 1 can be more or less large. Due to the geometric arrangements, the angle of incidence of the laser beam 6 on the respective tooth flank 3 or 4 varies. In the exemplary embodiment, the laser beam 6 is moved from the tooth root 7 to the tooth head 8 and after passing through it is moved in the X direction, ie perpendicular to the plane of the drawing in order to scan a next layer in the radial direction from the inside to the outside or from the outside to the inside. The gear wheel 1 rotates about its axis of rotation 14.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Zahnradprüfeinrichtung 13 mit einer Dreheinrichtung 15 zur Aufnahme für das zu prüfende Zahnrad 1 , wobei die Dreheinrichtung 15 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 9 aufweist, die eine genaue Winkellagebestimmung des Zahnrades 2 ermöglicht. Des Weiteren ist eine X-Y-Z- Bewegungseinrichtung 10 vorgesehen, an der der Laser 5 angeordnet ist. Des Weiteren ist eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung 11 sowie eine Rechen- und Steu- ereinrichtung 12 für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung 15, Bewegungseinrichtung 10 und des Konfokallasers 5 vorgesehen. Mittels der Rechen- und Steuereinrichtung 12 erfolgt die Positionsvorgabe, Positionierung des Konfokallasers 5 über die entsprechende Mechanik der Achsantriebe der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung 10 und die Steuerung des Antriebs der Dreheinrichtung 15. Die Dreheinrichtung 15 mit ihrer Drehwinkelerfassungseinrichtung 9 liefert zeitsynchron den augenblicklichen Winkel an die Rechen- und Steuereinrichtung 12, die zur gleichen Zeit die zu dem jeweiligen Drehwinkel gehörenden abgetasteten Signalwerte des Konfokallasers 5 erhält und die Signalwerte diesem Drehwinkel und der jeweiligen abgetasteten Schicht des zu prüfenden Zahnrades 1 zuordnet. Über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung 11 mit einer grafischen Oberfläche sowie Drucker kann das Ergebnis der in der Rechen- und Steuereinrichtung 12 erfolgten Auswertung dargestellt werden. Je nach Wahl kann die Oberfläche des Zahnrades mit den einzelnen Zähnen und den einzelnen Messpunkten einzeln oder in Relation zu der Idealform des Zahnrades 1 bezogen auf die jeweilige Zahnflanke 3, 4 der Zähne 2 und jedes einzelnen ZahnesFIG. 2 shows a schematic representation of a gear testing device 13 with a rotating device 15 for receiving the gear 1 to be tested, the rotating device 15 having a rotating angle detection device 9 which enables the exact angular position of the gear 2 to be determined. Furthermore, an X-Y-Z movement device 10 is provided on which the laser 5 is arranged. In addition, an input and output device 11 as well as a computing and control device 12 for the acquisition, storage and evaluation of the signal values and control of the rotating device 15, movement device 10 and confocal laser 5 are provided. By means of the computing and control device 12, the position specification, positioning of the confocal laser 5 takes place via the corresponding mechanics of the axis drives of the XYZ movement device 10 and the control of the drive of the rotating device 15. The rotating device 15 with its rotating angle detection device 9 supplies the instantaneous angle to the rake synchronously and control device 12, which at the same time receives the scanned signal values of the confocal laser 5 belonging to the respective angle of rotation and assigns the signal values to this angle of rotation and the respective scanned layer of the gear wheel 1 to be tested. The result of the evaluation carried out in the computing and control device 12 can be displayed via the input and output device 11 with a graphic surface and printer. Depending on the choice, the surface of the gear with the individual teeth and the individual measuring points can be individually or in relation to the ideal shape of the gear 1 based on the respective tooth flank 3, 4 of the teeth 2 and each individual tooth
2 dargestellt werden. Das Prüfverfahren erfolgt derart, dass nach der Beladung der Dreheinrichtung 15 mit dem zu prüfenden Zahnrad 1 dieses in Rotation versetzt wird, anschließend mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung 10 die Position des Konfokallasers 5 angefahren wird und die Abtastung in radialer Richtung, wie vorstehend beschrieben, an dem Zahnrad 2 durchgeführt wird. Anschließend wird die nächste Messposition angefahren und er Vorgang so lange wiederholt, bis die gesamte Zahnflanke 3 abgetastet ist. Entsprechend wird mit der anderen Zahnflanke 4 der Zähne 2 verfahren. Bei der Verwendung von zwei Konfokallaser können beide Zahnflanken 3, 4 gleichzeitig abgetastet werden. Im Anschluss daran werden die Messwerte ausge- wählt, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers 5 liegen und somit Messpunkte der Oberfläche eines Zahnes 2 darstellen. Dies erfolgt durch die Festlegung eines Schwellwertes für ein ebenfalls abgespeichertes Gütesignal, der entsprechend der vorliegenden Gütewerte des Zahnrades ausgewählt wird. Er bestimmt sich entweder durch einen vorgegeben Wert oder iterativ durch die Vorgabe einer bestimmten Anzahl von für die Weiterverarbeitung notwendigen Messwerten.2 are shown. The test method is carried out in such a way that after the gear 1 to be tested has been loaded onto the rotating device 15, it is set in rotation, then the position of the confocal laser 5 is approached by means of the XYZ movement device 10 and scanning in the radial direction, as described above, is started the gear 2 is carried out. Then the next measuring position is approached and the process is repeated until the entire tooth flank 3 has been scanned. The other tooth flank 4 of the teeth 2 is handled accordingly. When using two confocal lasers, both tooth flanks 3, 4 can be scanned at the same time. Then the measured values are selected which lie in the measuring range of the focal point of the confocal laser 5 and thus represent measuring points of the surface of a tooth 2. This is done by defining a threshold value for a quality signal which is also stored and which is selected according to the existing quality values of the gearwheel. It is determined either by a specified value or iteratively by specifying a specific number of measured values required for further processing.
Diese Signalwerte sind einem entsprechenden Drehwinkel zugeordnet, so dass alle Signalwerte des jeweiligen zu dem Drehwinkel gehörenden Zahnes sortiert und zugeordnet werden können. Danach kann bei der mathematischen Auswertung und Erstellung einer Abbildung der Oberfläche eines Zahnrades aufgrund der gemes- senen Werte erstellt werden. Zusätzlich kann aufgrund von vorher hinterlegten Idealwerten unter Berücksichtigung der jeweiligen gewünschten vorgegebenen Vorschriften ein Protokoll der Messung und der Abweichungen von dem Idealwert erstellt und visuell auf einer grafischen Oberfläche dargestellt werden. These signal values are assigned to a corresponding angle of rotation so that all signal values of the respective tooth belonging to the angle of rotation can be sorted and assigned. Afterwards, during the mathematical evaluation and creation of an image of the surface of a gear wheel can be created based on the measured values. In addition, a log of the measurement and the deviations from the ideal value can be created and visually displayed on a graphic surface on the basis of previously stored ideal values, taking into account the respective desired predetermined regulations.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Zahnradprüfverfahren zur Bestimmung der Oberfläche von Zähnen (2) eines Zahnrades (1) mittels eines mit Abstand von dem Zahnrad (1 ) angeordneten Konfokallasers (5), wobei bei dem um seine Rotationsachse (14) drehenden Zahnrad (1) mit einer Drehwinkelerfassung mittels des Laserstrahls (6) des Konfokallasers (5) die eingriffeseitige Oberfläche des Zahnrades (1 ) abgetastet wird, indem beim Auftreffen des Laserstrahls (6) des Konfokallasers (5) auf die Oberfläche des Zahnrades (1) erzeugte Signalwerte erfasst, in Relation zum Drehwinkel gespeichert und einander zugeordnet ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt bis zu einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers (5) Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser (5) zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, der Drehwinkel und drei Raumkoordinaten des Konfokallasers (5) synchron erfasst und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegen in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte ausgewählt, sortiert und der jeweiligen Flanke (3, 4) eines Zahnes (2) zugeordnet werden. 1. Gear testing method for determining the surface of teeth (2) of a gear (1) by means of a confocal laser (5) arranged at a distance from the gear (1), the gear (1) rotating about its axis of rotation (14) with a rotation angle detection by means of the laser beam (6) of the confocal laser (5), the surface of the gear (1) on the engagement side is scanned by detecting signal values generated when the laser beam (6) of the confocal laser (5) hits the surface of the gear (1), in relation to Rotation angles are stored and assigned to each other, characterized in that in a first step up to a maximum possible sampling rate of the confocal laser (5) measured values per time unit as signal values, a quality signal provided by the confocal laser (5) for the respective measured value, the rotation angle and three spatial coordinates of the confocal laser (5) recorded synchronously and, in a second step, the signals from the recorded signal values l values that lie in the measuring range of the focal point of the confocal laser (5) are selected as measured values as a function of the quality signal, sorted and assigned to the respective flank (3, 4) of a tooth (2).
2. Zahnradprüfverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte ausgewählt werden. 2. Gear testing method according to claim 1, characterized in that the measured values lying in the measuring range of the focal point of the confocal laser (5) are selected as measured values to be further processed only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measured value is exceeded.
3. Zahnradprüfverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die X-Y-Z-Position des Konfokallasers (5) für die Erfassung der Signalwerte exakt bestimmt wird, wobei der Abstand zur Oberfläche der Zähne (2) und zum Zahnrad (1) durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Oberfläche der Zähne (2) definiert wird. 3. Gear testing method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the XYZ position of the confocal laser (5) is determined exactly for the detection of the signal values, the distance to the surface of the teeth (2) and to the gear (1) by the Laser beam range and an angle of incidence on the surface of the teeth (2) is defined.
4. Zahnradprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Messung der Fokuspunkt auf den Zahnfuß (7) oder Zahnkopf (8) der Zähne (2) eingestellt wird. 4. Gear testing method according to one of the preceding claims, characterized in that at the beginning of the measurement the focus point is set on the tooth root (7) or tooth tip (8) of the teeth (2).
5. Zahnradprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Zahnrades (2) bewegt wird. 5. Gear testing method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (6) is moved in layers in the radial direction with respect to the gear (2) when scanning in axial layers.
6. Zahnradprüfverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20% bis 30% überlappen. 6. Gear testing method according to claim 5, characterized in that when moving in the radial direction, the focal points overlap by 20% to 30% during scanning.
7. Zahnradprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung bei einer Drehzahl des Zahnrades (1) von 20 bis 60 U/min durchgeführt wird. 7. Gear testing method according to one of the preceding claims, characterized in that the scanning is carried out at a speed of the gear (1) of 20 to 60 rpm.
8. Zahnradprüfverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Topologie der einzelnen Zähne (2), gegebenenfalls in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch dargestellt werden. 8. Gear testing method according to one of the preceding claims, characterized in that the topology of the individual teeth (2), possibly depending on a theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance, are graphically displayed.
9. Zahnradprüfeinrichtung (13) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Dreheinrichtung (15) mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung (9) für ein zu prüfendes Zahnrad (1), einer X-Y- Z-Bewegungseinrichtung (10) an der der Konfokallaser (5) angeordnet ist, einer Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (11) sowie einer Rechen- und Steuereinrichtung (12) für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung (15), Bewegungseinrichtung (10) und des Konfokallasers (5). 9. gear testing device (13) for performing the method according to one of claims 1 to 8 with a rotating device (15) with a rotation angle detection device (9) for a gear to be tested (1), an XY- Z moving device (10) on the Confocal laser (5) is arranged, an input and output device (11) as well as a computing and control device (12) for the acquisition, storage and evaluation of the signal values and control of the rotating device (15), moving device (10) and the confocal laser (5).
10. Zahnradprüfeinrichtung (13) zur genauen Bestimmung der Oberfläche von Zähnen (2) eines Zahnrades (1 ) mittels eines mit Abstand zum Zahnrad (1 ) angeordneten Lasers (5) mit einer Dreheinrichtung (15) für das zu prüfende Zahnrad (1) mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung (15), einer X-Y-Z- Bewegungseinrichtung (10) an der der Laser (5) angeordnet ist, eine Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (11) sowie einer Rechen- und Steuereinrichtung (12) für die Erfassung, Speicherung und Auswertung der Signalwerte sowie Steuerung der Dreheinrichtung (15), Bewegungseinrichtung (10) und des Lasers (5), wobei die Dreheinrichtung (15) angepasst ist, das zu prüfende Zahnrad (1 ) aufzunehmen und während der Messung um eine Rotationsachse (14) der Dreheinrichtung (15) zu drehen, der Laser (5) als Konfokallaser ausgebildet ist, wobei der Laserstrahl (6) des Konfokallasers (5) mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (10) auf die eingriffeseitige Oberfläche des Zahnrades (1 ) ausgerichtet ist, und die Rechen- und Steuereinrichtung (12) angepasst ist, die beim Auftreffen des Laserstrahls (6) des Konfokallasers (5) auf die Oberfläche des Zahnrades (1) erzeugten Signalwerte zu erfassen, in Relation zum Drehwinkel zu speichern und einander zugeordnet auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) des Weiteren angepasst ist, in einem ersten Schritt mit einer maximal möglichen Abtastrate des Konfokallasers (5) Messwerte pro Zeiteinheit als Signalwerte, ein vom Konfokallaser (5) zur Verfügung gestelltes Gütesignal für den jeweiligen Messwert, den Drehwinkel und die drei Raumkoordinaten des Konfokallasers (5) synchron zu erfassen und in einem zweiten Schritt aus den erfassten Signalwerten die Signalwerte, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegen in Abhängigkeit von dem Gütesignal als Messwerte auszuwählen, zu sortieren und der jeweiligen Flanke (3, 4) eines Zahnes (1) zuzuordnen. 10. Gear testing device (13) for the precise determination of the surface of teeth (2) of a gear (1) by means of a laser (5) arranged at a distance from the gear (1) with a rotating device (15) for the gear to be tested (1) an angle of rotation detection device (15), an XYZ movement device (10) on which the laser (5) is arranged, an input and output device (11) and a computing and control device (12) for the detection, storage and evaluation of the signal values and Control of the rotating device (15), the moving device (10) and the laser (5), the rotating device (15) being adapted to receive the gear (1) to be tested and, during the measurement, about an axis of rotation (14) of the rotating device (15) to rotate, the laser (5) is designed as a confocal laser, wherein the laser beam (6) of the confocal laser (5) is aligned by means of the XYZ movement device (10) on the engaging surface of the gear (1), and the computing and control device (12) is adapted to detect the signal values generated when the laser beam (6) of the confocal laser (5) hits the surface of the gearwheel (1), to store them in relation to the angle of rotation and to output them assigned to one another, characterized in that the Computing and control device (12) is further adapted, in a first step with a maximum possible sampling rate of the confocal laser (5) measured values per time unit as signal values, a quality signal provided by the confocal laser (5) for the respective measured value, the angle of rotation and to record the three spatial coordinates of the confocal laser (5) synchronously and in a second step from the recorded signal values to select the signal values that are in the measuring range of the focal point of the confocal laser (5) as measured values as a function of the quality signal, to sort them and the respective edge ( 3, 4) of a tooth (1).
11. Zahnradprüfeinrichtung (13) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, die im Messbereich des Fokuspunktes des Konfokallasers (5) liegenden Messwerte nur bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für das dem Messwert zugehörige Gütesignal als weiter zu verarbeitende Messwerte auszuwählen. 11. Gear testing device (13) according to claim 10, characterized in that the computing and control device (12) is designed to take the measured values in the measuring range of the focal point of the confocal laser (5) only when a predefinable threshold value for the quality signal associated with the measured value is exceeded select measured values to be processed further.
12. Zahnradprüfeinrichtung (13) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, die mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (10) eingestellte Position des Konfokallasers für die Erfassung der Signalwerte exakt zu bestimmen, wobei der Abstand zur Oberfläche der Zähne und zum Zahnrad durch die Laserstrahlreichweite und einen Auftreffwinkel auf die Oberfläche der Zähne definiert ist. 12. Gear testing device (13) according to claim 10 or claim 11, characterized in that the computing and control device (12) is designed to precisely determine the position of the confocal laser set by means of the XYZ movement device (10) for the detection of the signal values, wherein the distance to the surface of the teeth and to the gear is defined by the laser beam range and an angle of incidence on the surface of the teeth.
13. Zahnradprüfeinrichtung (13) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, den mittels der X-Y-Z-Bewegungseinrichtung (10) eingestellten Abstand des Konfokallasers (5) und/oder den Konfokallaser (5) zu Beginn der Messung mit dem Fokuspunkt auf den Zahnfuß (7) oder den Zahnkopf (8) der Zähne (1) einzustellen. 13. Gear testing device (13) according to one of the preceding claims 10 to 12, characterized in that the computing and control device (12) is designed, the distance of the confocal laser (5) set by means of the XYZ movement device (10) and / or the Set the confocal laser (5) at the beginning of the measurement with the focus point on the tooth base (7) or the tooth tip (8) of the teeth (1).
14. Zahnradprüfeinrichtung (13) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, den Laserstrahl (6) beim Abtasten in axialen Schichten schichtweise in radialer Richtung bezüglich des Zahnrades (1) zu bewegen. 14. gear testing device (13) according to any one of the preceding claims 10 to 13, characterized in that the computing and control device (12) is designed, the laser beam (6) when scanning in axial layers in layers in the radial direction with respect to the gear (1) to move.
15. Zahnradprüfeinrichtung (13) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, die Topologie der einzelnen Zähne (1), gegebe- nenfalls in Abhängigkeit von einer theoretischen Idealform und/oder gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz, grafisch über die Eingabe- und Ausgabeeinrichtung (11 ) darzustellen. 15. Gear testing device (13) according to one of the preceding claims 10 to 14, characterized in that the computing and control device (12) is designed to give the topology of the individual teeth (1) possibly as a function of a theoretical ideal shape and / or possibly taking into account a tolerance, to be represented graphically via the input and output device (11).
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