Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO2020221818 - GEAR INSPECTION METHOD AND DEVICE

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Zahnradprüfverfahren und -einrichtung

Beschreibung

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Zahnradprüfeinrichtung ermöglicht gemäß einer weiteren Ausbildung, dass beim Bewegen in radialer Richtung die Fokuspunkte bei der Abtastung sich um 20 bis 30% überlappen.

Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung bei einer Drehzahl des Zahnrades von 20 bis 60 U/min.

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.

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.

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.

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

Figur 2 ein Blockschaltbild mit den einzelnen Elementen der Zahnradprüfeinrichtung.

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.

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 Zahnes

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.

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.