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Die Erfindung betrifft ein Kurbelwellen-Prüfverfahren zur klassifizierenden Prüfung wenigstens einer Lagerfläche einer Kurbelwelle oder dergleichen.
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Die Fertigung von Lagerflächen von Kurbelwellenlagern (Hauptlagern und Hublagern) vollzieht sich in mehreren Stufen. Die Lagerfläche wird in einer ersten Stufe gefräst und in einer zweiten Stufe auf Maß geschliffen. In einer dritten Stufe erfolgt das sogenannte Finishen, bei dem es sich um einen Läppvorgang handelt. Hierbei wird in der Regel ein bandförmiges Werkzeug (Finishband) verwendet. Das Finishen ist erforderlich, um die gewünschten Gleitlaufeigenschaften der Lagerfläche herzustellen. Nicht gefinishte Kurbelwellenlager fallen in der Regel aus. Beim Ausfall eines Kurbelwellenlagers ist es erforderlich, den kompletten Motor zu zerlegen, was mit hohem Aufwand und dementsprechend hohen Kosten verbunden ist.
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Um einen Ausfall eines Kurbelwellenlagers zu vermeiden, ist es erforderlich, im Rahmen einer Fertigung der Kurbelwelle den Zustand ”gefinisht” von dem Zustand ”geschliffen” zu unterscheiden.
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Es ist bekannt, die Unterscheidung geschliffen/gefinisht über eine Messung geeigneter Rauheitsparameter auszuführen, wozu grundsätzlich sowohl taktile als auch optische Verfahren geeignet sind.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bekannt, die Lagerflächen mittels eines Streulichtsensors zu untersuchen. Ein solcher Streulichtsensor tastet die zu prüfende Lagerfläche ab und führt die Unterscheidung geschliffen/gefinisht über eine Streulichtmessung aus. Nachteilig hierbei ist, daß eine solche Streulichtmessung relativ empfindlich gegen eine Verschmutzung der Lagerfläche ist und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit der Kurbelwelle erfordert. Da ein entsprechender Streulichtsensor punktförmig mißt, ist es außerdem erforderlich, den Streulichtsensor relativ zu der Lagerfläche zu bewegen. Dies bedingt einen entsprechenden mechanischen Aufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kurbelwellen-Prüfverfahren zur klassifizierenden Prüfung wenigstens einer Lagerfläche einer Kurbelwelle oder dergleichen anzugeben, das prozeßsicher und robust ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Reflexion eines Referenzobjektes an der zu prüfenden Lagerfläche (Reflexionsbild) mittels einer Sensoranordnung mit wenigstens einem Sensor erfaßt und das erfaßte Reflexionsbild hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet. Die Kurbelwelle wird als ”nicht in Ordnung” klassifiziert, wenn der Kontrast des mittels des Sensors erfaßten Reflexionsbildes einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet. Eine gefinishte Lagerfläche weist einen höheren Glanzgrad auf als eine lediglich geschliffene. Demzufolge ist der Kontrast des Reflexionsbildes bei gefinishter Lagerfläche höher als bei geschliffener Lagerfläche.
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Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung eine prozeßsichere Prüfung von Kurbelwellen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfverfahrens, das nachfolgend auch kurz als Verfahren bezeichnet wird, besteht darin, daß es robust sowohl gegenüber Positionierungenauigkeiten der Kurbelwelle als auch gegenüber Verschmutzungen der Lagerfläche ist. Befindet sich in dem von dem Bildsensor erfaßten Bereich der Lagerfläche, in dem sich das Referenzobjekt spiegelt, eine Verschmutzung, so ist der Kontrast in diesem Bereich reduziert, in dem übrigen Bereich jedoch hoch. Anhand des in dem übrigen Bereich hohen Kontrastes kann die Kurbelwelle bzw. die gerade geprüfte Lagerfläche als ”in Ordnung” klassifiziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist damit eine hohe Redundanz auf. Insoweit macht sich die Erfindung zunutze, daß es im Rahmen einer prozeßsicheren Prüfung grundsätzlich ausreichend ist, den Zustand ”gefinisht” von dem Zustand ”geschliffen” zu unterscheiden und es grundsätzlich nicht erforderlich ist, Zwischenstufen zu erkennen, weil die Praxis gezeigt hat, daß regelmäßig eine Lagerfläche entweder in der gewünschten Weise gefinisht wird oder es überhaupt nicht zu einem Finishing kommt, weil beispielsweise das Finishband gerissen ist. Zwischenstufen zwischen den Oberflächenzuständen ”gefinisht” und ”geschliffen” treten damit in der Praxis in der Regel nicht auf.
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Es sind aus dem Bereich der Oberflächenmessung sogenannte deflektrometrische Verfahren bekannt, beispielsweise durch die Dissertationsschrift ”Deflektrometrische Untersuchung spiegelnd reflektierender Freiformflächen”, Sören Kammel, Institut für Meß- und Regelungstechnik Karlsruhe (TH), Schriftenreihe Nr. 004, sowie
DE 31 23 703 C2 . Während bei entsprechenden deflektrometrischen Verfahren Oberflächen vermessen werden, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Oberflächengüte als Ganzes untersucht. Weiterhin erfordern deflektrometrische Verfahren im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren eine spiegelnde Oberfläche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt auch die Prüfung von Nockenwellen oder anderen wenigstens teilweise rotationssymmetrischen Bauteilen aus Metall, die einem Finishvorgang unterzogen werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Referenzobjekt ein Referenzmuster ist, das über die Lagerfläche abgebildet wird. Das Referenzmuster kann beispielsweise auf eine transparente Folie aufgedruckt sein und mittels einer Lichtquelle beleuchtet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, das Referenzmuster ein entlang wenigstens einer Achse periodisches Muster ist.
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Um die erfindungsgemäß vorgenommene Kontrastauswertung zu erleichtern, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß das Referenzmuster eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Linien (Linienmuster) aufweist. Hierbei sind die Linien vorzugsweise zueinander im wesentlichen gleich beabstandet.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Referenzmuster derart über die zu untersuchende Lagerfläche der Kurbelwelle abgebildet wird, daß die Linien zumindest annähernd in Umfangsrichtung der Lagerfläche verlaufen. Diese Ausführungsform macht sich die Erkenntnis zunutze, daß eine im wesentlichen zylindrische Lagerfläche bei der optischen Abbildung des Referenzmusters als Zylinderlinse fungiert. Aufgrund von Astigmatismus können hierbei Linien, die in Axialrichtung der Lagerfläche verlaufen, nicht aufgelöst werden, während die Linien, die in Umfangsrichtung der Lagerfläche verlaufen, besonders gut aufgelöst werden können.
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Durch entsprechende Wahl des Schwellenwertes, anhand dessen eine Klassifizierung als ”in Ordnung” bzw. ”nicht in Ordnung” ausgeführt wird, ist es erfindungsgemäß ohne weiteres möglich, eine gefinishte Lagerfläche von einer nicht gefinishten Lagerfläche zu unterscheiden. Um die Unterscheidung besonders einfach zu machen, ist es wünschenswert, bei Verwendung eines Linienmusters im Falle einer gefinishten Lagerfläche bei der Kontrastauswertung ein komplett ausmoduliertes Signal und bei einer nicht gefinishten Lagerfläche ein unmoduliertes oder annähernd unmoduliertes Signal zu erhalten. Hierzu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß das Referenzobjekt und/oder der Abstand des Referenzobjektes zu der zu prüfenden Lagerfläche so gewählt werden, daß sich bei nicht gefinishter Lagerfläche ein Kontrast des Reflexionsbildes ergibt, der einen weiteren Schwellenwert unterschreitet.
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Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein digitaler Bildsensor verwendet. Entsprechende Sensoren stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung. Hierbei können CMOS-Bildsensoren verwendet werden, die sich auch zeilenweise auslesen lassen und damit die Möglichkeit eröffnen, die erfindungsgemäße Klassifizierung mit einer Oberflächenprüfung zu kombinieren.
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Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens zwei Lagerflächen der Kurbelwelle geprüft werden und daß jeder zu prüfenden Lagerfläche ein Bildsensor der Sensoranordnung zugeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine besonders zeitsparende Prüfung sämtlicher Lagerflächen einer Kurbelwelle ermöglicht. Insbesondere können bei dieser Ausführungsform die zu prüfende Kurbelwelle sowie die verwendeten Bildsensoren bzw. Kameras während des Prüfvorganges ortsfest angeordnet sein.
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Eine erfindungsgemäße Kurbelwellen-Prüfvorrichtung ist im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfvorrichtung sind in den Unteransprüchen 10 bis 16 angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung einer erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfverfahrens ist im Anspruch 17 angegeben.
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Erfindungsgemäße Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung von Nockenwellen bzw. von wenigstens teilweise rotationssymmetrischen Bauteilen aus Metall sind in den Ansprüchen 10 und 19 angegeben.
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Die bei der Abbildung des Referenzobjektes über die zu prüfende Oberfläche verwendete Wellenlänge ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Um eine Unterscheidung einer metallischen Oberfläche einer Kurbelwelle oder eines anderen Bauteiles aus Metall hinsichtlich der Bearbeitungszustände ”gefinisht” und ”geschliffen” auszuführen, kann erfindungsgemäß beispielsweise sichtbares Licht verwendet werden. Um grober strukturierte Oberflächen hinsichtlich ihres Bearbeitungszustandes zu unterscheiden, beispielsweise bei einem Gußteil hinsichtlich des Bearbeitungszustandes ”gegossen/ungeschliffen” und ”geschliffen”, kann erfindungsgemäß Licht größerer Wellenlänge verwendet werden, da bei einer entsprechend größeren Wellenlänge die Oberflächen glänzender erscheinen. Falls feiner strukturierte Oberflächen hinsichtlich ihres Bearbeitungszustandes unterschieden werden sollen, so kann dementsprechend Licht kleinerer Wellenlänge verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Kurbelwelle in Kombination mit einem Teil eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfvorrichtung,
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2 eine schematische Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Ausführungsbeispieles gemäß 1,
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3 eine weitere Prinzipdarstellung zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise des Ausführungsbeispieles gemäß 1,
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4 eine diagrammartige Darstellung zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer Auswertungseinrichtung des Ausführungsbeispieles gemäß 1 und
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5 in gleicher Darstellung wie 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfvorrichtung.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine Kurbelwelle 2 dargestellt, die einem erfindungsgemäßen Kurbelwellen-Prüfverfahren, nachfolgend kurz als Verfahren bezeichnet, zur klassifizierenden Prüfung wenigstens einer Lagerfläche einer Kurbelwelle oder dergleichen unterzogen wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgmäßen Kurbelwellen-Prüfvorrichtung 4 verwendet, die nachfolgend kurz als Vorrichtung bezeichnet wird. Erfindungsgemäß wird geprüft, ob die Lagerflächen der Kurbelwelle 2 in der gewünschten Weise gefinisht sind, also nach ihrem Schleifen einer Finishbearbeitung unterzogen worden sind. Dies betrifft sowohl die Hauptlager der Kurbelwelle 2, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Hauptlager mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist, als auch die Hublager, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich eines mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Reflexion eines Referenzobjektes an der zu prüfenden Lagerfläche (Reflexionsbild) mittels einer Sensoranordnung mit wenigstens einem Sensor erfaßt. Das erfaßte Reflexionsbild wird hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet, und die Kurbelwelle wird als ”nicht in Ordnung” klassifiziert, wenn der Kontrast einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet.
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2 verdeutlicht schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4.
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Als Referenzobjekt wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Referenzmuster 10 verwendet, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Linien aufweist, die ein Linienmuster bilden. Das Linienmuster 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf eine transparente Folie aufgedruckt. Das Bezugszeichen 10' bezeichnet in 2 eine zur Veranschaulichung um 90° gedrehte Darstellung des Referenzmusters 10. Es ist ersichtlich, daß das Referenzmuster 10 eine Mehrzahl von zueinander im wesentlichen gleich beabstandeten Linien 12 geringerer Linienstärke sowie eine einzelne Linie 14 größerer Linienstärke aufweist. Die Linien 12, 14 sind in schwarzer Farbe auf die Transparenzfolie aufgedruckt.
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Mittels einer Lichtquelle 16, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine LED-Flächenleuchte gebildet ist, wird das Linienmuster 10 beleuchtet.
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Eine Reflexion des Linienmusters 10 an der zu prüfenden Lagerfläche (Reflexionsbild) wird mittels einer Sensoranordnung mit wenigstens einem digitalen Sensor erfaßt. Der Sensor ist bei der Vorrichtung 4 gemäß 2 durch eine CCD-Kamera 18 gebildet. Ein Objektiv 20 dient zur Fokussierung auf das Reflexionsbild, wobei es grundsätzlich ausreichend ist, das Objektiv 20 im Zusammenhang mit einer grundsätzlichen Justierung der Vorrichtung 2 auf die zu prüfende Lagerfläche zu fokussieren. Ein Nachfokussieren während des Prüfvorganges ist grundsätzlich nicht erforderlich.
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Der CCD-Kamera ist eine Auswertungseinrichtung 22 nachgeordnet, die das von dem Bildsensor der CCD-Kamera 18 erfaßte Reflexionsbild hinsichtlich seines Kontrastes auswertet. Die Auswertungseinrichtung weist eine Klassifizierungseinrichtung auf, mittels derer die Kurbelwelle 2 als ”nicht in Ordnung” klassifiziert wird, wenn der Kontrast einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet. Die Auswertungseinrichtung 22 nebst Klassifizierungseinrichtung kann beispielsweise durch einen Auswertungsrechner gebildet sein. Die Auswertungseinrichtung 22 bewertet den Kontrast des Reflexionsbildes, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel also des Liniengitters, durch numerische Methoden der Bildverarbeitung.
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3 verdeutlicht die Anordnung des Linienmusters 10 relativ zu dem zu prüfenden Hublager 8. Das Referenzmuster wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart über die Lagerfläche des Hublagers 8 abgebildet, daß die Linien 12 zumindest annähernd in Umfangsrichtung der Lagerfläche verlaufen. Da das Hublager 8 eine Zylinderlinse bildet, würde eine Abbildung des Linienmusters 10 derart, daß die Linien 12 in Axialrichtung des Hublagers 8 verlaufen, aufgrund von Astigmatismus dazu führen, daß die Linien 12 nicht aufgelöst werden können.
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Zur klassifizierenden Prüfung der Kurbelwelle 2 wird das Reflexionsbild des Linienmusters 10 auf dem Hublager 8 mittels der CCD-Kamera 18 erfaßt und das erfaßte Reflexionsbild hinsichtlich seines Kontrastes ausgewertet. Das auf dem Bildsensor der CCD-Kamera 18 entstehende Bild ist in 3 mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet.
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4 verdeutlicht die Auswertung. Die Darstellung 4.1 zeigt das mittels der CCD-Kamera 18 aufgenommene digitale Bild des Linienmusters 10. Die Darstellung 4.2 veranschaulicht die Kontrastbewertung des Bildes. Die Darstellung 4.3 veranschaulicht den Intensitätsverlauf eines Signales, das sich durch Auswertung des erfaßten Bildes hinsichtlich seines Kontrastes ergibt, und zwar für den Fall, daß die Lagerfläche gefinisht ist, also einen hohen Glanzgrad aufweist. In diesem Fall ergibt sich ein hoher Kontrast. 4.4 zeigt beispielhaft den Verlauf des gleichen Signales, wenn die Oberfläche nicht gefinisht ist, sondern lediglich eine Verschmutzung und damit einen niedrigeren Glanzgrad aufweist. In diesem Fall ergibt sich ein erheblich geringerer Kontrast.
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Durch Vergleich mit einem Schwellenwert kann die Kurbelwelle 2 bzw. die jeweils untersuchte Lagerfläche klassifiziert werden. Liegt der ermittelte Kontrast unterhalb eines Schwellenwertes, so wird die Kurbelwelle als ”nicht in Ordnung” klassifiziert. Befindet sich in dem Reflexionsbild auf der Lagerfläche im Bereich einer der Linien eine Verschmutzung, so ist in diesem Bereich der Kontrast reduziert. Anhand des in anderen Bereichen des Reflexionsbildes hohen Kontrastes kann die Kurbelwelle 2 gleichwohl als ”in Ordnung” klassifiziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher auf prozeßsichere und schnelle Weise die Klassifizierung von Kurbelwellen, Nockenwellen oder anderen wenigstens teilweise rotationssymmetrischen Prüflingen aus Metall. Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren robust sowohl gegenüber Verschmutzungen der zu prüfenden Lagerflächen als auch gegenüber Positionierungenauigkeiten der Kurbelwelle 2 relativ zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4.
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5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4, die sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch unterscheidet, daß jeder zu prüfenden Lagerfläche der Kurbelwelle 2 ein separater Bildsensor, beispielsweise in Form einer CCD-Kamera, zugeordnet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist in 5 neben der CCD-Kamera 18, die dem Hublager 8 zugeordnet ist, lediglich eine weitere, dem Hauptlager 6 zugeordnete CCD-Kamera mit dem Bezugszeichen 28 versehen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die CCD-Kameras 18, 28 als auch die Kurbelwelle 4 während des Prüfvorganges ortsfest angeordnet. Da sämtliche CCD-Kameras 18, 28 außerhalb der Störkontur der Kurbelwellenwangen angeordnet sind, besteht keine Gefahr einer Beschädigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 durch die Kurbelwelle 2.
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Ein typischer Prüfablauf vollzieht sich derart, daß ein Ladeportal die Kurbelwelle 4 in die in 5 dargestellte Prüfposition bringt. Daran anschließend nehmen die CCD-Kameras 18, 28 ein Bild der zugeordneten Lagerfläche auf, was beispielsweise 0,5 sec. in Anspruch nehmen kann. Vorzugsweise verfügen die CCD-Kameras 18, 28 über einen internen Speicher zur Speicherung des aufgenommenen Bildes. Nach erfolgter Bildaufnahme kann die Kurbelwelle 2 sofort weitertransportiert werden. Die Bilder der CCD-Kameras 18, 28 können dann nacheinander ausgelesen und durch die Auswertungseinrichtung 22 ausgewertet werden. Dadurch, daß der Weitertransport der Kurbelwelle 2 und die Auswertung der Bilder durch die Auswertungseinrichtung 22 gleichzeitig erfolgen können, ergibt sich eine ausgesprochen günstige Integration in den gesamten Prüfablauf.
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In Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß 5 kann eine einzelne CCD-Kamera 18 verwendet werden, um sämtliche Lagerflächen der Kurbelwelle 8 zu prüfen. In diesem Falle ist jedoch eine Relativbewegung der Kamera 18 und der Kurbelwelle 2 zueinander erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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