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Prüfgerät zum Prüfen der Verzahnungsgeometrie
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Die Erfindung betrifft ein Prüfgerät zum Prüfen der Verzahnungsgeometrie
von Evolventenverzahnungen, insbesondere an gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern.
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Das Prüfgerät läßt sich vorteilhaft für die Prüfung mittlerer und
großer Zahnräder einsetzen. Dabei muß das Prüfgerät nicht mit der Achse des Prüfrades
in Verbindung gebracht werden, bzw. hat selbst keine Achse zur Aufnahme des Prüfrades.
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Die bekannten Prüfgeräte arbeiten meist mit der Zahnachse als Bezugsachse.
Es ist jedoch auch ein Prüfgerät bekannt, Europäische Patentanmeldung EP 0 019 075
A 1, das am Umfang eines Zahnrades angelegt wird und dann eine Profilprüfung durchführt.
Zum Ausrichten dieses Gerätes werden Auflagen in die Zahnlücke eingesetzt, die jeweils
an der rechten und linken Zahnflanke zur Anlage kommen. Nach dem Ausrichten wird
dann ein zwischen den Auflagen liegendes Zahnprofil durch einen Meßtaster abgetastet,
dessen Position in einem ebenen Koordinatensystem durch zwei elektronisch ablesbare
Inkrementalmaßstäbe ermittelt wird. Die gemessenen Koordinaten werden mit den theoretischen
Sollwerten verglichen. Die Lage des Meßkoordinatensystems des Prüfgerätes zum Koordinatensystem
im Prüfradmittelpunkt wird aus dem Abstandsmaß zwischen den beiden Auflagen ermittelt.
Die Lage der Koordinatenachse des Prüfgerätes, die durch den Radmittelpunkt geht,wird
durch Halbieren des Abstandes zwischen den Auflagen, der Abstand der hierzu senkrechten
Koordinatenachse zum Radmittelpunkt durch eine trigonometrische Beziehung gefunden,
die ebenfalls das Abstandsmaß enthält. Werden jedoch die Auflagen in fehlerhafte
Zahnlücken eingebracht, so treten hierbei für die Profilprüfung nachteilige Fehler
auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfgerät zum Prüfen
der Verzahnungsgeometrie zu entwickeln, das die oben genannten Nachteile vermeidet
und neben der Profilprüfung auch eine Prüfung der Flanken linie und der Teilung
ermöglicht. Das Ausrichten und die Lagebestimmung des Prüfgerätes sollen verbessert
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Gegensatz
zum beschriebenen, bekannten Prüfgerät, das Ausrichten des Prüfgerätes durch zwei
auf eine Pi;tiriing verschiebbare Tastschlitten erfolgt, die teils eine zur Verschiebungsrichtung
senkrechte Tastfläche haben, die tangential an jeweils einer rechten und linken
Zahnflanke zur Anlage gebracht werden. Die zwischen den beiden Tastflächen liegende
Zahl von Zähnen ist dabei so zu wählen, daß die tangentiale Anlage gewährleistet
ist. Eine entsprechende Zähnezahl läßt sich immer, auch analytisch ermitteln. Die
Normale auf den Tastflächen in jedem Punkt der Berührlinie mit der Zahnflanke ist
bei einer exakten Evolventenverzahnung auch Tangente an den Grundkreis.
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Damit läßt sich, im Gegensatz zum bekannten Verfahren, der Abstand
des Prüfgerätekoordinatensystems zum Prüfradmittelpunkt über die Berührlinie und
damit direkt über den Grundkreisradius ermitteln. Zur Ermittlung eines Berührpunktes
wird eine auf einer zweiten Führung unabhängig angeordnete Dreikoordinatenmeßeinheit
verwendet. Die X-Achsenmeßeinheit mißt in Richtung der zweiten Führung parallel
zur Grundkreistangente, die Y-Achsenmeßeinheit in einer zum Zahnrad radialen Richtung
und die Z-Achsenmeßeinheit in Richtung der Zahnradachse. Die von der Tastfläche
tangierte Zahnflanke wird durch die Dreikoordinatenmeßeinheit bei fixierter Z-Achse
kontinuierlich vom Radmittelpunkt weg oder zum Radmittelpunkt hin abgetastet.
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Wurde der Meßtaster vorher bezüglich der X-Achse durch Antasten der
zugeordneten Tastfäche auf null gesetzt und wird der X-Wert beim Abtasten der Zahnflanke
zu null, so hat die Tastspitze inr-Richtung eine Entfernung vom Radmittelpunkt
erreicht,
die gleich dem Grundkreisradius ist.
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Die Lage des Prüfgerätes, bzw. die Lage des Tasters zum Radmittelpunkt
ist damit in Richtung der Y-Achse bestimmt.
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Das gleiche Ergebnis wird auch ohne vorheriges Nullsetzen erreicht,
da der beim kontinuierlichen Abtasten erhaltene Y-Wert beim Minimum des X-Wertes
der Grunkreisradius ist.
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Ist das Evolventenprofil in den üblichen Grenzen fehlerhaft, so läßt
sich durch eine Ausgleichsrechnung unter Verwendung mehrerer gemessener X-Y-Wertepaare
eine verfeinerte Bestimmung des Minimalwertes und damit der Meßtasterposition in
der nachgeschalteten Recheneinheit durchführen.
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Durch die Verwendung mehrerer Werte wird die Genauigkeit gegenüber
den bekannten Geräten zusätzlich gesteigert.
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Uber den theoretischen Wert für den Grundkreisradius läßt sich dann
der Abstand des Tasters von der Y-Achse rechnerisch ermitteln.
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Aus Symmetriegründen ist damit die Lage des Prüfgerätekoordinatensystems
eindeutig bestimmt. Nun kann mit der Dreikoordinatenmeßeinheit, die unabhängig von
der Tastflächeneinheit auf ihrer Längsführung positioniert werden kann, die Zahnflankengeometrie
vermessen werden. Die Steuerung des Meßvorgangs erfolgt durch die Steuer- und Recheneinheit
über Servoantriebe über eine entsprechende Zwischenschaltung. Es können sowohl Abweichungen
der Profilform, als auch, unter Verwendung der Z-Achsenmeßeinheit die Flankenlinienabweichungen
ermittelt werden.
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Durch Abtasten mehrerer gleichgerichteter Flanken benachbarter Zähne,
können auch Teilungsfehler erfaßt werden.
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Durch Messen mehrerer Flanken und / oder des Tastflächenabstandes
kann eine verfeinerte Ermittlung der Lage des Meßgerätekoordinatensystems in der
nachgeschalteten Recheneinheit durchgeführt werden, da Redundanz auftritt.
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Zur Messung von Schrägverzahnungen im Stirnschnitt wird die Längsführung
der Dreikoordinatenmeßeinheit nach der oben beschriebenen Lage ermittlung um den
Schrägungswinkel gegenüber der Tastschlittenlängsführung verdreht und dann die Prüfung
der Zahnflanken durchgeführt.
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Alle Steuer- und Rechenaufgaben werden von einer nachgeschalteten
Recheneinheit gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit dem Prüfgerät die Lage des Prüfradmittelpunktes in Bezug auf das am Prüfradumfang
angelegte Meßgerät genau bestimmbar ist und alle wesentlichen Zahnradfehler meßbar
sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer
Zeichnungen beschrieben: Fig. 1 Draufsich-t auf das erfindungsgemäße Prüfgerät beim
Ermitteln des Grundkreisradius durch Abtasten der Zahnflanke eines Zahnrades.
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Fig 2 Stark vereinfachte Draufsicht auf Teile der Tastflächen, Meßtaster
und des geradverzahnten Prüfrades.
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Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines geradverzahnten Prüfrades 1 und
das Prüfgerät. Das verwendete Koordinatensystem ist angegeben. Vom Prüfrad 1, einem
geradverzahnten Stirnrad, sind nur einige Zähne 1' , 1" dargestellt. Vom Prüfrad
1 ist außerdem der Grundkreis sowie eine tangente an den Grundkreis und der Prüfradmittelpunkt
0 angegeben.
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Das Prüfrad 1 liegt zum Prüfen auf einer Unterlage auf, der auch das
Prüfgerät aufgelegt ist.
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Das Prüfgerät baut sich auf der Tastschlittenführung 2 und der Dreikoordinatenmeßeinheitführung
3 auf. Beide Führungen sind über das linke Verbindungselement 6 und das rechte Verbindungselement
7 verbunden. Die Dreikoordinatenmeßeinheitführung 3 ist über die Verbindungselemente
6 und 7 gegenüber der Tastschlittenführung verdrehbar angeordnet.
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Die Verdrehmöglichkeit wird bei der Prüfung von schrägverzahnten Stirnrädern
benötigt.
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Die Tastschlitten 4 und 5 sind unabhängig von der Dreikoordinatenmeßeinheit
verschiebbar. Am Tastschlitten 4 ist der Taster 4' befestigt, der mit seiner Tastfläche,
die parallel zur Z-Achse liegt, die linke Flanke des Zahnes 1t tangiert. Der Berührpunkt
liegt auf der Tangente an den Grundkreis, die parallel zu den beiden Führungen ist.
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Entsprechendes gilt für die Tastschlitteneinheit 5 mit dem Taster
51 , dessen Tastfläche die rechte Flanke des Zahnes l" tangiert. Der Berührpunkt
liegt auf der gleichen Tangente an den Grundkreis wie oben. Der Abstand der Tangente
vom Prüfradmittelpunkt 0 ist dann gleich dem Grundkreisradius.
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Um den Abstand des Prüfgerätes vom Werkradmittelpunkt 0 zu ermitteln,
wird mit dem Meßtaster 11 die Tastfläche des Tasters 41angetastet und der X-Koordinatenwert
gleich null gesetzt. Der Meßtaster 11 wird dann kontinuierlich an der linken Zahnflanke
des Zahnes 1' entlang-bewegt. Die Z-Achseneinheit 10 der Dreikoordinatenmesseinheit
wird dazu festgehalten, die X-Achseneinheit 8 und die Y-Achseneinheit 9 führen die
Bewegung aus. Beim Erreichen des X-Achsennullwerts hat die Meßtasterkugel vom Prüfradmittelpunkt
0 einen Abstand der gleich dem Grundkreisradius des Prüfrades ist. Damit läßt sich
die Position der Meßtasterkugel bezüglich des Prüfradmittelpunktes angeben. Die
Zuordnung von Prüfrad und Prüfgerät ist hergestellt.
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Die eigentliche Prüfung des Prüfrades 1 wird dann mit der Dreikoordinatenmeßeinheit
durchgeführt. Die X-Achsenein heit 8, die Y-Achseneinheit 9 und die Z-Achseneinheit
10 sind gleichartig aufgebaut. Die durch einen Servomotor über eine Gewindespindel
angetriebenen Meßschlitten enthalten jeweils einen Inkrementalmaßstab als Wegmeßelement.
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Der Meßtaster 11 wird dann z.B. in die Position 11' gebracht. Die
Zahnflanke wird abgetastet nd di gemessenen Istwerte mit berechneten Sollwerten
verglichen. Damit lassen sich Profil- und Flankenlinienprüfung durchführen.
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Eine Teilungsprüfung kann durch das Antasten mehrerer Zähne erfolgen.
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Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in dem die geometrischen
Voraussetzungen für die Herstellung der Zuordnung zwischen Prüfrad und Prüfgerät
dargestellt sind.
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Wurde der Punkt T mit Hilfe des Tasters 4' und des Meßtasters 11 ermittelt,
so ist die Lage der Koordinatensysteme XT-Y?-ZG und XM-YM-ZM bezüglich des Koordinatensystems
im Prüfradmittelpunkt bekannt. Das Koordinatensystem XM-YM-ZM ist um RB in Y-Richtung,
das Koordinatensystem XT-YU-ZT ist zusätzlich um
Z = Prüfradzähnezahl K = Zahl der zwischen den Tasten eingeschlossenen Zähne Zahndickenwinkel
am Grundkreis RB = Grundkreisradius in negativer X-Richtung verschoben.
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Wenn der Meßtaster mit seiner Kugel die Zahnflanke des Zahnes ltim
Punkt T berührt, wird die Anzeige der Zähler für die Inkrementalmaßstäbe null gesetzt
und damit der Punkt g als Bezugspunkt im Prüfgerät festgelegt.
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Eine Umrechnung der damit gemessenen Koordinatenwerte in die anderen
Koordinatensysteme ist dann mit den oben angegebenen Beziehungen in der Recheneinheit
möglich.
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