Modellbasierter Multi-Distanz-Messansatz zur optischen Messung der Verzahnungsgeometrie

Abstract

Schnelle, skalierbare Messsysteme zur Qualitätsprüfung der Geometrie aller Zähne sind erforderlich, um die Zuverlässigkeit von Verzahnungen bzw. Großverzahnungen mit Durchmessern > 1 m oder Normalmodulen > 10 mm zu steigern. Taktile Standard-Verzahnungsmesssysteme sind präzise, aber hinsichtlich des begrenzten Messvolumens und der limitierten Messgeschwindigkeit nur bedingt für eine schnelle Qualitätsprüfung aller Zähne verschieden großer Verzahnungen geeignet. Aktuelle optische Verzahnungsmessansätze erzielen gegenüber taktilen Messsystemen vergleichbare Messunsicherheiten bei höheren Messgeschwindigkeiten, sind jedoch noch nicht für die Qualitätsprüfung aller Zähne an Großverzahnungen erprobt. Daher führt diese Arbeit einen modellbasierten Multi-Distanz-Messansatz zur skalierbaren Verzahnungsmessung ein, der schnelle optische Messungen der Geometrie aller Zähne mit einer Messunsicherheit < 30 % der geforderten Toleranzen für eine Verzahnungsqualität 6 ermöglicht. Zur Bewertung der gemessenen Verzahnungsgeometrie wird der Formparameter Grundkreisradius ausgewählt und ein modellbasierter Lösungsansatz zur Auswertung des Grundkreisradius auf Basis der Geometrie einer Evolventenverzahnung vorgestellt. Theoretische Betrachtungen sowie experimentelle Multi-Distanzmessungen an einem mittelgroßen Zahnrad belegen sowohl für den mittleren als auch für den zahnindividuellen Grundkreisradius erreichbare Messunsicherheiten < 30 % der geforderten Toleranz für Verzahnungsqualität 6. Experimente an einer Großverzahnung demonstrieren zudem die Skalierbarkeit des Multi-Distanz-Messansatzes. Hinsichtlich der zufälligen Messabweichungen erfüllen sowohl der mittlere als auch der zahnindividuelle Grundkreisradius die Unsicherheitsanforderungen für Verzahnungsqualität 6. Ein Vergleich mit taktilen Referenzmessungen validiert, dass die Messunsicherheit der optisch erfassten zahnindividuellen Grundkreisradien das Niveau taktiler Verzahnungsmessungen erreicht und die Messgeschwindigkeit des Multi-Distanz-Messansatz um einen Faktor von bis zu 15 schneller ist. Der optische modellbasierte Multi-Distanz-Messansatz mit skalierbarem Messvolumen ist damit eine erfolgversprechende Alternative für Verzahnungsmessungen.