Qualitätskontrolle von Verzahnungen, Wellen und Getrieben mit der optischen Messtechnik Dr. Ernst Müller, Geschäftsleiter, GOM International AG, Schweiz Dipl.-Ing. Jürg Langhart, Projektingenieur, KISSsoft AG, Schweiz Dipl.-Ing. Hanspeter Dinner, Geschäftsleiter, EES KISSsoft GmbH, Schweiz Einführung und Motivation Die optische Messung hat sich in der Qualitätssicherung in vielen Produktionsbereichen bereits erfolgreich etabliert. Im Getriebebau ist das optische Messen jedoch immer noch eher vereinzelt anzutreffen. Völlig zu Unrecht, bietet doch das optische Messen neben einer schnellen und präzisen Erfassung der Messung auch fast unbegrenzte Möglichkeiten in der Auswertung und eignet sich somit für Verzahnungen bis hin zu Getriebegehäusen. Im vorliegenden Artikel wird der durchgängige Prozess von der Aufbereitung der Verzahnungsdaten bis zur Qualitätskontrolle mit dem optischen Messen für eine Stirnradwelle und eine Kegelrad-Bogenverzahnung beleuchtet. Weiter werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie verzahnungstypische Kriterien wie Teilungs- oder Flankenformabweichungen ausgewertet werden können, aber auch zusätzliche Auswertungen wie beispielsweise Fussformabweichungen, welche mit dem taktile Messen nicht anwendbar sind. Flächenhafte optische Messtechnik in der Qualitätssicherung Das optische Messen beruht auf der Fotogrammetrie: Für die Digitalisierung werden Stereokameras mit integrierter Projektionseinrichtung verwendet. Die aufprojizierten Muster werden auf dem Objekt je nach Form leicht verzerrt sichtbar und mit den Stereokameras erfasst. Aus den Bildern werden mittels Triangulation für jeden Kamerapixel exakte Positionsdaten definiert und zu einem Datennetz für jede Messung verrechnet. Messungen aus verschiedenen Ansichten werden automatisch in ein Projekt zusammengefasst und durch die Polygonisierung zu einem umfassenden und präzisen Datennetz vereint. Die Firma GOM setzt für diese Messungen ATOS Systeme als flexibel einsetzbare manuell bediente Geräte ein, liefert aber auch automatisierte ATOS ScanBoxen für die Qualitätskontrolle mit integrierten Robotern und Drehtischen, mit Offlineprogrammierung und Werkstattinterface. Für spezifische Mess- und Control- Aufgaben in der Linienfertigung liefert GOM kundenspezifische Lösungen, wobei die Auswertung mit der freien Software GOM Inspect durchgeführt wird, welche die Messdaten mit CAD-Daten vergleicht und Abweichungen in unterschiedlicher Weise aufzeigt. Die optischen Messsysteme von GOM sind bereits routinemässig im Einsatz in der Werkzeugherstellung, in den Entwicklungszentren und Pilothallen sowie in der Produktion. Darüber hinaus sind diese kamerabasierten Messsysteme etabliert in der Entwicklung und in den Prüfprozessen für komplexe Prozessschritte, Teile und Baugruppen. Bei jedem Herstellprozess wie Umformen, Gießen, Kunststoffspritzen, additiver Fertigung, aber auch beim Fräsen, beim (Aus-)Härten und Einbrennen müssen die Produktionsprozesse verstanden und gesteuert werden, um die Teile in den kontinuierlich zunehmend engeren Toleranzen und Qualitäten herstellen zu können. Beispielsweise wird das optische Messen in der Automobiltechnik aufgrund flächenhafter Prüfung von Bauteilen und Zusammenbauten für Motorhauben, Heckklappen und Türen eingesetzt.
Für die Qualitätssicherung von Verzahnungen, Wellen oder Gehäusen treffen die Vorteile des optischen Messens gleichermassen zu. Im Gegensatz zum taktilen Messen mit Koordinatenmessmaschinen oder Rundtischen, wo mittels Messtaster eine Berührung der Messkugel mit dem Werkstück stattfinden muss, ist beim optischen Messen kein Kontakt mit dem Werkstück nötig, was eine hohe Flexibilität und Vorteile in der Anordnung von Messmittel zu Werkstück mit sich bringt. Verzahnungen und 3D-Geometrien Im Getriebedesignprozess werden die Verzahnungsgeometrien aufgrund der erforderlichen Übersetzung des Antriebstranges und der zu übertragenden Leistung festgelegt. Zusätzlich werden im Rahmen der Geräusch- und Festigkeitsoptimierung die Flankenmodifikationen wie Balligkeiten und Kopf- oder Fussrücknahmen definiert. KISSsoft führt mit seinem Berechnungsprogramm für Maschinenelemente rasch den Festigkeitsnachweis nach verschiedenen Normen durch und bietet mit der Kontaktanalyse eine Überprüfung des Laufverhaltens unter Last. Die rechnerische Verzahnungsauslegung in KISSsoft bildet den Ausgangspunkt für die exakte und umfassende Beschreibung der Zahnradgeometrie. Für die Herstellung des Zahnrades auf einer 5-Achs- Fräsmaschine oder via Spritzguss, mittels Sintern oder einem anderen, direkt formgebenden Verfahren wird ein exaktes 3D-Volumenmodell benötigt. Dieses wird anschliessend auch für die Qualitätssicherung verwendet, womit sichergestellt ist, dass sowohl für die Fertigung als auch für den nachfolgenden Vergleich der Ist-Geometrie mit der Soll-Geometrie von denselben Daten ausgegangen wird (Bild 1). Bild 1. 3D-Geometrie in KISSsoft, mit Profil- und Breitenkorrekturen Neben den Stirnrädern deckt das Berechnungsprogramm KISSsoft alle gängigen evolventischen Verzahnungen ab, wie Kegelräder, Schnecken- und Schraubräder, Kronenräder, Beveloidräder und Unrundräder. Mit der Hüllendarstellung lassen sich die Berührlinien des Kontaktes in jeder Eingriffsstellung prüfen. Zusätzlich können die Einbau-Parameter wie Achsschränkung, -neigung sowie -abstand variiert werden. Weiter kann das 3D-Modell auch für das Vorfräsen ausgegeben werden, welches z.b. mit einem Protuberanzwerkzeug und dem gewünschten Aufmass berechnet wurde. Als Ausgabe wird eine exakte Geometrie erzeugt die Auflösung der Geometrie ist <0.01μm.
Prozesskette KISSsoft-GOM Nach der Herstellung des Zahnrades wird die aktuell gefertigte Form mit der optischen Messtechnik erfasst. Die resultierende Messwert-Punktewolke wird mit dem Programm GOM Inspect in die Designgeometrie eingepasst und daraufhin die Formdifferenz berechnet. Die Formabweichungen werden als Messwerte für ausgewählte Referenzpunkte oder als flächige Farbinformation auf der Soll-Form oder auf den Messdaten dargestellt. Vorteil dieses Vorgehens ist, dass sich die flächenhafte optische Messtechnik für beliebige Bauteile verwenden lässt. Die Kosten für Messmittel und der Zeitbedarf für die Messung können dadurch reduziert werden. Bei der Messung der Verzahnung sind so auch Bereiche erfass- und beurteilbar, welche für das taktile Messen nur schwer zugänglich sind wie beispielsweise die Fussform der Verzahnung. Weiter ist die Darstellung der Abweichungen per Farbcode intuitiv und auch für Nichtspezialisten leicht ersichtlich (Bild 2). Bild 2. Prozesskette mit der exakten Zahnradgeometrie aus KISSsoft als Ausgangspunkt sowie der Messung mit der optischen Messtechnik von GOM, inkl. Vergleich der Messdaten zur Soll-Geometrie mit der freien GOM Inspect Software Anwendungsfall Stirnrad/Ritzelwelle Anwendung und Optimierungsziele Die Firma Buss AG in Pratteln, Schweiz, stellt Ko-Kneter für Compoundier-Aufgaben in der Kunststoffindustrie her. Mit den Anlagen dieses Unternehmens werden z.b. PVC-Granulate oder Kunststoffmassen für die Herstellung von Kabeln oder Pulverlacken hergestellt. Der hohe Qualitätsanspruch der Buss AG erstreckt sich auch auf den Geräuschpegel der Systeme im Einsatz. Daher wurde eine bestehende Verzah-
nung durch eine Hochverzahnung mit Profil- und Breitenkorrekturen ersetzt, um die Vibrationsanregung zu minimieren. Die Geometrie der Ritzelwelle wurde im 3D-CAD erstellt und besteht aus der exakten Verzahnungsgeometrie aus KISSsoft (als STEP-Datei exportiert) und dem Wellenkörper, der direkt im CAD modelliert wurde. Damit ist die gewünschte Geometrie der Ritzelwelle definiert. Nach der Fertigung wird die aktuell verfügbare Welle optisch vermessen, und die Messdaten werden mit der Designgeometrie verglichen. Nach der Fertigung wird ebenfalls die Welle mit der automatisierten optischen 3D-Messmaschine ATOS ScanBox von GOM vermessen. Die Soll-Daten und die erfassten Messdaten werden anschliessend an die GOM Inspect Software übergeben und gemäss der gewünschten Ausrichtung eingepasst (Bild 3, links). Die berechnete Formdifferenz ist als Farbinformation auf die Messdaten oder auf die Soll-Daten referenziert. Die Abweichungen lassen sich an beliebig gewünschten Stellen der Verzahnung auswerten. Auch die in der klassischen Verzahnungsmessung übliche Teilungsauswertung auf dem Teilkreis kann einfach durchgeführt werden (Bild 3, rechts). Zusätzlich sind Abweichungen in Bereichen sichtbar, die mit der Zahnflankenmessung nicht zu erfassen und folglich nicht zu kontrollieren sind z.b. Radien bei Durchmesseränderungen, Freistiche oder Fasen. Bild 3. Scan-Daten mit eingepassten Soll-Daten an die Zahnradgeometrie (links) und farbcodierte Abweichungen (rechts) mit Auswertung auf dem Teilkreis Abweichungen im Zahnfuss und Einfluss auf die Festigkeit Um eine maximale Leistungsdichte des Getriebes zu erreichen, wird die Fussform der Verzahnung in KISSsoft optimiert und die Fussrundung über die Verwendung eines Protuberanz-Fräsers maximiert. Mittels der Zahnformberechnung in KISSsoft, welche die einzelnen Bearbeitungsschritte - Fräsen mit Protuberanz- Fräser und Schleifen der Flanken - abbildet, wird die gewünschte Zahnfussform bestimmt und deren Herstellbarkeit bestätigt. Die Vermessung der Fussrundung mit dem optischen Digitalisiersystem (Bild 4) zeigt erhebliche Abweichungen und erfordert entsprechende Korrekturmassnahmen in der Fertigung.
Bild 4. Links: Abweichung der Fussform [mm], Übersicht. Rechts: Fuss, Detailansicht Anwendungsbeispiel Kegelradverzahnung 5-Achs-Fräsen von spiralverzahnten Kegelrädern Die Kegelradherstellung befindet sich im Umbruch: Die konventionelle Herstellung mit klassischen Kegelradfräsmaschinen ist zwar etabliert für die Grossserienproduktion, ist aber ökonomisch nicht rentabel für Kleinserien, Ersatzteile und für grosse Kegelräder. Hier bietet das 5-Achsfräsen eine sinnvolle Alternative. Ein Beispiel zur Leistungsfähigkeit des Prozesses mit der optischen Messtechnik liefert ein Benchmark der GIFmbH&Co.KG (Dortmund) zur präzisen Fertigung von zwei Tellerrädern. Die zugrundeliegenden 3D- Daten stammen aus KISSsoft (Verzahnungsgeometrie) und EUKLID (Tellerrad komplett), die NC- Programmierung wird mit EUKLID GearCAM durchgeführt, einer auf die Verzahnungsherstellung spezialisierten CAM-Lösung. Die Herstellung der beiden Tellerräder erfolgt auf 5-Achsfräsmaschinen. Die fertigen Räder werden mit der automatisierten GOM ATOS ScanBox gemessen. Die Auswertung liefert wieder eine Farbdarstellung, welche die Differenz zwischen den optisch erfassten Messdaten und den Soll- Daten anschaulich darstellt (Bild 5). Durch die Einpassung auf die Zahnradgeometrie werden die angewendete Frässtrategie, das Ausweichen des Fräsers durch die Fräskraft und Temperatureinflüsse im Werkstück und in der Bearbeitungsmaschine klar ersichtlich. Bild 5. Farbige Darstellung der Abweichungen der Scan-Daten zur Soll-Form, an zwei Rädern
Auch die in der klassischen Verzahnungsmessung von Kegelrädern übliche Auswertung mit topologischem Messgitter kann sehr einfach durchgeführt werden. Die Koordinaten eines 5x8 Messgitters und Normalenvektoren werden in die GOM Inspect Software eingelesen. Die Durchstosspunkte werden ermittelt und die Differenz zu den Soll-Daten angezeigt (Bild 6). Bild 6. Auswertung eines topologischen Messgitters mit GOM Inspect Zusammenfassung Für die Herstellung und Qualitätssicherung von Getriebebauteilen wird ein lückenloser und durchgängiger Prozess benötigt, welcher von GOM und KISSsoft bereitgestellt wird. Als Grundlage für die Fertigung und Beurteilung von Verzahnungen ist eine Soll-Geometrie nötig. KISSsoft erzeugt diese exakt und kombiniert die Geometrieberechnung der Verzahnung mit deren Auslegung, Optimierung und dem Festigkeitsnachweis. Die optische Messung mit GOM und der Vergleich von Soll- und Ist-Geometrie in der GOM Inspect Software haben die Vorteile, dass die neue Technik einfach, genau und flexibel einsetzbar ist. Sie wird zudem für verschiedene Arten von Teilen wie Zahnräder, Wellen aber auch Gehäuse oder Werkzeuge eingesetzt und eignet sich sowohl in der Serienprüfung als auch zur Erstmusterprüfung.