3D Scanner
Einfache Lösung zur Messung des Durchmessers an Zahnrädern
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Tags:
- Metalle , Zerspanung , Mechanical elements
Wichtige Punkte im Überblick
- Führen Sie berührungslose Messungen des Durchmessern durch, indem Sie mit der Modellreihe VL einen vollständigen 3D-Scan erfassen.
- 3D-Scans erfassen die gesamte Geometrie, ohne dass eine Vorrichtung oder Positionierung notwendig sind.
- Erstellen Sie virtuelle Querschnitte zur Berechnung des Zahnraddurchmessers und der Zahndicke.
- Die Modellreihe VL erfasst komplexe Zahnradtypen (Stirnrad, Schrägzahnrad, Innenzahnrad, Kegelrad, Zahnstange) mit hoher Genauigkeit, unabhängig vom Bediener.
- Die schnelle Überlagerung von CAD-Daten und der quantitative i.O./n.i.O-Vergleich vereinfachen die Inspektion und reduziert die Nacharbeit.
Zahnräder sind grundlegende Maschinenelemente, die zur Kraftübertragung eingesetzt werden. Ihre ineinandergreifenden Zähne übertragen eine Drehbewegung und ermöglichen durch die Kombination unterschiedliche Zahnradgrößen eine genaue Steuerung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Antriebs- und Abtriebswelle. Zahnräder finden sich überall, von Fahrrädern und Armbanduhren bis hin zu Turbinen und industriellen Werkzeugmaschinen und sind damit ein wesentlicher Bestandteil fast jedes mechanischen Systems, auf das wir uns verlassen.
Eine effektive Zahnradkonstruktion erfordert eine sorgfältige Abwägung der Prioritäten: hohe Maßgenauigkeit für einen reibungslosen Betrieb, robuste Langlebigkeit für eine dauerhafte Kraftübertragung und ein ständiges Streben nach Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung. Zusätzlich erschwerend kommt hinzu, dass Zahnräder im Laufe der Zeit unweigerlich verschleißen und sich verformen, was bedeutet, dass diese Effekte bereits in den frühesten Phasen der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.
Unter den vielen Faktoren, die die Leistung eines Zahnrads bestimmen, ist die Zahndicke einer der wichtigsten. Die gängige Bewertung erfolgt durch die taktile Messung mit einem Taster, der die Maßhaltigkeit und Formtreue des Zahnrads kontrolliert. In diesem Artikel stellen wir die wichtigste Zahnradterminologie und -typen vor, erläutern die taktile Messung, die typischen Herausforderungen dabei und wie der optische 3D‑Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE diese zuverlässig löst.
Zahnradtypen
Stirnrad
Dies ist der gebräuchlichste Zahnradtyp, bei dem die Verzahnung parallel zur Rotationsachse verläuft. Es zeichnet sich durch seine Einfachheit und leichte Herstellung aus. Es ist auch als geradverzahntes Zahnrad bekannt.
Schrägzahnrad
Ein Schrägzahnrad ist ein Zahnrad, bei dem die Zähne schraubenförmig verlaufen. Im Vergleich zu Stirnrädern greifen mehr Zähne gleichzeitig ineinander, was zu einer höheren Festigkeit und weniger Vibrationen und Geräuschen führt.
Doppel-Schrägzahnrad
Ein Doppel-Schrägzahnrad hat die Form von zwei nebeneinander angeordneten Schrägzahnrädern. Durch die Kombination von Zahnrädern mit entgegengesetzter Zahnneigung kann die von Schrägzahnrädern erzeugte Axialkraft aufgehoben werden. Wenn sie direkt nebeneinander liegen, werden sie als Pfeilzahnrad bezeichnet.
Innenzahnrad
Hierbei handelt es sich um eine Art Stirnrad mit Innenverzahnung. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass sich zwei kämmende Außenstirnräder in entgegengesetzte Richtungen drehen, während sich ein Innenzahnrad und ein damit kämmendes Zahnrad in die gleiche Richtung drehen.
Zahnstange und Ritzel
Eine Zahnstange ist ein platten- oder stangenförmiges Zahnrad (Teil B) und ein Ritzel ist ein kleines zylindrisches Zahnrad (Teil A). Die Kombination aus beiden wird als „Zahnstange und Ritzel“ bezeichnet. Sie kann eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandeln und wird in Anwendungen wie Kfz-Lenksystemen, Förderanlagen und Werkzeugmaschinen eingesetzt.
Geradverzahntes Kegelrad
Ein Kegelrad ist ein kegelstumpfförmiges Zahnrad, das nach seiner schirmartigen Form benannt ist. Darunter wird ein Kegelrad mit geraden Zähnen als „geradverzahntes Kegelrad“ bezeichnet. Es handelt sich um ein Zahnradgetriebe mit sich schneidenden Achsen, das zur Änderung der Drehrichtung verwendet wird.
Spiralkegelrad
Ein Zahnrad, dessen Zähne spiralförmig auf einer kegelstumpfförmigen Basis angeordnet sind, wird als „Spiralkegelrad“ bezeichnet. Es handelt sich um eine Art von Winkelgetriebe, das die Richtung der Drehbewegung ändert.
Schrägverzahntes Kegelrad
Dies ist eine Art von Kegelrad, das einem bogenverzahnten Kegelrad ähnelt. Doch während bogenverzahnte Kegelräder gekrümmte Zähne haben, weisen schrägverzahnte Kegelräder gerade Zähne auf, was zu Unterschieden im Überdeckungsgrad usw. führt.
Schneckengetriebe
Ein Schneckengetriebe besteht aus einer gewindeförmigen Welle, der „Schnecke“ (Teil A), und dem dazugehörigen „Schneckenrad“ (Teil B). Schneckengetriebe werden als Schraubwälzgetriebe klassifiziert, oft mit einem Achskreuzungswinkel von 90°. Sie weisen ein hohes Untersetzungsverhältnis auf und werden eingesetzt, wenn eine große Drehzahlreduzierung bei gleichzeitiger Änderung der Drehrichtung erforderlich ist.
Hypoidgetriebe
Dies ist eine Art Spiralkegelrad, jedoch mit dem wesentlichen Unterschied, dass sich die Achsen des Antriebs- und Abtriebsrads nicht schneiden, was es zu einem „Getriebe mit Achsversatz“ macht. Es wird typischerweise in Anwendungen mit hohem Drehmoment eingesetzt, wie z. B. in Fahrzeugantrieben und Untersetzungsgetrieben für Werkzeugmaschinen und Roboter.
Terminologie der Zahnradteile
Am Beispiel eines Stirnrads stellen wir nun die Bezeichnungen der verschiedenen Teile eines Zahnrads vor.
[A] Zahnlückenweite
[B] Zahndicke
[C] Zahnkopfhöhe
[D] Zahnfußhöhe
[E] Zahnhöhe
[F] Zahnbreite
[G] Fußkreisdurchmesser
[H] Grundkreisdurchmesser
[I] Teilkreisdurchmesser
[J] Kopfkreisdurchmesser (Außendurchmesser)
[K] Teilung
Methoden zur Messung der Zahndicke
A: Kopfkreis
B: Teilkreis
C: Fußkreis
D: Wälzpunkt
E: Zahndicke
Die Zahndicke bezeichnet die Dicke eines einzelnen Zahns auf dem Teilkreis. Die Abbildung zeigt die Zahndicke eines Stirnrads. Zu den Messmethoden für die Zahndicke gehören die „Zahndickenmessung“, die „Zahnweitenmessung“ und die „Messung über Rollen (oder Kugeln)“.
Zahndickenmessung
Die Zahndicke ist die Länge der Sehne zwischen zwei symmetrischen Punkten auf den Zahnflanken am Teilkreis. Bei der Zahndickenmessung wird die Dicke bei der Zahnhöhe (H) mit einem Zahndickenmessschieber, einer Zahndicken-Messschraube oder einem Zahnprofil-Messschieber gemessen.
Zahnweitenmessung
Die Länge über eine bestimmte Anzahl von Zähnen wird mit einer Zahnweitenmessschraube oder einem ähnlichen Messinstrument gemessen. Die Anzahl der überbrückten Zähne nennt man „Messzahnzahl“. Da die Zahndicke aus dieser Zahl bestimmt wird, bezeichnet man das Verfahren als „Zahnweitenmessung“. Da die Messung anhand der Zahnzahl erfolgt, ist das Festlegen einer Bezugsfläche nicht erforderlich.
Taktile Messverfahren
Bei der taktilen Zahnweitenmessung werden Taster in die Zahnlücken gelegt. Über die Position der Taster wird bei Außenverzahnungen das Außenmaß und bei Innenverzahnungen das Innenmaß bestimmt, woraus die Zahndicke berechnet wird. Da bei diesem Verfahren taktile Messelemente eingesetzt werden, spricht man von einem taktilen Messverfahren. Dabei können sowohl zylindrische Stifte als auch Messkugeln als Messelemente zum Einsatz kommen. Das so ermittelte Maß wird bei Außenverzahnungen als „Maß über die Stifte/Kugeln“ oder „Durchmesser über die Stifte/Kugeln“ bezeichnet. Bei Innenverzahnungen heißt das Ergebnis durchgängig „Maß zwischen den Stiften/Kugeln“.
Bei Zahnrädern mit einer geraden Anzahl von Zähnen werden Stifte oder Kugeln in gegenüberliegenden Zahnlücken platziert; bei einer ungeraden Anzahl von Zähnen werden sie in um 180° versetzten Zahnlücken platziert.
Was den Durchmesser der verwendeten Stifte oder Kugeln betrifft, so ist es bei einem Standardzahnrad ideal, dass sie am Teilkreisdurchmesser anliegen, und bei einem profilschobenen Zahnrad ist es ideal, dass sie am Durchmesser von „{Teilkreisdurchmesser + (Modul × Profilverschiebungsfaktor × 2)}“ anliegen. Weil die nach Formel berechneten Durchmesser von Stiften oder Kugeln häufig nicht den serienmäßig angebotenen Normgrößen entsprechen, greift man in der Praxis auf die nächstliegenden handelsüblichen Stift‑ bzw. Kugelgrößen zurück, um Verfügbarkeit und Austauschbarkeit sicherzustellen.
Bei Stirn- und Schrägzahnrädern wird die Zahndicke mit zwei Stiften oder Kugeln zusammen mit einer Messschraube oder einem ähnlichen Messinstrument gemessen. Bei Hohlrädern werden zwei Stifte oder Kugeln mit einem Endmaß oder einem gleichwertigen Messmittel verwendet.
Herausforderungen der taktilen Zahndickenmessung
Bei der taktilen Zahndickenmessung wird die Zahndicke im Allgemeinen mit Messschiebern, Zahnradmessschrauben oder Koordinatenmessgeräten (KMG) gemessen. Jede dieser Messmethoden hat jedoch ihre eigenen Herausforderungen. In diesem Abschnitt beschreiben wir die mit der herkömmlichen Zahndickenmessung verbundenen Schwierigkeiten.
Messschieber und Zahnweitenmessschrauben
Die gebräuchlichsten Instrumente sind Messschieber oder spezielle Zahnweitenmessschrauben. Bei der manuellen Messung des Durchmessers über die Messstifte werden die Messspitzen des Werkzeugs auf das Bauteil aufgesetzt und der Wert abgelesen, wodurch die Messung anwenderbedingt variieren kann.
Koordinatenmessgerät (KMG)
Ein Koordinatenmessgerät (KMG) erfasst mithilfe eines Messtasters dreidimensionale Koordinaten von einem auf dem Messtisch befestigten Werkstück. Diese Koordinaten geben die Positionen der Punkte in Quer-, Längs- und Höhenrichtung auf der Oberfläche des Bauteils wieder. Dadurch kann das KMG Abmessungen, Lagebeziehungen, Konturen und Form- und Lagetoleranzen mit beeindruckender Präzision messen.
Bei komplexen Merkmalen wie der Zahndicke stößt der taktile Ansatz des KMG jedoch an seine Grenzen. Da die Daten punktweise erfasst werden, erfordert die Messung komplizierter Geometrien eine große Anzahl einzelner Antastungen, was den Prozess zeitaufwändig macht. Erschwerend kommt hinzu, dass die Programmierung eines KMG für komplexe Formen wie Zahnräder ein hohes Maß an Fachwissen des Bedieners erfordert, was sowohl die Anforderungen an die Qualifikation als auch das Potenzial für menschliche Fehler erhöht.
Herausforderungen mit Messschiebern, Zahnradmessschrauben und Koordinatenmessgeräten (KMG)
Die Messung der Zahndicke mit Handmessmitteln (z. B. Messschiebern oder Zahnradmessschrauben) ist einfach und kostengünstig, aber anfällig für Bedienerfehler und kann zeitaufwändig sein. Im Gegensatz dazu liefern Koordinatenmessgeräte (KMG) eine wesentlich höhere Genauigkeit, erfordern jedoch das Aufspannen und Ausrichten der Teile sowie geschultes Personal. Um die höchste Präzision mit einem KMG zu erreichen, ist es in der Regel erforderlich, die Anzahl der Messpunkte zu erhöhen, was die Prüfzeit verlängert.
Einfache Lösung zur Messung des Zahnraddurchmessers
Herkömmliche Messmethoden bringen viele Herausforderungen mit sich. Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE löst diese Herausforderungen und ermöglicht eine mühelose Messung des Zahnraddurchmessers.
Die Modellreihe VL kann die gesamte Form eines Bauteils berührungslos in 3D erfassen. Ein Bauteil kann in nur wenigen Augenblicken gescannt werden, wodurch bedienerbedingte Abweichungen und Fehler vermieden werden. Im Folgenden zeigen wir, welche Vorteile die taktile Durchmessermessung von Zahnrädern in Kombination mit dem optischen 3D‑Scanner VL-800 bietet.
Vorteil 1: Erfassung der gesamten Oberfläche des Zahnrads
Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE erfasst einen vollständigen 3D-Scan eines Zahnrads. Anhand von Querschnittsansichten, die aus den Daten entnommen werden, kann jeder Anwender problemlos den Teilkreisdurchmesser messen. Die gesamte Geometrie kann mit einem einzigen Klick erfasst werden, was die für die Messung der Zahndicke erforderliche Zeit drastisch reduziert. Da das System das Objekt als kontinuierliche Oberfläche und nicht als einzelne Punkte oder Linien erfasst, kann es komplexe Formen wie Zahnräder präzise messen.
Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL eliminiert die Variabilität von Messschiebern oder Messschrauben und erfordert keine Erfahrung für ein KMG, wobei es gleichzeitig präzise, reproduzierbare Messungen der Zahndicke liefert, unabhängig davon, wer sie durchführt.
Vorteil 2: Einfaches Messen komplexer Zahnradformen
Das Zweikugelmaß jedes Zahnrads (Stirnrad, Schrägzahnrad, Innenzahnrad usw.) kann mit dem optischen 3D-Scanner VL-800 von KEYENCE einfach gemessen werden. Ein einziger Scan des gesamten Zahnrads erfasst das Zweikugelmaß.
Das für ein Bauteil definierte Messverfahren kann auf mehrere Bauteile gleichzeitig angewendet werden. Dies ermöglicht schnelle Formvergleiche zwischen mehreren Objekten und unterstützt damit die quantitative i.O / n.i.O-Analyse, mit Hilfe dessen die automatisierte Aussortierung fehlerhafter Teile stattfindet.
Mühelose Messung des Zahnraddurchmessers dank Streifenlicht
Mit dem optischen 3D-Scanner wird die Messung, die mit herkömmlichen Messverfahren schwierig war, zu einer mühelosen Aufgabe.
- Keine Positionierung oder Vorrichtungen erforderlich. Legen Sie das Zahnrad einfach auf den Objekttisch und scannen Sie es, um die Zahndicke zu messen.
- Der berührungslose präzise Scanvorgang ist in nur wenigen Augenblicken abgeschlossen.
- Erfassen Sie vollständige 3D-Scans von komplexen Formen und Gemoterien.
- Die berührungslose Messung reduziert Abweichungen und Fehler zwischen den Bedienern erheblich und gewährleistet stabile Ergebnisse.
- Der quantitative Vergleich und die Analyse mehrerer Messdatensätze vereinfachen die i.O/n.i.O-Beurteilung.
Die zuvor arbeitsintensive Zahndickenmessung kann mit dem optischen 3D‑Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE effizient und reproduzierbar ausgeführt werden. Das System erfasst selbst komplexe Geometrien wie Stirnräder, Schrägzahnräder, Doppelschrägzahnräder, Innenverzahnungen, Zahnstangen, Ritzel und Kegelräder.
