Neues Messverfahren für Nockenwelle

Nockenwellen sind komplexe Werkstücke. Mit einem neuen Messplatz lassen sie sich nun automatisch und prozesssicher direkt in der Produktion messen. Die Kombination aus einer 3D-Funktion und einem 2D-Taster ermöglicht die vollständige Erfassung aller relevanten Messmerkmale inklusive der Passfedernut.

Die Nockenwelle ist ein entscheidendes Bauteil in jedem Verbrennungsmotor und wichtig für die Effizienz und Langlebigkeit des Motors. Die Nocken der Welle steuern die Ein- und Auslassventile. Dabei werden Nockenwellen kontinuierlich weiterentwickelt, um u.a. den Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoff- und Geräuschemissionen zu reduzieren. Weltweit werden jedes Jahr über 100 Millionen Nockenwellen produziert. Dabei spielt die exakte Qualitätsprüfung der Werkstücke eine immer größere Rolle. Denn nicht erkannte Toleranzüberschreitungen führen oft zur Fehlfunktion ganzer Baugruppen. Produzenten von Nockenwellen wird deshalb zunehmend eine 100 Prozent Geometriekontrolle vorgeschrieben. Aber wie erfolgt die Qualitätskontrolle dieses komplexen Werkstückes effizient, schnell und möglichst zeitsparend in nur einer Aufspannung? Der Fertigungsmesstechnik-Hersteller Mahr bietet als Applikationsspezialist mit dem neuen Messplatz Marshaft Scope600 plus 3D ein ganz neues Messverfahren für die Nockenwelle: Die Kombination von optischen und taktilen Sensoren ermöglicht erstmalig eine 3D-Funktionalität und dadurch eine Komplettüberprüfung des Werkstückes in einer Aufspannung.

Matrixkamera trifft 2D-Tastsystem
Für das innovative Messverfahren entwickelte Mahr den Wellenmessplatz Marshaft Scopeplus weiter. Die Weiterentwicklung verfügt jetzt neben der bewährten Livebild-Matrixkamera mit ihren 1088 x 2048 Pixel auch über ein neues 2D-Tastsystem, ein motorisches Widerlager sowie eine Kalibrierung für die Linearachsen. Per Knopfdruck scannt das System ein unbekanntes Werkstück automatisch ein und erzeugt einen Kontur-Form-Scan. Alternativ können auch 3D-CAD-Daten geladen werden und die Messprogramme komfortabel offline erstellt werden. Die Matrixkamera misst optisch in wenigen Sekunden Merkmale der Nockenwelle wie z.B. Durchmesser, Längen, Radien, Form, Lagemerkmale, Nockenwinkel oder den Nockenhub.

Damit die Messungen schnell erfolgen, verfügt der ergonomisch designte Messplatz über eine neue hochpräzise Z- und X-Achse. Dabei erreicht die Mess- und Positioniergeschwindigkeit in beiden Richtungen jetzt 200 mm/s bei höchster Beschleunigung. Der zusätzliche 2D-Taster erfasst Merkmale, die optisch nicht messbar sind: konkave Nockenform, Planläufe, Referenzelemente in axialer Richtung wie axiale Bohrungen. Dabei sind das taktile und optische System in ein Koordinatensystem eingemessen. Der Messplatz arbeitet mit der Softwareplattform Marwin und leistet in dieser Kombination die vollständige 3D-Funktionalität.

Passfedernut zuverlässig messen
Wichtig bei der Messung der Nockenwelle ist die Überprüfung der Passfedernut: Sie  ist das entscheidende Teil der Passfederverbindung – also der Verbindung von Welle und Nabe – und überträgt das Drehmoment. Form und Abmessung der Passfedernut sind durch die DIN 6885 genormt. Damit die Nut zuverlässig funktioniert, muss sie mit hoher Genauigkeit produziert werden. Dabei werden die Anforderungen immer höher. Die Messung erfolgt in der gleichen Aufspannung in der auch die anderen Merkmale der jeweiligen Welle gemessen werden. Die Prüfung der Passfedernut übernimmt hierbei der 2D-Taster, da sie optisch nach dem Durchlichtverfahren nicht messbar ist. Der Taster misst alle relevanten Merkmale wie Federnut-Tiefe, Federnut-Breite, Symmetrie (z.B. zur Wellenachse), Länge und Geradheit.

Messen direkt in der Fertigung
Der Messplatz Marshaft Scope600 plus 3D misst zuverlässig direkt in der Fertigung. Er steht in der Produktion an der Bearbeitungsmaschine für den jeweiligen Bearbeitungsschritt. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber der nur im Feinmessraum arbeitenden Koordinatenmessmaschine, denn zeitaufwändige Wege zwischen Fertigung und Messraum entfallen. Die Messung der Nockenwelle und der Passfedernut wird darüber hinaus durch komfortable Software-Programme unterstützt.

Für die vernetzte Fabrik der Zukunft
Der Wellenmessplatz ist nicht nur bei der Prüfung von Nockenwellen im Einsatz. So arbeitet das Messsystem nicht nur in der Automobilindustrie, sondern auch in Branchen wie Maschinenbau, der Produktion von Wellen für Elektromotoren oder in der Medizintechnik bei der Fertigung von Dialysepumpen. Werkstücke wie z.B. eine Zahnstange können in nur 10 Sekunden hochgenau auf ihre Geradheit überprüft werden – einer der vielen Vorteile der eingesetzten Matrixkamera gegenüber einem Messplatz mit Zeilenkamera. Der Messplatz beschleunigt die vollständige Messungen von Wellen und macht die Qualitätssicherung deutlich effizienter.
Der Nutzer hat von der neuen Messlösung gleich mehrere Vorteile. Das automatisierte Messverfahren misst wesentlich schneller und prozesssicherer als vergleichbare Messmethoden: Während die klassische Koordinaten-Messtechnik etwa 30 bis 40 Minuten pro Werkstück benötigt, misst der Wellenmessplatz eine 4 Zylinder-Nockenwelle in nur wenigen Minuten. Das motorische, CNC-gesteuerte Widerlager sorgt dafür, dass die Werkstücke immer mit gleicher Spannkraft eingespannt werden und der Bedienereinfluss ausgeschlossen ist. Das Messsystem ist bereits für die vernetzte Fabrik der Industrie 4.0 entwickelt. Als Messmaschine mit lokaler Intelligenz verfügt sie optional über einen Barcode-Reader mit dem Werkstücke erkannt werden und dann automatisch das richtige Messprogramm gestartet wird. Eine Beladung der Werkstücke per Roboter und damit eine Inline-Messung ist möglich. Der Messplatz ist vernetzt und kann bei abweichenden Toleranzen Korrekturdaten im Closed-Loop an die Bearbeitungsmaschine senden.

Zusammenfassung
Der neue Nockenwellen-Messplatz Marshaft Scope600 plus 3D übernimmt für Fertigungsbetriebe zwei Funktionen: Er stellt in nur einer Ausspannung sicher, dass sämtliche entscheidende Merkmale bei der Nockenwelle innerhalb der Toleranz liegen, beschleunigt die Qualitätssicherung, erhöht zugleich die Produktivität der Fertigung, reduziert teuren Ausschuss und senkt die Herstellungskosten.

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